基于CFD立式离心分选机的内部流场数值模拟分析

针对离心选矿机内部流场分布、颗粒无规则运动等问题,构建矿机内部三维流场域模型,并结合有限元理论借助CFD对分选腔内物料的分布规律进行数值模拟研究。结果表明:分选区间存在一种水力特征流态效应对细粒分选具有强化作用;通过模拟富集槽内轻重颗粒运动规律得出影响分选效率的主要因素集中体现在富集槽的截面形状不同,设计了一种双弧形壁面缩短了选矿恶化时间周期,为进一步优化立式离心分选机结构参数及查明流场特征及其规律提供相应的理论指导。     

变径水介质分选床工作原理及分选机理研究

变径水介质分选床是一种新型重力选矿设备,为研究其分选机理,采用ANSYS FLOTRAN软件模拟流场分布情况,得到流场分布规律;对废弃线路板颗粒在变径分选床中的运动进行理论推导,得到颗粒运动位移动力学方程;同时对床体上部气-水界面取样研究,得到结论:分选床顶部气-水界面即为颗粒成为溢流或底流的分界面,并得到相应的分离方程。     

来复条螺旋溜槽的研制及分选机理的探讨

来复条螺旋溜槽较之普通螺旋溜槽,用于分选细粒氧化铁矿石,其分选指标有明显提高。作者较详细地阐述了来复条螺旋溜槽的研制与应用实践,并对分选机理进行了探讨,对完善该设备结构提出了看法。     

高压水射流冲击压力分布规律的研究

为实现对喷嘴结构和参数的优化,设计更适用于煤层钻孔的高压水射流喷嘴,利用射流冲击压力分布测试装置,对高压水射流冲击压力在射流纵横断面的分布及变化规律进行了实验研究,并对射流冲击压力的分布进行了数值模拟。研究表明:在淹没条件下,随着径向距离的增加,射流冲击压力不断降低,射流颗粒具有的能量越来越小;随着轴向距离的增加,存在等速核区,超过等速核区,射流冲击压力明显降低。     

基于Euler-Lagrange方法的细粒煤脉动气流分选数值模拟

传统的欧拉模型和离散相模型难以准确模拟细粒煤气流分选过程,为此采用DDPM(Dense Discrete Phase Model)模型,引入相体积分数和软球碰撞模型,提出了一种基于离散相体积分数和颗粒间碰撞作用的新的细粒煤气流分选过程数值模拟方法。通过数值模拟与实验室连续分选实验,研究了分选机内流场分布和6~3 mm细粒煤脉动气流分选效果。结果表明:采用DDPM模型可有效模拟细粒煤气流分选过程中颗粒相对流场的扰动作用;分选柱内流场受被分选物料的影响,速度分布和压降值较加入颗粒前变化明显,且分选机处理量越高,压降变化越明显;实验条件范围内,DDPM模型模拟得到的各密度级重产物分配率均方根误差低于3%,且相同风量时,分选机处理量越大,分选密度越高。     

自由淹没气体旋转射流压力场实验和数值模拟

为研究自由淹没气体旋转射流压力场规律,对除尘、空调工程以及煤矿瓦斯驱散设计提供依据,用五孔探针和Fluent软件对自行设计的旋流器流场进行定量实验和模拟研究。实验测量4种不同旋流强度下的流场,计算得到不同截面上无因次压力分布。实验表明,旋流器出口附近,总压在垂直射流轴线的截面上呈“M”分布,依次发展成“马鞍”状和正态分布,直至衰减到大气压。静压呈“V”形分布,中心存在小于大气压的负压区,且旋流强度越大射流中心静压越低。数值模拟表明,在出口较近区域总压呈“n”形分布,随着轴向距离增大,总压衰减为正态分布,直至衰减到大气压。     

工作面采高对O形圈分布规律的影响研究

为合理布置瓦斯高位抽放巷而研究O形圈分布规律,以阳泉三矿K82O5工作面为工程背景,采用离散元数值模拟方法研究了工作面采高对O形圈变化形态的影响。模拟结果表明：在一定的覆岩关键层结构条件下,O形圈的宽度随煤层采高增加而增大;O形圈的高度受煤层采高的影响很小,采高在一定范围内变化时O形圈高度均止于覆岩主关键层下;采高增加时砌体梁结构中第1个回转岩块的回转角度增大,从而使砌体梁弯曲段长度增长,O形圈宽度增大。基于该研究结果,提出了不同煤层采高条件下走向高抽巷布置优化方案。     

压入式通风掘进工作面粉尘分布规律研究

针对压入式通风掘进工作面风流流场结构特点,把工作面粉尘分布划分为3个区：射流区、回流区及涡流区来进行研究,建立了3个区粉尘浓度计算模型,得出了压入式通风掘进工作面3区粉尘分布不均匀的规律：即回流区、涡流区粉尘浓度较高,分布较均匀;射流区粉尘浓度相对较低,且粉尘浓度沿射程不断变化,离风筒出风口越远,射流断面粉尘平均浓度越高;射流卷吸比对进工作面粉尘分布不均匀性影响较大,射流卷吸比越大,整个工作面粉尘分布越均匀,这些结论为进一步研究掘进工作面通风过程中粉尘的分布,正确评价掘进工作面作业环境和掘进通风效率,提供了新的理论依据。     

机掘工作面控除尘下流场特征与粉尘分布规律的数值模拟

分析了控除尘系统工作时,机掘工作面流场分布特征,并对附壁射流区和冲击区的流场进行了解析,得出附壁射流区最大射流速度沿X轴方向的变化式及冲击区射流冲击巷道迎头时产生的最大压强。通过GAMBIT建立了数值模拟物理模型,在FLUENT中分析得到:冲击射流改变了巷道粉尘浓度分布规律,形成了一个隔离区,且极点M处的隔尘率最高可达75%~80%;当控除尘系统同时开启时,模拟掘进机司机处的降尘效率可达90%~95%,现场实验值为97.84%,模拟结果与实验值相近,说明数值模拟方法具有一定的可靠性。     

大松动圈下锚固承载层支护效应的弹塑性解

对于大松动圈围岩巷道,锚杆和围岩共同作用在松动圈内部形成了“锚固承载层”。为研究大松动圈下“锚固承载层”对巷道围岩应力分布的影响,通过理论推导和实例分析,认为“锚固承载层”在极限平衡状态下对塑性区提供的支护强度[pid]由锚杆支护强度[pi]和锚固承载结构强度两部分组成,根据支护强度[pi]和锚固层厚度b的关系提出了“锚固界限厚度”概念。对于松动圈外的围岩,将巷道周边的应力分布进行了重新计算并与传统的Finner-Kastner解进行了比较。研究表明：承载结构在巷道稳定性控制中占据主导作用,支护强度和承载结构协调作用更有利于巷道维护,修正Finner-Kastner解可为深部巷道围岩支护机理研究以及巷道支护参数设计提供理论依据。     

超短半径水平孔钻具及导向器的应用研究

高压水射流径向水平孔钻进技术是水平孔施工技术之一,它是在垂直瓦斯抽放或煤层气勘探钻孔布置机械或水力扩孔装置,对准选定的煤层部位进行扩孔。扩孔后下入特制的转向工具在300 mm的曲率半径内实现由垂直转向水平。该技术可以使用同一垂直钻孔,在不同煤层内完成多个水平钻孔。这些径向水平钻孔的形成,沟通了新的瓦斯流动通道,从而大幅度提高瓦斯抽放效率。     

长安旬东煤矿顶板分散空腔离层判别及离层位置相似模拟分析

长安旬东煤矿采掘工作面频繁遭受空腔离层水患,尤其是顶板分散空腔离层水患严重干扰采掘工作面的正常生产,通过对长安旬东煤矿矿区水文地质进行研究,分析生产采区离层的裂隙发育条件,通过判别验证顶板“空腔型”离层并进行数值模拟分析,形成针对性的水害疏放治理的4点治理建议。通过对离层水的疏放治理,可以有效避免或减少离层水害,为井下安全作业提供水文地质保障。研究过程包括了分析顶底板围岩特征、判别离层层位、离层数值验证、进行煤矿顶板分散空腔离层位置相似模拟分析、形成疏放治理建议等内容。在对特征离层水层位判别、数值验证等方面进行有效尝试的同时,补充了“分散型”离层水治理理论,丰富了井下疏水工程设计,对研究井下探放水有一定的实际意义。     

多孔同段聚能爆破煤层增透数值模拟及应用

构建三维多孔同段(多个炮孔同时起爆)聚能爆破模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件再现聚能射流及爆炸应力波传播与叠加的过程,探讨应力波的传播规律;同时对多孔同段聚能爆破下不同间距炮孔间的煤体单元应力进行了分析。研究结果表明,炸药爆炸后形成聚能射流侵彻煤体,随后形成的爆炸应力波沿着各自的方向传播,之后相遇叠加,相邻炮孔间距越大,应力波叠加所需时间越长且叠加应力越小;比较不同间距相邻炮孔间煤体单元应力,发现裂隙首先在炮孔周围产生,随着爆轰气体的传播,裂缝将主要沿着炮孔连线扩展。只要相邻炮孔间距得当,相邻炮孔间煤体区域相当于受到2次爆破作用,使得煤体裂隙充分发育并相互贯通,提高瓦斯抽采率。同时在平顶山开展了煤层多孔聚能爆破现场实验,结果表明多孔聚能爆破能有效提高煤体致裂程度,同时确定了多孔聚能爆破最佳相邻炮孔间距。     

煤矿地下水双层监测技术与装置研究

为了解决我国东部矿区地面水文监测孔深度大、数量少、监测点密度相对不足的问题,研制了一种安装在孔内的分隔止水装置,提出了相应的成孔、洗井技术要求和安装操作流程,形成了一套适用于煤矿长期地下水监测的双层监测技术与装备,有效提高了地面监测孔利用效率,增大监测点密度。分隔止水装置加工简单,成孔要求低,安装操作简便,既能在新建地质勘探孔和水文地质勘探孔中安装,也能将煤矿原有混层监测孔改造为双层监测孔。现场工程监测结果表明：双层监测孔上下两个含水层监测水位相差较大,水位变化趋势完全不同,无上下串层现象,成功实现了一孔双层监测,具有较高的实用价值。     

底板型冲击危险巷道深孔断底爆破防冲原理及实践研究

通过采用弹性薄板小挠度理论对巷道底板受力分析,弄清冲击危险巷道底板冲击的主要影响因素,采用理论分析、数值计算相结合的方式研究断底爆破的防冲机理和优化方案,并对深孔断底爆破的防冲效果进行现场验证。研究发现,采动水平应力是造成巷道底鼓的主要原因,而底板的分层厚度、力学性质以及巷道两侧围岩的支护强度是巷道底鼓的主要影响因素。当底板岩层为致密厚质岩层时,当其断裂过程中所释放的弹性变性能会造成底板型冲击动力显现。深孔断底爆破其防冲实质为钻孔卸压法与振动爆破法防冲技术的有机结合。采用底板中部断底爆破与煤层断底爆破相结合的方式,不但可以释放底板内积聚的高应力,破坏其连续传递应力和积聚高能量的能力,也可使巷帮煤体的应力得到释放,卸压效果更为明显。     

高压水射流破岩能量耗散与释放机制

从应力-应变角度建立的高压水射流破岩准则,其精确度取决于对屈服应力的表述,由于表达式中不含材料参数,不能精确计算高压水射流破岩参数,而从能量角度建立的岩石强度理论具有更好的适用性和准确性。开展了基于能量耗散和释放机制的高压水射流破岩机理,理论研究了自由射流段速度分布特征,分别计算了等速核区和射流边界层扩展区动能,建立了不同靶距处射流动能计算模型。高压水射流冲击破岩能量表征为冲蚀坑的形成和岩体的体积破坏;射流能量耗散于剪切面的扩展和滑动,储存弹性势能的释放导致岩体的整体体积破坏。根据岩石的统一能量屈服准则,建立了高压水射流破岩能量准则。通过砂岩、灰岩和花岗岩的单轴压缩应力-应变曲线得出3种岩石的材料参数,计算每种岩石的剪切应变能和体积应变能,得出射流破岩临界速度。根据高压水射流冲击破岩实验结果修正了考虑喷嘴流量系数的高压水射流破岩能量准则,该准则能够较为精确的计算射流破岩速度。且岩体的破坏形态证明从能量角度研究破岩机理更为适合。     

带射流方腔内气固流动实验与模拟

使用PIV实验和数值计算研究了壁面射流下主流中的100μm颗粒运动分布。在气固两相主流中引入一股不含尘气流,能够影响颗粒在流道内的分布,形成沿流动方向和高度方向的不均匀分布。结果显示:射流速度越高,流场中心低浓度颗粒区域越大,射流孔后位置越远,流场中心低浓度颗粒区域越大,但壁面附近浓度增加。改善小颗粒的主动流动控制手段,为设计出高效的惯性粒子分离器提供依据。     

煤岩体水射流破碎机理

假设非均质岩体微元的弹性模量和抗压强度均服从Weibull分布,用愈渗理论推导了非均质岩体的水射流破坏准则和水射流破碎非均质岩体的门槛压力;数值模拟了水射流在非均质煤层中的连续钻孔过程;并进行了水射流的破煤实验.研究表明,在水射流作用下,煤岩体中强度较弱的一系列微元首先破坏,形成裂隙.进入裂隙空间的水射流对裂隙发生的水楔作用,使裂隙尖端产生拉应力集中,导致裂隙迅速发展和扩大,裂隙与裂隙连通后使得大块的煤岩体脱落,形成破碎坑.当水射流压力为60 MPa时,煤体破碎距离达到0.5 m以上.     

司马煤矿薄基岩区松散层特性与煤层安全开采

结合司马煤矿因松散层底板隔水黏土层存在大量"漏洞"的实际条件,运用数值模拟等方法定义并圈定了薄基岩区;通过钻孔岩性组合分析,岩土及渗透力学取样测定,岩相古地理研究等对松散层形成条件及垂向导水性能进行了研究.结果表明:司马矿松散层上部赋存主要含水层,而其中下部以黏土为主;第四系沉积中心为古河口,其沉积物厚度大、颗粒细、含导水性差,河道两侧沉积物颗粒变粗、厚度变薄、垂向渗透能力增强,根据基岩古地形即可划分出松散层垂向越流能力的强弱区;古河口沉积覆盖了薄基岩区的大部分,有利于水、沙控制;底部自承力强的硬黏土减小了支架的附加载荷,开采实践检验了研究结论的正确性.