礦塵是煤礦生產中最嚴重的危害之一,每年因吸入礦塵感染塵肺病的新增患者約有一萬五千名。掘進機的大規(guī)模推行使掘進作業(yè)機械化水平及效率顯著提高,但綜掘面粉塵濃度急劇上升。為治理綜掘工作面高濃度粉塵,近年來國內外研發(fā)了與掘進機相配套的噴霧、泡沫、除塵風機、阻塵風幕等粉塵防治技術。但研究者大多注重降塵裝備自身技術參數的提升,對掘進機割煤產塵基礎性研究十分薄弱,產塵規(guī)律及特性認識不清,不同掘進面粉塵濃度可能相差數倍。由于未考慮產塵的差異性,防塵措施的制定與實施缺少科學依據,降塵介質與產塵強度不匹配以致效果不佳或用量冗余,造成技術經濟的不合理。為解決上述問題,論文采用理論分析、實驗室實驗、數值模擬相結合的綜合研究方法,較為系統(tǒng)地研究了鎬型截齒破煤產塵特性及應用這個課題。取得的主要成果和結論如下:分析了掘進機旋轉截割非連續(xù)受力過程,將單截齒受力波谷-波峰作為一個簡化截割單元,設計了以鎬型截齒作為破煤工具的產塵實驗系統(tǒng):包含壓力加載模塊、裂紋觀察模塊以及粉塵收集模塊,采用密閉罩和集塵罩避免外界空氣擾動產塵過程,防止粉塵向外迸出。將鎬型截齒破煤產塵過程與能量轉化過程相聯(lián)系,闡釋了截齒侵入輸入能量-彈性形變區(qū)形成存儲能量-壓碎區(qū)及粉化核形成耗散能量-新自由面形成及粉化核應力解除釋放能量的能量轉化過程。進一步推導了空腔擴展模型,給出了塑性區(qū)半徑及截割力計算公式。研究了煤理化性質與產塵特性的關系。實驗室實驗研究表明:水分的存在能夠抑制粉塵產生,減小呼吸性粉塵及PM2.5累計占比,固定碳則同細微顆粒累積比例及產生率呈顯著正相關,揮發(fā)分和灰分的影響可以忽略。煤的孔裂隙率越高細微顆粒粉塵累積占比越少,但全塵產塵率越大;分形維數作為孔隙結構的宏觀度量,對產塵特性影響很小。脆性是反應煤體力學性質的綜合特性,脆性越高細微顆粒累計占比越大,但全塵產塵率越低。研究了截齒齒尖錐角對產塵特性的影響機制。實驗研究了不同齒尖錐角下產塵率、細微顆粒粉塵累積占比的差異性規(guī)律,采用離散元三維顆粒流軟件基于空腔擴展模型建立了平節(jié)理接觸鎬形截齒截割模型,模擬探索了齒尖錐角與裂紋發(fā)育及截齒受力做功的關系,從裂紋萌生及擴展的微觀層面闡釋了破碎產塵過程。研究表明:全塵、呼吸性粉塵及PM2.5產塵率均隨齒尖錐角的增大而增加,呼吸性粉塵及PM2.5累積占比與齒尖錐角亦呈正相關關系;拉裂紋占比遠超剪切裂紋,裂紋總數及裂紋發(fā)育初期形成的半球狀裂紋(粉化核區(qū)域)范圍隨齒尖錐角變大而增加,峰值截割力及截齒做功亦與齒尖錐角成正比,進一步證實了實驗室實驗中較大齒尖錐角加劇粉塵產生的結論。研究了侵入角度(截齒侵入方向與煤體接觸平面夾角)與產塵特性的關系。分析了旋轉截割過程單截齒受力特征,實驗研究了侵入角度對產塵率、細微顆粒粉塵累積占比的影響規(guī)律,采用有限元LS-DYNA軟件模擬研究了截割力、截齒做功及煤體能量變化規(guī)律。研究表明:侵入角度越大PM2.5和呼吸性粉塵累計占比越少,各粒徑范圍粉塵的產生率也隨侵入角度增加呈下降趨勢;峰值截割力、截齒做功及煤體內能峰值均隨侵入角度變小而增大,煤體破碎前積蓄的能量主要用于破碎煤體,證實了實驗室實驗中較大侵入角度可以抑制粉塵產生的結論。研究了截割速度對產塵特性的影響機制。實驗結果表明,截割速度對產塵率及細微顆粒累計占比影響很小。破碎產塵過程屬于煤體受力發(fā)生斷裂破壞的物理形態(tài)變化,截齒截割速度遠小于應力波傳播速度,無法對裂紋擴展產生影響。掘進機實際割煤過程中,截割頭轉速增加會提高二次破碎幾率并使更多個截齒參與到破煤產塵過程中,造成產塵量上升。設計了基于產塵特性的針對性減塵-降塵方案。通過降低截齒齒尖錐角減少粉塵產生,根據煤體性質預估產塵危害程度,設計了差異性降塵方案�，F(xiàn)場實踐證明:減小齒尖錐角后,大灣礦粉塵平均濃度降低了近20%;根據煤體性質對產塵率大小的預估與現(xiàn)場粉塵濃度大小趨勢相吻合,降低蔣莊礦降塵介質用量后降塵率變化很小,既實現(xiàn)了高效降塵又降低了實際運行成本,提高了作業(yè)效率;增加鄒莊礦用量后降塵效果顯著提升。本文研究成果為正確認識高強度機械截割條件下的粉塵產生特性提供了理論支撐,豐富了對粉塵產生規(guī)律的深層認識,所提出的基于產塵特性的減塵-降塵方案對掘進面精準降塵思路擴展具有重要指導意義。該論文有圖99幅,表56個,參考文獻237篇。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TD714.4;TD421.5
【文章目錄】：
致謝
摘要
abstract
變量注釋表
1 緒論
    1.1 研究背景與意義
    1.2 國內外研究現(xiàn)
    1.3 研究內容
    1.4 研究方法與技術路線
2 鎬形截齒截割產塵試驗系統(tǒng)及破碎區(qū)計算模型
    2.1 實驗設計
    2.2 鎬型截齒割煤破碎產塵過程
    2.3 塑性（破碎）區(qū)空腔擴展模型
    2.4 本章小結
3 粉塵產生特性與煤理化性質關系的實驗研究
    3.1 煤的工業(yè)分析組分與產塵特性的關系
    3.2 煤孔裂隙特征與產塵的關系
    3.3 脆性與產塵特性的關系
    3.4 本章小結
4 截齒尺寸及截割參數對產塵特性影響的實驗研究
    4.1 實驗方案
    4.2 齒尖錐角對產塵特性的影響
    4.3 侵入角度對產塵特性的影響
    4.4 截割速度對產塵特性的影響
    4.5 本章小結
5 掘進機截齒割煤的數值模擬研究
    5.1 齒尖錐角對裂紋擴展及截割力的影響
    5.2 侵入角度對截割力及煤體內能的影響
    5.3 本章小結
6 基于截割產塵特性的綜掘面粉塵防治方案設計與實施
    6.1 減塵方案設計與實施
    6.2 降塵方案設計與實施
    6.3 本章小結
7 全文總結
    7.1 主要結論
    7.2 創(chuàng)新點
    7.3 研究展望
參考文獻
作者簡歷
學位論文數據集

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本文編號：2875914