本文選題：粉塵 + 沉降　； 參考：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文

【摘要】：煤礦粉塵是煤礦在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各類固體細微顆粒的總稱。粉塵是煤礦五大災(zāi)害之一,不僅給井下安全生產(chǎn)帶來極大的威脅,而且嚴重地危害井下工人的身體健康。井下工人長期吸入礦塵,極易引發(fā)塵肺病,同時粉塵會降低工作場所的能見度,增加工傷事故的發(fā)生;礦塵自身在一定條件下會發(fā)生爆炸,也會參與瓦斯爆炸,危害嚴重;粉塵還會加速機械磨損,縮短儀器的使用壽命。隨著采煤工藝的機械化、集約化、高效化發(fā)展,粉塵防治成為煤礦安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。煤塵一般有浮游和沉積兩種狀態(tài),在一定條件下二種狀態(tài)會發(fā)生轉(zhuǎn)換。比如在自身重力作用下,一部分浮游粉塵會沉降變成沉積粉塵,而沉積粉塵也會在風速較大或沖擊波作用下飛揚起來,變成浮游狀態(tài)。礦井煤塵爆炸的上限濃度為1500~2000 g/m3,下限濃度為45 g/m3�？諝庵懈∮螒B(tài)粉塵太多,致使粉塵濃度達到爆炸限度范圍內(nèi),就會引起煤塵爆炸。礦井生產(chǎn)過程中產(chǎn)塵場所很多,基本所有作業(yè)都能產(chǎn)生粉塵,而采煤工作面又是煤礦井下產(chǎn)塵量最大的工作場所。在沒有采取有效措施的情況下,采煤工作面的粉塵濃度可達5000~10000mg/m3。由于風流是從進風巷經(jīng)過采煤工作面吹入回風巷,采煤工作面的粉塵必然會被風流大量帶入回風巷。如此高濃度的浮游粉塵在回風巷內(nèi)必然會逐漸沉降,這就成為煤塵爆炸的安全隱患。風速大小、粒徑分布、粉塵濃度均是影響粉塵沉降的因素,因此有必要全面系統(tǒng)地給出這些影響因素之間的關(guān)系。因此,研究采煤工作面回風巷內(nèi)粉塵的運移沉降規(guī)律和理論,對于研究除塵排塵風量計算、確定和布置采煤工作面測塵點、優(yōu)化測塵方法以及科學(xué)進行粉塵防治和預(yù)防粉塵爆炸均具有重要的參考價值。通過閱讀大量的國內(nèi)外參考文獻,發(fā)現(xiàn)雖然國內(nèi)外學(xué)者圍繞粉塵運移沉降問題做了大量的研究工作,取得了許多成果,但是往往針對采掘工作面研究較多,很少全面系統(tǒng)地對采煤工作面回風巷內(nèi)不同風速情況下不同粒徑粉塵在巷道沿程和高度方向濃度分布及粒徑分布規(guī)律進行研究。另外,學(xué)者們基于歐拉坐標系對巷道風流中粉塵運移沉降過程進行數(shù)學(xué)建模的時候,往往將實際問題簡化為一維或二維問題進行研究,與實際情況不符。數(shù)學(xué)模型也沒有通過實驗的驗證,便無法知曉所建模型正確與否,更無法正確揭示粉塵運移沉降特征。目前國內(nèi)外研究者們大多運用FLUENT商業(yè)軟件進行粉塵運移沉降的數(shù)值模擬,FLUENT軟件往往只能運用軟件自帶數(shù)學(xué)模型進行計算,但是軟件中自帶模型畢竟數(shù)量有限,不能涵蓋和適應(yīng)所有情況。所以有時選用的數(shù)學(xué)模型不能很好貼合現(xiàn)場實際情況,所得模擬結(jié)果就會有偏差。本文基于上述研究中存在的不足,展開了煤礦采煤工作面專用回風巷風流中粉塵運移沉降理論的研究。分析影響采煤工作面專用回風巷內(nèi)粉塵運移沉降的影響因素,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,建立巷道內(nèi)粉塵運移沉降的三維數(shù)學(xué)模型。對課題組前人提出的有限體積單元控制體圈化方案進行改進,提出一種新的四面體單元控制體圈化方案�；谛绿岢龅挠邢摅w積單元控制體圈化方案對數(shù)學(xué)模型進行離散,自行編制軟件對回風巷風流中粉塵運移沉降過程進行數(shù)值模擬�；谙嗨圃碓O(shè)計回風巷內(nèi)粉塵運移沉降相似模擬實驗,對不同風速情況下不同粒徑粉塵的濃度分布、混合粉塵落塵質(zhì)量分布和粒徑分布進行實測。最后對比實驗和模擬結(jié)果,驗證粉塵運移沉降理論的正確性。通過上述研究本文得到如下幾個結(jié)論:(1)建立了采煤工作面回風巷風流中粉塵運移沉降三維數(shù)學(xué)模型,揭示了回風巷風流中粉塵運移沉降的特征和規(guī)律在煤礦井巷內(nèi)任選分析控制體,分析風流對流、重力沉降和粉塵擴散對井巷粉塵運移沉降的影響,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,建立粉塵運移沉降的普適性理論數(shù)學(xué)模型。并根據(jù)采煤工作面回風巷內(nèi)實際情況進行分析,建立了回風巷內(nèi)粉塵運移沉降三維數(shù)學(xué)模型,揭示了回風巷風流中粉塵的運移沉降特征和規(guī)律。(2)基于新提出的四面體單元控制體圈化方案對數(shù)學(xué)模型進行離散求解確定解算區(qū)域,利用四面體對解算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分,并對前人提出的邊界過四面體重心且與底邊平行的四面體單元控制體的圈化方案進行改進,提出了新的四面體單元控制體圈化方案。即隨意選擇四面體單元的一個頂點,將四面體的重心、過此頂點三個面的重心和三條邊的中點連接起來,形成一個邊界類似于鉆石的凹凸面的四面體單元控制體。基于新提出的四面體單元控制體圈化方案對回風巷風流中粉塵運移沉降三維數(shù)學(xué)模型進行離散化處理,最終得到待求變量的節(jié)點方程組,為計算機程序編制奠定基礎(chǔ)。(3)程序設(shè)計及軟件編制在以上內(nèi)容研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計解算程序的結(jié)構(gòu)流程圖,運用Visual Basic 6.0自主開發(fā)了采煤工作面“回風巷風流中粉塵運移沉降模擬軟件”。(4)運用開發(fā)軟件對數(shù)學(xué)模型進行數(shù)值解算運用自行編制的模擬軟件對回風巷風流中粉塵運移沉降數(shù)學(xué)模型進行數(shù)值解算,得到不同風速情況下,不同粒徑粉塵在巷道沿程不同斷面不同高度處的粉塵濃度。運用后處理軟件對解算結(jié)果進行圖形化顯示,得到了符合現(xiàn)場實際的粉塵濃度分布云圖。(5)設(shè)計了粉塵運移沉降的實驗室相似模擬實驗基于相似理論,確定了回風巷內(nèi)粉塵運移沉降的相似模擬實驗內(nèi)容及具體實施步驟。在實驗室內(nèi)進行實測,得到不同風速情況下,不同粒徑粉塵在巷道沿程不同斷面不同高度處的粉塵濃度、混合粉塵落塵質(zhì)量及落塵粒徑分布。(6)對比分析實驗和數(shù)值模擬結(jié)果,驗證了粉塵運移沉降理論的正確性分析了實驗和數(shù)值模擬情況下回風巷內(nèi)同種風速下不同粒徑粉塵的濃度分布、不同風速下同一粒徑粉塵的濃度分布、同一風速同一粒徑粉塵高度方向的濃度分布。結(jié)果表明實驗和數(shù)值模擬所得結(jié)論一致:即粉塵濃度在巷道沿程方向總是變得越來越小,高度方向由頂板至底板逐漸增大,但增幅越來越小,底板粉塵濃度總是大于頂板粉塵濃度。相同風速情況下,巷道內(nèi)同一高度上,粉塵粒徑越大,粉塵濃度越低。在巷道內(nèi)同一斷面同一高度處,風速越大,粉塵濃度越小。實驗室對不同風速下各點混合粉塵落塵質(zhì)量及粒徑分布的測試和分析也得到了相同的結(jié)論。上述所得結(jié)果最終驗證了粉塵運移沉降理論的正確性和合理性。本文的創(chuàng)新性主要有以下四點:(1)分析了采煤工作面回風巷內(nèi)粉塵運移沉降的主要影響因素,建立了融合擴散、流動、重力沉降的粉塵運移沉降的三維數(shù)學(xué)模型,并進行數(shù)值解算和模擬研究,最后通過實驗室實驗進行了驗證,最終揭示了回風巷風流中粉塵的運移沉降特征和規(guī)律。(2)由于選取的控制體積分方案不同,得到的有限體積離散方程的各項系數(shù)便不同,而這些系數(shù)又直接決定計算的精度。本文對課題組提出的有限體積算法中四面體單元控制體的圈化方案進行改進,提出了新的四面體單元控制體圈化方案,推導(dǎo)得到了粉塵運移的四面體有限體積算法理論公式。(3)基于新的有限體積控制體圈化方案,運用Visual Basic 6.0自主開發(fā)了采煤工作面“回風巷風流中粉塵運移沉降模擬軟件”,并用其對回風巷內(nèi)粉塵的運移沉降過程進行了數(shù)值模擬研究。(4)對粉塵運移模型分析得到了相似原理,并據(jù)此建立了相似模擬實驗臺,對采煤工作面回風巷內(nèi)粉塵運移沉降過程進行了實驗室相似模擬實驗。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD714

【參考文獻】

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本文編號：1753495