综掘工作面混合式风流调控下的粉尘沉降研究

煤矿掘进过程中粉尘聚集严重,目前针对综掘工作面混合式风流调控下粉尘沉降规律及优化的研究还不够深入。基于混合式风流调控系统,依托陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司综掘工作面,分析了压风口距工作面距离、压风口右偏角度、压风口口径、抽风口距工作面距离和压抽比等混合式风流调控参数对粉尘沉降规律的影响:随着压风口距工作面距离增加,司机处和回风侧行人呼吸带截面大颗粒粉尘占比先增后减再增,小颗粒粉尘占比增加;随着压风口右偏角度增加,司机处和回风侧行人呼吸带截面大颗粒粉尘占比变化明显;随着压风口口径增加,司机处截面小颗粒粉尘占比先增后减再增,回风侧行人呼吸带截面大颗粒粉尘占比先增后减;随着抽风口距工作面距离增加,司机处截面大颗粒粉尘占比先增后减,小颗粒粉尘占比先增后减再增,回风侧行人呼吸带截面粉尘粒径分布变化不大;随着压抽比增大,司机处和回风侧行人呼吸带截面小颗粒粉尘占比减小。以上述风流调控各参数为自变量,回风侧行人呼吸带全尘平均浓度和司机处呼尘平均浓度最低为优化目标,建立了粉尘沉降优化回归模型,利用粒子群优化算法求解模型,得到最优风流调控方案:压风口距工作面距离为8.9 m,压风口右偏角度为14.8°,压风口口径为0.9 m,抽风口距工作面距离为4.3 m,压抽比为1.1。搭建了风流调控下粉尘沉降实验平台,实验结果表明:测试值与粉尘沉降优化回归模型的模拟值误差在13%以内,验证了模型的准确性;优化后粒径为71~100μm的粉尘受风流调控参数影响明显,沉降在掘进机前方;优化后回风侧行人呼吸带全尘平均浓度和司机处呼尘平均浓度分别降低了47.4%和42.4%,降尘效果明显。

综掘工作面风流调控装置与射流风幕综合调控粉尘场优化分析

为解决目前综掘工作面传统混合式通风下粉尘聚集污染严重的问题,提出了利用出风口风流调控装置与抽风口射流风幕综合调控优化粉尘场的思路。以陕北某矿综掘工作面为研究对象,建立了风流-粉尘气固耦合场有限元模型,分析了调控装置口径、调控装置右偏角、风幕出口宽度、风幕出口速度及风幕出口张角等参数对粉尘场的影响;设计了正交试验以确定最佳综合调控方案,设计搭建了实验平台进行综合调控方案准确性和降尘效果验证。结果表明:在该综掘工作面通风系统布局下,当调控装置口径1.2 m,调控装置右偏角9°,风幕出口宽度0.14 m,风幕出口速度7 m/s,风幕出口张角60°时,司机位置粉尘质量浓度和行人呼吸带高度平均粉尘质量浓度分别降低91.7%和74.9%,测试误差均在10%以下,有效改善了通风环境。

煤矿综掘工作面长压短抽除尘性能与尘源移动路径关系

长压短抽通风除尘是净化煤矿综掘工作面掘进区域高质量浓度粉尘的有效方法之一,特别是压抽配合产生的局部流场有利于对呼吸性粉尘的除降,而产尘源位置的动态变化对该方式除尘性能的影响不甚明晰。通过考虑产尘源位置沿横、纵2种方向的运动路径及往复次数,基于长压短抽试验平台设计了4种尘源移动路径,结合对长压短抽通风系统参数的调控,测试分析尘源在不同运动工况下对空间粉尘质量浓度、粉尘粒径质量浓度和粒径分布的影响。结果表明:在相同的通风参数下,横向路径对司机和行人呼吸带位置造成的粉尘质量浓度均低于纵向;而在横向路径中,当压风筒位于靠近抽风筒一侧且压风口位于司机前方约1 m区域时,司机与行人呼吸带位置的PM1、PM2.5和PM10粉尘粒径质量浓度最低,通风除尘效果最好。空间粉尘扩散表现为:粒径小于2.5µm的颗粒极易跟随抽风流场被抽尘口收集净化,而粒径大于10µm的颗粒则会从产尘源和抽尘区域逃逸到司机及其后方区域,并以自然沉降为主。基于前期试验所得最优尘源移动路径与通风参数,在陕北某煤矿2304综掘工作面开展现场试验。结果表明:横向路径下司机位置和行人呼吸带位置的总粉尘质量浓度分别降低至85.6 mg/m^(3)和21.9 mg/m^(3),降尘率最高达到76.9%;呼吸性粉尘质量浓度分别降低至15.3 mg/m^(3)和10.5 mg/m^(3),降尘率最高达到85.2%,除尘性能明显提升。

综掘工作面风流调控下风速及瓦斯粉尘浓度融合预测模型研究

针对综掘工作面传统的通风总量控制管理模式不能根据实际需求进行风流调控,造成瓦斯及粉尘聚集和污染隐患等问题,对风流调控下的风速及瓦斯粉尘浓度多源数据融合神经网络预测模型进行了研究。采用欧拉-拉格朗日法建立了风流调控下的瓦斯及粉尘气固耦合模型并进行了测试验证,模拟分析瓦斯和粉尘颗粒在综掘巷道的分布情况,获取大量不同风流调控方案下的风速及瓦斯粉尘浓度样本数据。采用多层感知器神经网络技术建立预测模型结构,选取对瓦斯及粉尘浓度具有较大影响的风流调控等参数作为输入层,根据风速及瓦斯粉尘的隐患位置确定输出层,对样本数据进行预处理,通过引入差分进化算法搜索最佳隐藏层节点数和学习率,利用TensorFlow框架搭建多源数据融合神经网络预测模型。以陕北某矿综掘工作面为研究对象,对不同风流调控方案进行预测和井下实测验证。结果表明:该模型相对误差最大值为9.7%,具有较高的准确性;选取出风口距端头最短距离5 m和最远距离10 m这2种工况下的最佳调控方案,与调控前相比,风速符合规范要求,端头死角区瓦斯体积分数分别降低34%和35%,回风侧人行处平均粉尘质量浓度分别降低40%和41%,司机处粉尘质量浓度分别降低38%和36%,研究可为风流调控提供参考。

综掘工作面风幕阻尘效果影响因素研究

目前综掘工作面粉尘污染的研究多集中于单一因素对综掘工作面风幕阻尘效果的影响,而未充分考虑各因素间的交互作用,使得压风分流技术的工程应用效果欠佳。为明确附壁风筒径向出风距离、径向出风比及轴向出风距离对风幕阻尘效果的影响,以潘三矿810西翼机巷综掘工作面为研究对象,运用Fluent软件对径向出风距离为10~25 m、径向出风比为0.6~0.9及轴向出风距离为6~12 m条件下的风流分布和粉尘扩散情况进行数值模拟。结果表明:(1)随着径向出风距离增大,径向涡流风幕在巷道内的转变更充分,综掘机司机前端的风流分布越均匀,更有利于形成风速方向均指向工作面的轴向阻尘风幕。当径向出风距离为10 m时,距工作面7 m断面内涡流特性明显,风速方向紊乱;当径向出风距离为25 m时,距工作面7 m断面内,风流分布趋于均匀,风速方向均指向工作面,形成了能够覆盖全断面的轴向阻尘风幕。(2)随着径向出风比增大,整流风筒轴向风流风量减小,轴向风流风速和射流强度降低,轴向风流对综掘工作面前端气流的扰动减弱;径向出风比越大,越有利于形成风流方向指向工作面且能覆盖全断面的轴向阻尘流场,即轴向阻尘风幕。(3)径向涡流风幕的阻尘能力随径向出风比的增大先增强后减弱,轴向阻尘风幕的阻尘能力随径向出风比的增大而不断增强。(4)在采取压风分流风幕阻尘技术后,当压风总量为300 m^(3)/min,吸风量为400 m^(3)/min,附壁风筒径向出风距离为20 m,径向出风比为0.9,整流风筒轴向出风距离为8~10 m时,能很好地将粉尘聚集在吸尘口附近,达到高效控尘除尘的目的。在810西翼机巷综掘工作面进行现场测试,测点风速和粉尘质量浓度实测值与模拟值基本一致,高浓度粉尘被有效阻控于工作面前端,隔尘效果较为明显,验证了数值模拟的有效性。

综掘工作面半封闭式区域联合控尘技术研究

为有效提高综掘工作面降尘效率,克服单一降尘方式的局限性,建立了综掘工作面仿真模型,结合现场实测结果验证了模拟结果的可靠性,对综掘巷道风流场和粉尘扩散运移规律进行了研究,得到了高浓度粉尘积聚特征及分布范围。研究结果表明:综掘工作面迎头处为主要产尘源,粉尘在向巷道出口扩散过程中浓度逐渐降低;尘粒运移迹线与风速矢量基本一致;受掘进机影响,粉尘流在机身上方形成涡流,大量堆积于司机位置;在掘进机后方形成较大范围的回流沉降区域,易引发二次扬尘,污染巷道回风区域。基于此,提出了区域划分原则,确定迎头、掘进机头、司机位置、皮带上方粉尘回流区及距迎头15 m以外范围为重点除尘区,开发了单区域针对性除尘和多区域联合除尘相结合的半封闭式区域联合控尘技术,设计了由环状喷雾、气幕隔尘装置、除尘风机、散射型雾幕及全断面喷雾构成的综合控尘成套设备。玉华煤矿柴家沟井42221工作面现场应用结果表明,巷道平均降尘率达88%,司机位置全尘、呼尘降尘率均达到86%。

综掘工作面气室降尘技术研究

针对掘进巷道中的粉尘控制问题,传统的长压短抽通风降尘技术存在粉尘扩散区域大、风幕降尘技术存在射流孔易堵塞等弊端。以巴拉素煤矿综掘工作面为工程研究背景,建立了掘进作业过程中的粉尘运动数学模型,得出降低综掘工作面粉尘浓度的关键因素是控制掘进巷道风流场扰动范围及减小粉尘颗粒运动时间。以上述关键因素为依据,在风幕降尘的基础上开发了气室降尘技术,通过在正压风筒末端加装风袖,与风幕共同作用将粉尘封闭在气室区域内,再由负压风机抽出,以提高降尘效率。采用Fluent软件对长压短抽通风降尘、风幕降尘和气室降尘进行模拟对比分析,并优化了气室降尘技术参数。模拟结果表明:采用气室降尘技术时,综掘工作面人体呼吸带位置的粉尘浓度为350 mg/m^(3),较采用长压短抽通风降尘时的600 mg/m^(3)和风幕降尘时的480 mg/m^(3)大幅降低;气室降尘最优技术参数为正压风筒出风口距综掘工作面14 m、负压风筒末端直径0.6 m。在巴拉素煤矿2号煤2号回风大巷综掘工作面进行现场试验,结果表明采用气室降尘时,掘进巷道最低粉尘浓度为118 mg/m^(3),低于采用长压短抽通风降尘时的184 mg/m^(3)和风幕降尘时的156 mg/m^(3),且降尘效率较长压短抽通风降尘平均提高54.8%。

综掘工作面掘进机导航系统优化

针对综掘工作面掘进机导航系统存在的累计误差大、定位精度低的问题,对其导航系统设计方案进行优化。在分析综掘工作面掘进机惯性导航工作原理的基础上,重点介绍了以STM32控制器为核心的导航系统软硬件设计方案以及晃动对准、零偏估计方案优化,最后完成试验验证与分析。试验分析结果表明,优化后的综掘工作面掘进机导航系统可将对准方位角误差控制在0.15°以内,零偏估计误差控制在15%以内,满足了掘进机导航精度的要求。

建新煤矿综掘工作面多级除尘技术设计及应用研究

为解决建新煤矿综掘工作面粉尘量过大的问题,通过理论分析、工程类比、工业实践等方法进行多级除尘系统研究,设计引入抽、压组合式通风除尘技术,设计4209运输巷掘进工作面具体通风参数,并对综掘机内、外喷雾,湿式全断面捕尘帘,转载点喷雾等降尘措施进行设计。多级除尘系统在4209综掘面进行工业应用后,总体除尘效率在85%以上,综掘机司机处、捕尘帘后方降尘效率更是达到了95%以上,应用效果良好。

综掘工作面粉尘运移规律及综合降尘技术研究

为解决唐安煤矿掘进工作面粉尘污染严重的问题,以3306轨道巷掘进为工程背景,采用数值模拟、现场实测等方法,进行分段注水+高压喷雾粉尘综合防治技术研究,研究表明:质量浓度0.6%的湿润剂溶液对粉尘具有较好湿润效果,综合降尘技术实施后,距工作面15 m回风侧粉尘浓度降幅达到90%,取得理想除尘效果。3306轨道巷掘进工作面粉尘综合防治技术为矿井综掘面后续防尘方案的设计及实施提供可靠参考。

综掘工作面呼吸性粉尘浓度时空场函数研究

综掘工作面呼吸性粉尘浓度时空场函数研究是粉尘防治和尘肺预警的基础。分析了综掘工作面呼吸性粉尘浓度监测关键点,提出呼吸性粉尘浓度传感器测点布置方案;以关键监测点的呼吸性粉尘浓度传感器实测数据作为实时来源,对比剖析了距离加权反比法和克里金法的优缺点,建立了一种扩展的空间插值算法;归纳半变异理论,将呼吸性粉尘浓度变化的时间维度和空间维度引入到半变异函数中,得到一种呼吸性粉尘时空场算法,建立综掘工作面呼吸性粉尘浓度时空场函数模型;最后,以河南新桥煤矿2502工作面作为对象,以滤膜称重法为标准,对时空场函数进行了试验验证。结果发现:在综掘工作面司机5~10 m、端头回风侧10~15 m区域内的呼吸性粉尘浓度较高且变化较剧烈,而在回风侧15 m后方呼吸性粉尘浓度开始逐步趋于平稳降低;综掘工作面呼吸性粉尘浓度时空场函数模型计算结果相对误差为±14.8%,比克里金法小±10.8%,比距离加权反比法小±22.4%。研究结果表明,综掘工作面呼吸性粉尘浓度时空场函数模型将时间维度和空间维度纳入了权重系数中,构建的时空场函数模型能更好地提高插值计算的精度,提升去特异值点的能力。

综掘工作面气幕控尘参数对粉尘污染的影响

气幕控尘效果受压抽风及径向分风多要素影响,而现有研究多局限于某单一要素对气幕控尘的影响规律。为掌握气幕控尘参数对综掘工作面粉尘污染的影响,对不同径向分风流量和负压控尘流量条件下的风流场演变和粉尘场扩散开展了数值模拟研究。结果表明:①径向分风流量主要影响轴向射流场的卷吸效应,负压控尘流量主要影响工作面的抽风负压作用,当径向分风流量与压风总流量比值≥0.8、压风总流量与负压控尘流量比值<1.0时,气幕运移至射流区域时转变为轴向运移,形成厚度≥1.4m的轴向控尘流场。②径向分风流量及负压控尘流量越大,巷道压抽风侧风流流量及风速分布越均匀,粉尘扩散距离越小,掘进机司机处粉尘质量浓度越低。在此基础上,确定了综掘工作面气幕控尘优化参数:径向分风流量为288m/min(径向分风流量与压风总流量比值为0.9),负压控尘流量为426m^(3)/min(压风总流量与负压控尘流量比值为0.75)。经现场实测,应用气幕控尘优化参数后,掘进机司机处降尘率达93.5%,人员作业环境得到明显改善。

综掘工作面通风除尘系统结构优化及参数智能调控

针对传统长压短抽式通风除尘系统易形成涡流和风流死角的问题,结合康达效应对长压短抽式通风除尘系统进行结构优化,将抽风管与压风管进行嵌套处理,使负压风筒中的风流在抽风筒管口产生康达效应,确保气流紧贴巷道壁面,减少了空气中粉尘的扩散,并显著降低了能耗。通过流场和离散相模型(DPM)仿真得到最佳压抽比为2∶3,在最佳压抽比下的仿真结果显示,与传统长压短抽式通风除尘系统相比,优化系统除尘后司机处及下风侧的粉尘浓度分别降低了5.56%和55.41%。确定通风除尘系统整体结构及压抽比后,通过参数调控可进一步提高除尘效率。选择风筒与产尘面的距离、风筒中轴线与地面的距离及抽压风筒之间的距离作为通风除尘系统的优化调控参数,通过卷积神经网络(CNN)对优化通风除尘系统的除尘参数进行智能调控,匹配出不同初始粉尘浓度下的最优参数,实现智能除尘。通过等比例缩小的通风除尘实验平台对45组参数调控方案进行实验,结果表明:对比BP神经网络,采用CNN模型进行粉尘浓度预测的准确性和稳定性更优;司机处和下风侧初始粉尘浓度为300~900 mg/m^(3)时,采用优化通风除尘系统后,平均粉尘浓度分别下降了51.49%~83.88%,验证了参数调控的有效性。

基于新型分风控尘方法的综掘工作面控尘机制研究

为改善综掘工作面粉尘污染严重的问题,针对陕西榆林大柳塔煤矿综掘工作面,提出一种安装有分风器的新型分风控尘方法,利用Fluent对使用新型分风控尘方法的粉尘扩散规律进行模拟,分析压风口距工作面不同距离及不同压抽比对粉尘扩散规律变化的影响。结果表明:当压风口距工作面10~20 m时,粉尘积聚、沉降在工作面区域巷道底部,司机处粉尘浓度较低,控尘效果较好;固定压风口距工作面的距离为10 m,压抽比为1.0时,高浓度粉尘积聚在工作面区域,司机处粉尘浓度控制在50 mg/m^(3)以下,控尘效果较好;通过现场实测,粉尘浓度与模拟结果的误差小于15.2%。

基于POD与机器学习的综掘工作面流场快速预测算法

针对综掘工作面降尘措施难以合理利用的问题,提出了一种基于本征正交分解(POD)与机器学习的综掘工作面流场快速预测算法。利用计算流体力学(CFD)技术对多种工况下的综掘工作面风流场和粉尘浓度场进行模拟,获得高维度流场数据;利用POD对高维度流场数据进行降维,提取能够反映流场主要特性的核心模态,得到流场工况的基函数模态与模态系数;通过机器学习方法预测不同工况下占总能量达到90%以上的模态系数,从而对未知工况的模态系数进行预测,利用预测的模态系数与基函数模态进行重构,得到未知工况的风流场数据或粉尘浓度场。研究结果表明:综掘工作面数值模拟模型的相对误差在3%以内,能够准确反映实际的风流和粉尘分布状况;风流场选择前5阶模态,粉尘浓度场选择前7阶模态,即可兼顾POD重构精度与效率;支持向量机(SVM)模型对模态系数的预测能力优于随机森林及神经网络模型,针对60种不同工况,基于POD和SVM预测的风流速度、粉尘浓度与数值模拟结果之间的相对误差分别为0.36 m/s,86.24 mg/m^(3),风流场及粉尘浓度场平均预测耗时为73 s,实现了对矿井综掘工作面风流场和粉尘浓度场的高精度快速预测。

岩巷综掘工作面湿式过滤除尘器关键部件研制

岩巷综掘工作面掘进期间粉尘浓度高、粉尘粒径小,常规湿式除尘器难以达到理想的抽尘净化效果,而在掘进过程中所产生的岩石粉尘亲水性强、易粘接,当粉尘凝结成团后依附在叶片或喷雾网时,造成的阻力过大极易导致除尘器电机过载甚至烧毁。针对岩巷综掘工作面除尘器粉尘治理效率低、电机容易过载等现象,开展矿用湿式过滤除尘器关键部件的研制,将除尘器单一喷雾模式改变为复合立体喷雾模式,并优化喷嘴以提高降尘效率;通过喷涂不粘层、调整风机叶片数量和安装角、设计封而不堵的喷雾立体网、改变喷雾流量等技术手段,避免岩粉粘结风机、堵塞喷雾网。通过在河南焦煤能源有限公司九里山煤矿16131中间底抽巷进行现场应用后,司机位置处总粉尘降尘效率达97.2%,呼吸性粉尘降尘效率达92.8%,明显改善了煤矿井下作业环境。

综掘工作面扰动拨流高效捕尘技术及配套装备研究

为了解决综掘工作面粉尘治理难题,消除粉尘爆炸的安全隐患,减少尘肺病的发生,对比了目前矿井已有的除尘系统,以香源煤业南集中轨道大巷为背景,对综掘工作面的粉尘运移规律及运移状态进行模拟分析,开发一套扰动拨流高效捕尘系统及装备,通过现场试验,除尘效率达到90%左右,在综掘工作面粉尘防治方面有着较好的效果。

综掘工作面磁化微泡沫降尘技术研究

砂墩子煤矿S4103综掘工作面粉尘灾害十分严重,其防尘方法比较单一,且效果较差。研发了一套由粉尘管控系统和磁化微泡沫抑尘系统融合的降尘技术,开展了现场降尘实验。使用磁化微泡沫降尘技术后,全尘降尘率达到64.1%~71.7%,呼吸性粉尘降尘率达到60.8%~75.2%。与原有喷雾降尘技术相比,磁化微泡沫降尘技术不仅降尘率更高,而且耗水量显著下降且不为工人增加额外的工作量,符合有关技术要求。本研究有利于绿色矿山的建设工作,进一步改善综掘工作面的作业环境,保障矿工的生命健康。

综掘工作面风水联动除尘系统设计与应用

为改善掘进巷道除尘设备的除尘功率和井下煤矿作业工作环境,设计了风水联动除尘系统。基于掘进工作面现场实际情况,使风水联动除尘系统适用于工作面,并对风水联动除尘系统和该系统中的风水联动除尘器、脱水节和吸尘罩这些关键部件和安装进行设计研究与应用。在实际操作中,当风速超过300 m^(3)/min时,净化空气的能力会达到极佳的水平,其中,全尘净化能力可以达到38.7%~55.4%,呼吸性粉尘净化能力可以达到31.2%~42.9%,从而达到高效的净化除尘效果。

综掘工作面风幕控尘系统及其抑尘性能研究

将综掘工作面粉尘浓度控制在合理的浓度以及一定的空间范围,事关井下煤矿工人的身体健康与生命安全。控制煤矿掘进工作面生产过程中粉尘的浓度与扩散,一直是煤矿粉尘研究的重要内容之一。为优化综掘面除尘效果,研究粉尘分布规律,以老石旦煤矿16403综掘工作面为研究对象,综合压入式通风及风幕控尘技术,建立综掘工作面风幕控尘系统。根据现场实际数据参数建立压入式通风综掘工作面几何模型,并使用Fluent数值模拟软件对风流场及粉尘场进行模拟,研究了采用风幕控尘措施前后综掘工作面粉尘分布规律。最后,对模拟结果与现场实测结果进行对比,误差控制在合理范围之内。研究结果表明,单一的压入式通风无法有效治理综掘工作面粉尘污染,通过引入风幕控尘系统可以取得较好的防治粉尘效果,综掘工作面巷道粉尘浓度与空间分布范围明显改善,掘进机司机处与巷道两侧人员活动密集位置粉尘浓度保持在合理区间范围。