附壁旋流风幕集尘系统数值模拟与试验研究

大型设备工作时产生的粉尘浓度过高、粉尘扩散等问题,会影响工作人员的身体健康,甚至可能造成“粉尘爆炸”等安全问题。基于此现状提出了一种新型风幕集尘系统并介绍了其构造及应用。为了使系统的集尘效果更好,采用计算流体力学FLUENT软件进行数值模拟分析并对风幕集尘系统的工作参数进行了试验研究,得到最佳的设备工作参数及风幕的集尘效率。结果表明:(1)附壁旋流集尘风幕系统可形成稳定的螺旋风流场,大部分粉尘可以控制在风幕内侧,达到良好的集尘效果;(2)附壁旋流风幕集尘系统的射流腔条缝口的喷射角度对风幕形成效果影响最明显,风幕闭合性会随着射流腔工作角度变化而变化;(3)当射流腔条缝口角度为45°、风幕入口速度为15~25 m/s时,风幕的闭合性最好;(4)风幕的入口速度过大或过小都会使风幕的集尘效果下降;(5)吸尘盘的负压区域与风幕交界处会产生微弱湍流,但对风幕整体闭合性影响较小;(6)模拟与试验结果吻合,验证了新型附壁旋流集尘风幕技术的有效性。

旋风滤布除尘器的除尘性能研究

为了解决传统旋风除尘器对颗粒捕集效率差、袋式除尘器使用寿命短等问题,将传统旋风除尘与滤布除尘有效结合,形成一种优势互补的一体式旋风滤布除尘装置。采用数值模拟和试验相结合的方法,探究在不同出口压力的条件下,旋风滤布除尘器的除尘效率及压力损失情况。利用Fluent软件对旋风滤布除尘器的除尘性能进行模拟,模拟采用雷诺应力模型(Reynolds Stress Model, RSM)和多相流模型(Discrete Phase Model, DPM)。通过搭建试验平台,测试除尘装置的除尘性能,验证数值模拟的可靠性与正确性。结果表明:旋风滤布除尘器的除尘效率相对于旋风除尘有明显的提高,旋风滤布除尘器的除尘效率与出口负压呈正相关,旋风滤布除尘总效率随出口负压的增加而逐渐增加,且旋风滤布除尘器除尘效率的最小值都高于旋风除尘部分除尘效率的最大值;旋风滤布除尘器的压力损失随出口负压的增加而线性增大,压力损失增大使得除尘器损耗的功率也增多,且压力损失的上升速度快于除尘效率的提升速度;在旋风滤布除尘器中,负压增大后,旋风除尘捕获大粒径颗粒,逃逸到滤布部分的颗粒粒径都较小,降低了滤布被大颗粒划破的风险,提高了滤袋的使用寿命。

阻燃输送带火灾早期温度变化与烟气成分研究

为实现带式输送机火灾早期预警,改进滚筒摩擦实验平台并监测阻燃输送带温度。利用质谱(MS)技术,分析钢丝绳芯阻燃输送带在摩擦事故早期的升温规律与烟气成分。研究表明,随着摩擦持续进行,阻燃输送带表面温度分布呈现出较强的对称性,最高温度区域逐渐向输送带中心集聚,烟气成分随温度变化而改变。根据实验中烟气产物主要成分以及对应的反应过程,将钢丝绳芯阻燃输送带升温过程分为氧化反应阶段(环境温度至100℃)、取代反应阶段(100~160.2℃)和热解反应阶段(160.2℃以后)。当阻燃输送带处于氧化反应阶段时,输送带热容量较小、升温快,产物多为烷基和酯类化合物;取代反应阶段热容量逐渐增加,升温放缓,产物多为硝基、醚类、羧酸类化合物;热解反应阶段输送带内部热容量基本稳定,升温速率最小,在160.2℃时在烟气成分中首次检测到含氯化合物。

基于深度学习模型的煤矿安全隐患数据主题挖掘

为了提高煤矿安全风险排查能力和监督能力,提出1种基于双向长短期记忆网络(BiLSTM)、条件随机场(CRF)和隐含狄利克雷分布(LDA)的模型。训练BiLSTM-CRF模型分词,采用困惑度-主题方差(perplexity-var)计算LDA模型最优主题数,构建BiLSTM-CRF-LDA模型挖掘内蒙古某煤矿安全隐患数据。研究结果表明:困惑度-主题方差指标能更准确地确定主题数;BiLSTM-CRF模型分词结果比jieba库更准确;BiLSTM-CRF-LDA模型能准确地挖掘出煤矿安全隐患类型、安全隐患空间分布和安全责任划分。研究结果可为煤矿安全风险排查与监督提供参考。

原煤与氧化煤在不同氧气浓度下的氧化特性研究

通过自主研发的程序升温装置,以山东唐口烟煤为研究对象,分析了原煤与氧化煤在不同氧气浓度下的耗氧速率、放热强度、CO气体浓度、特征温度、交叉点温度的变化规律。结果表明,在21%氧气体积分数下,原煤的耗氧速率、放热强度均高于氧化煤,原煤的CO量反应初期小于氧化煤,后期大于氧化煤;在15%,10%氧气体积分数下,原煤的耗氧速度、放热强度低于氧化煤,氧化煤产生的CO量总高于原煤;在5%氧气体积分数下,原煤的耗氧速度、放热强度前期大于氧化煤,后期小于氧化煤,氧化煤产生的CO量总高于原煤。随着氧气体积分数的下降,原煤和氧化煤的特征温度都逐渐升高;在21%,15%氧气体积分数下,氧化煤的特征温度都低于原煤的特征温度,10%,5%氧气体积分数条件下原煤和氧化煤的临界温度和干裂温度相差不明显;随着氧气体积分数下降,原煤和氧化煤的交叉点温度都增大,且氧化煤的交叉点温度相较于原煤更提前。

AHP耦合TOPSIS的煤矿安全评价模型及其应用

为客观评价煤矿安全现状,并实现对安全隐患的及时排查,建立基于层次分析法(AHP)耦合逼近理想解排序法(TOPSIS)的煤矿安全综合评价模型。首先,以事故致因理论为基础,从人、物、环境和管理等4个方面选取影响矿井安全的20个评价指标,并根据指标临界值构建安全现状级别评判标准;其次,基于AHP法确定各层指标重要度,计算得出各指标权重,同时利用TOPSIS方法计算得出样本贴近度矩阵;最后,将权重与贴近度结合,确定出矿井安全现状等级。以义马煤业某矿为例,利用AHP-TOPSIS模型计算得出矿井安全现状等级,同时根据计算结果逆序分析找出存在的安全隐患,分析结果与现场实际情况基本一致。

煤矿巷道内N_2及CO_2抑制瓦斯爆炸的机理特性

为探求煤矿巷道内惰性气体(氮气及二氧化碳)对瓦斯预混合爆炸的影响,采用详细反应机理(包括53种组分、325个反应),运用化学动力学计算软件CHEMKIN 3.7中PREMIX程序包,建立巷道内瓦斯爆炸过程的数学模型。通过数值计算,对比了N_2及CO_2对瓦斯爆炸过程中反应物、自由基、爆炸后产生的主要致灾性气体的浓度以及甲烷总消耗速率等变化的影响,分析N_2及CO_2对瓦斯爆炸反应过程影响的异同。计算结果表明,在相同体积分数下,CO_2比N_2更能有效地降低体系中的活化中心浓度和爆炸中所生成致灾性气体CO,NO的浓度,因此CO_2在抑制瓦斯爆炸作用方面比N_2的效果更为明显。

受限空间瓦斯爆炸与氢气促进机理研究

为探索受限空间中瓦斯爆炸及氢气对爆炸过程的影响,采用GRI-Mech 3.0甲烷燃烧机理,建立受限空间中瓦斯爆炸的数学模型,应用CHEMKIN软件,对受限空间内瓦斯爆炸过程及氢气对反应物浓度、活化中心浓度、主要致灾性气体浓度的影响进行模拟分析。通过对反应机理的敏感性分析,找出影响瓦斯爆炸及爆炸后主要致灾性气体生成的关键反应步。结果表明:混合气中分别充入0.5%,2%,3.5%氢气时,爆炸时间分别提前0.005 7,0.010 5,0.011 1 s;爆炸后压力分别提高2.53,4.05,7.60 kPa;爆炸后温度分别提高20,60,100 K。由此可见,随着混合气中氢气含量的增加,瓦斯引爆时间越来越短,其爆炸强度也随之增大,且氢气在一定程度上对有害气体CO,CO2,NO,NO2的生成有很大影响。

煤矿安全状态的突变理论评价模型及其应用

为准确反映矿井事故发生的跳变过程,并对矿井安全状态作出客观评价,构建煤矿安全状态的突变评价模型。首先,以辩证唯物主义、轨迹交叉理论及突变原理为指导,构建煤矿安全状态评价指标体系;其次,对底层指标参数进行无量纲处理;然后,根据不同突变类型归一化公式及突变评价规则,借助Matlab逐级求得突变隶属函数值,参照安全状态等级评价标准确定安全状态级别;最后以11个矿井数据为样本进行安全状态评价,并将计算结果与模糊可变识别评价结果进行比较。结果显示,2种模型评价结果总体保持一致,突变评价模型指标计算值与近年煤矿安全事故发生原因统计分析结果更贴近。

卸压支护技术在煤巷支护中的应用

根据凤凰山煤矿现场实际,分析了以往巷道支护破坏原因,结合卸压和支护的维护原则,阐述围岩蠕变卸压支护方式的原理及卸压支护参数的确定,成功地在2322工作面上回风巷进行沿空掘巷卸压支护。试验结果表明,与以往使用过的支护方式相比,该方式的巷道变形小,安全状况明显好转,实现该巷在服务期限内无巷修工程,节约维护费用,减少优质煤炭资源的损失,提高矿井的经济效益。该支护方式工艺简单,维护费用低,便于推广,社会和经济效益显著。

综掘工作面风幕集尘风机除尘系统设计及试验研究

为了解决煤矿综掘工作面掘进过程中粉尘浓度过高,影响矿井安全生产的问题,设计了一种利用风幕集尘风机形成合理的控尘流场,防止综掘工作面高浓度含尘风流外溢的新型高效的风幕集尘风机除尘系统。基于流体力学理论和势流叠加原理,建立了受限空间内风机流场的数学模型,为了验证数学模型的合理性,进而在地面搭建了宽2.8 m、高2.3 m、长12 m的模拟巷道进行了风幕射流速度衰减试验。结果表明:风幕射流出口速度初期衰减较快,后期衰减变缓,数学模型所计算理论风速与实测风速基本一致,数学模型正确可靠;整体径向射流风幕需要封住的空间断面内,实测风速都在2 m/s以上,能够有效抑制粉尘颗粒向外逸散,可以在煤矿井下实际安装应用。

晋牛矿1303综放面采空区注氮方案研究及数值模拟

为了合理设计采空区注氮防灭火方案,以晋牛煤矿1303综放工作面为研究对象,通过在采空区进、回风侧布置束管监测系统,连续测定采空区气体浓度变化,划分采空区自燃"三带"分布区域,并基于采空区自燃"三带"划分标准和数值模拟的方法,利用流体力学COMSOL计算软件,研究不同注氮量、注氮位置下采空区氧化自燃带的分布规律。研究结果表明:注氮量和注氮位置参数的变化,对氧化自燃带上界限的影响并不显著,而对氧化自燃带的下界限影响比较显著;最合适的注氮位置应该在距离切顶线30 m左右,运用Origin软件得出注氮量与氧化自燃带宽度呈指数关系,由拟合式计算出最优注氮量为386 m^3/h,此时氧化自燃带的宽度为31.5 m。

受限空间内C_2H_6对瓦斯爆炸的促进机理研究

为了研究受限空间内C2H6对瓦斯爆炸的影响,采用GRI Mech 3.0甲烷燃烧反应机理对定容燃烧反应器内瓦斯爆炸过程中压力、温度变化趋势进行详细分析,同时,对瓦斯爆炸过程中关键反应步进行敏感性分析。结果表明:混合气体中依次充入0.5%、1%、1.5%、2%的C2H6,瓦斯爆炸压力、温度明显增加。其中,与混合气不含C2H6相比,加入2%的C2H6后,达到瓦斯爆炸最大压力、最高温度所对应的CH4体积分数都提前了3%,且爆炸最大压力增大了0.004MPa,爆炸最高温度升高了20K;混合气中加入C2H6,促进CH4生成反应步的敏感性系数大幅度下降,促进CO、NO生成反应步的敏感性系数升高。C2H6对瓦斯爆炸起促进作用,且随着C2H6含量的增加,瓦斯爆炸强度增大,同时,C2H6促进致灾性气体CO、NO的生成。

基于CHEMKIN-PRO的多元混合气体瓦斯燃烧模拟研究

针对多种不同性质气体对瓦斯燃烧过程的影响问题,采用CHEMKIN-PRO软件,构建USC Mech 2.0动力学模型对不同组分C_2H_4/CO_2瓦斯混合气体燃烧过程进行了深入研究,模拟分析了不同组分C_2H_4/CO_2瓦斯层流燃烧速率及H,O自由基体积分数的变化趋势,并利用SENKIN程序对其进行了敏感性分析。计算结果表明:随着CO_2体积分数的增大,层流燃烧速率降低,在φ<1和φ>1.25时分别降低了约13 cm/s和149 cm/s,H,O自由基体积分数降低,其协同抑制瓦斯燃烧;随着C_2H_4体积分数的增大,层流燃烧速率略微增加,在φ<1和φ>1.4时分别升高了约3和46 cm/s,H,O自由基体积分数升高,其协同促进瓦斯燃烧;在φ≤1条件下,随着当量比的增加,促进CH_4生成的关键反应步的敏感性系数升高幅度较大,其抑制瓦斯燃烧。

煤矿巷道内CO抑制瓦斯爆炸的反应动力学模拟研究

为研究矿井瓦斯中含有的一氧化碳对瓦斯爆炸的影响,通过运用化学动力学计算软件CHEMKIN3.7中PREMIX程序包,并采用了详细反应机理(包括53种组分、325个反应),建立了巷道内瓦斯爆炸的计算模型。利用此模型对瓦斯爆炸过程中反应物浓度、部分致灾性气体浓度的变化趋势进行了详细分析。通过对瓦斯爆炸详细反应机理的敏感性分析,找出了影响瓦斯爆炸以及爆炸后部分致灾性气体生成的关键反应步。同时,对一氧化碳抑制瓦斯爆炸及爆炸后致灾性气体生成的机理进行了探讨。

受限空间中CO与水蒸汽阻尼瓦斯爆炸的反应动力学模拟研究

为了探求一氧化碳与水蒸汽参与瓦斯爆炸的化学反应动力学过程的阻尼效应,建立了受限空间中瓦斯爆炸反应的数学模型。数值计算结果表明,结果表明在瓦斯爆炸过程中,瓦斯-空气混合气体含有10%的一氧化碳,虽然会延迟瓦斯爆炸时间,抑制瓦斯爆炸,但是H、O自由基浓度、瓦斯爆炸温度和压力比不加入一氧化碳时升高,同时对CO2、NO的生成起促进作用;当混合气体中含有10%的水蒸汽时,H、O自由基浓度降低,瓦斯爆炸温度和压力也随之降低,致灾性气体CO2、NO的生成得到抑制。虽然一氧化碳对瓦斯爆炸有一定的阻尼效应,但是由于一氧化碳对部分致灾性气体的生成有促进作用,因此,在阻尼瓦斯爆炸方面,水蒸汽的效果要好于一氧化碳。

采空区遗煤氧化标志性伴生气体对瓦斯爆炸的影响

为了研究采空区遗煤氧化过程中标志性伴生气体对瓦斯爆炸的影响,通过对煤样进行试验测定,确定遗煤升温不同阶段的标志性伴生气体。基于动力学模型CHEMKIN中Senkin的GRI 3.0甲烷燃烧反应机理,在定容条件下设定加速、激烈氧化2个阶段瓦斯与标志性伴生气体体积分数,模拟计算瓦斯爆炸温度、压力、中间产物及关键反应步敏感性系数。结果表明:随着标志性伴生气体体积分数的增加,在加速氧化阶段,爆炸时间提前了约0.003 0 s,爆炸压力及温度分别升高了约0.012 MPa和30 K;在激烈氧化阶段,爆炸时间提前了约0.000 2 s,爆炸压力升高了约0.007 MPa,两阶段自由基OH体积分数均逐渐降低,促进甲烷生成的关键反应步敏感性系数降低幅度均较大,即促进了瓦斯爆炸。

煤矿坑口电厂烟道气用于采空区防灭火技术研究

基于清洁生产的理念，以曹村矿11-214综放工作面为例，对坑口电厂烟道气用于煤矿采空区防灭火的可行性进行了数值计算。计算模型中引入了非均质孔隙率、在烟道气的处理中引入了多组分气体输运方程，计算结果显示：烟道气注入前自燃带位于距工作面（40-120）m的范围内，最大宽度为78m；烟道气注入后自燃带位于距工作面（49-62）m，最大宽度为9.5m，自燃带面积明显变小，并在注气口形成了耗氧汇。烟道气的动态运移规律显示，采空区数值计算应在以雷诺数为判定依据的基础上分区选择计算模型。通过采空区内不同位置烟道气运移连续监测，可获得采空区高效防灭火合理注入参数。

高瓦斯综放采空区瓦斯与火协同防治平衡点研究

为了解决高瓦斯综放采空区瓦斯与火协同防治问题,采用数值模拟的方法,构建采空区上隅角埋管抽采与注氮防灭火条件下的物理模型,引入可以均衡二者矛盾的“平衡点”概念,选取配风量、瓦斯抽采量和注氮量为试验因素,以氧化带最大宽度为试验指标,基于Design Expert软件中的Box-Behnken响应曲面设计,建立3因素3水平试验方案,通过现场观测和FLUENT数值模拟综合确定试验指标的不同取值,建立响应曲面模型,优化得到最佳工艺参数。研究结果表明:模型的P值为0.009 5,二次回归模型显著,失拟项为0.050 1,不显著,回归模型准确可靠;一次项对氧化带最大宽度的影响程度排序为配风量>瓦斯抽采量>注氮量,且2个影响因素之间无交互作用。利用该模型计算出亭南煤矿206综放工作面瓦斯与火协同防治的“平衡点”,即配风量为1 168.10 m 3/min、瓦斯抽采量为162.94 m 3/min、注氮量为800.01 m 3/h。模拟结果与现场实测结果基本一致,可以指导类似条件下的矿井实践。

沿空留巷开采中堵漏的必要性分析

沿空留巷开采技术已在很多矿区得到广泛应用,在提高回采率、减少巷道掘进工程量的同时,却也加剧了采空区的漏风量。为了说明漏风给采空区防灭火工作造成的不利影响,强调堵漏在沿空留巷开采中应用的必要性,本文采用有限单元法对采空区速度场和氧浓度场进行了数值模拟,通过两者叠加划分出了自燃"三带",并在数学模型的建立过程中考虑了遗煤氧化及采空区瓦斯涌出对氧气的稀释作用。计算结果表明:堵漏前自燃带最大宽度为196m,平均宽度为110m;堵漏后自燃带最大宽度为70m,平均宽度为63m。由此可见,漏风点的存在对采空区"三带"影响较大,且对采空区防灭火十分不利。所以沿空留巷开采中采取堵漏措施是十分必要的。