掘进机截齿割煤产尘机制及减尘应用研究

发布时间：2020-11-09 04:49

　　 矿尘是煤矿生产中最严重的危害之一,每年因吸入矿尘感染尘肺病的新增患者约有一万五千名。掘进机的大规模推行使掘进作业机械化水平及效率显著提高,但综掘面粉尘浓度急剧上升。为治理综掘工作面高浓度粉尘,近年来国内外研发了与掘进机相配套的喷雾、泡沫、除尘风机、阻尘风幕等粉尘防治技术。但研究者大多注重降尘装备自身技术参数的提升,对掘进机割煤产尘基础性研究十分薄弱,产尘规律及特性认识不清,不同掘进面粉尘浓度可能相差数倍。由于未考虑产尘的差异性,防尘措施的制定与实施缺少科学依据,降尘介质与产尘强度不匹配以致效果不佳或用量冗余,造成技术经济的不合理。为解决上述问题,论文采用理论分析、实验室实验、数值模拟相结合的综合研究方法,较为系统地研究了镐型截齿破煤产尘特性及应用这个课题。取得的主要成果和结论如下:分析了掘进机旋转截割非连续受力过程,将单截齿受力波谷-波峰作为一个简化截割单元,设计了以镐型截齿作为破煤工具的产尘实验系统:包含压力加载模块、裂纹观察模块以及粉尘收集模块,采用密闭罩和集尘罩避免外界空气扰动产尘过程,防止粉尘向外迸出。将镐型截齿破煤产尘过程与能量转化过程相联系,阐释了截齿侵入输入能量-弹性形变区形成存储能量-压碎区及粉化核形成耗散能量-新自由面形成及粉化核应力解除释放能量的能量转化过程。进一步推导了空腔扩展模型,给出了塑性区半径及截割力计算公式。研究了煤理化性质与产尘特性的关系。实验室实验研究表明:水分的存在能够抑制粉尘产生,减小呼吸性粉尘及PM2.5累计占比,固定碳则同细微颗粒累积比例及产生率呈显著正相关,挥发分和灰分的影响可以忽略。煤的孔裂隙率越高细微颗粒粉尘累积占比越少,但全尘产尘率越大;分形维数作为孔隙结构的宏观度量,对产尘特性影响很小。脆性是反应煤体力学性质的综合特性,脆性越高细微颗粒累计占比越大,但全尘产尘率越低。研究了截齿齿尖锥角对产尘特性的影响机制。实验研究了不同齿尖锥角下产尘率、细微颗粒粉尘累积占比的差异性规律,采用离散元三维颗粒流软件基于空腔扩展模型建立了平节理接触镐形截齿截割模型,模拟探索了齿尖锥角与裂纹发育及截齿受力做功的关系,从裂纹萌生及扩展的微观层面阐释了破碎产尘过程。研究表明:全尘、呼吸性粉尘及PM2.5产尘率均随齿尖锥角的增大而增加,呼吸性粉尘及PM2.5累积占比与齿尖锥角亦呈正相关关系;拉裂纹占比远超剪切裂纹,裂纹总数及裂纹发育初期形成的半球状裂纹(粉化核区域)范围随齿尖锥角变大而增加,峰值截割力及截齿做功亦与齿尖锥角成正比,进一步证实了实验室实验中较大齿尖锥角加剧粉尘产生的结论。研究了侵入角度(截齿侵入方向与煤体接触平面夹角)与产尘特性的关系。分析了旋转截割过程单截齿受力特征,实验研究了侵入角度对产尘率、细微颗粒粉尘累积占比的影响规律,采用有限元LS-DYNA软件模拟研究了截割力、截齿做功及煤体能量变化规律。研究表明:侵入角度越大PM2.5和呼吸性粉尘累计占比越少,各粒径范围粉尘的产生率也随侵入角度增加呈下降趋势;峰值截割力、截齿做功及煤体内能峰值均随侵入角度变小而增大,煤体破碎前积蓄的能量主要用于破碎煤体,证实了实验室实验中较大侵入角度可以抑制粉尘产生的结论。研究了截割速度对产尘特性的影响机制。实验结果表明,截割速度对产尘率及细微颗粒累计占比影响很小。破碎产尘过程属于煤体受力发生断裂破坏的物理形态变化,截齿截割速度远小于应力波传播速度,无法对裂纹扩展产生影响。掘进机实际割煤过程中,截割头转速增加会提高二次破碎几率并使更多个截齿参与到破煤产尘过程中,造成产尘量上升。设计了基于产尘特性的针对性减尘-降尘方案。通过降低截齿齿尖锥角减少粉尘产生,根据煤体性质预估产尘危害程度,设计了差异性降尘方案。现场实践证明:减小齿尖锥角后,大湾矿粉尘平均浓度降低了近20%;根据煤体性质对产尘率大小的预估与现场粉尘浓度大小趋势相吻合,降低蒋庄矿降尘介质用量后降尘率变化很小,既实现了高效降尘又降低了实际运行成本,提高了作业效率;增加邹庄矿用量后降尘效果显著提升。本文研究成果为正确认识高强度机械截割条件下的粉尘产生特性提供了理论支撑,丰富了对粉尘产生规律的深层认识,所提出的基于产尘特性的减尘-降尘方案对掘进面精准降尘思路扩展具有重要指导意义。该论文有图99幅,表56个,参考文献237篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TD714.4;TD421.5
【文章目录】：
致谢
摘要
abstract
变量注释表
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现
    1.3 研究内容
    1.4 研究方法与技术路线
2 镐形截齿截割产尘试验系统及破碎区计算模型
    2.1 实验设计
    2.2 镐型截齿割煤破碎产尘过程
    2.3 塑性（破碎）区空腔扩展模型
    2.4 本章小结
3 粉尘产生特性与煤理化性质关系的实验研究
    3.1 煤的工业分析组分与产尘特性的关系
    3.2 煤孔裂隙特征与产尘的关系
    3.3 脆性与产尘特性的关系
    3.4 本章小结
4 截齿尺寸及截割参数对产尘特性影响的实验研究
    4.1 实验方案
    4.2 齿尖锥角对产尘特性的影响
    4.3 侵入角度对产尘特性的影响
    4.4 截割速度对产尘特性的影响
    4.5 本章小结
5 掘进机截齿割煤的数值模拟研究
    5.1 齿尖锥角对裂纹扩展及截割力的影响
    5.2 侵入角度对截割力及煤体内能的影响
    5.3 本章小结
6 基于截割产尘特性的综掘面粉尘防治方案设计与实施
    6.1 减尘方案设计与实施
    6.2 降尘方案设计与实施
    6.3 本章小结
7 全文总结
    7.1 主要结论
    7.2 创新点
    7.3 研究展望
参考文献
作者简历
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本文编号：2875914