梅山铁矿采场爆破粉尘运移规律数值模拟研究

为探究巷道型采场爆破粉尘排出采场的运移规律,以梅山铁矿-330m水平某巷道型采场为基础,采用数值模拟方法研究爆破粉尘在采场中的运移规律。研究结果表明:采场风速在竖直断面上的分布呈现"两侧高、中间低、进风大于出风,迎头附近几乎无风"的规律。爆破后600s内,粉尘浓度迅速下降。爆破粉尘在水平方向上的扩散明显受风流场影响,采场上部的粉尘扩散速度大于下部的粉尘,下部风流不畅,采场底部的粉尘浓度长时间高于上部粉尘浓度,有时会出现靠近迎头的一隅直至排尘结束仍存在小团粉尘无法排出的情况。由此提出联通巷风速为2m/s、3m/s时最有利于爆破粉尘的排出,增加附壁风筒可避免粉尘在迎头处沉积。     

基于FLUENT的“U形通风+高抽巷”瓦斯运移规律数值模拟

以质量守恒方程、连续性方程、动量守恒方程等为理论基础建立了数学模型,通过流场模拟软件FLUENT模拟了在U形通风系统和"U形通风+高抽巷"2种形式下S2107工作面的采动裂隙场瓦斯浓度分布,对比分析了这2种形式下瓦斯浓度分布和上隅角瓦斯浓度,并通过现场实测验证高抽巷抽采效果,为治理上隅角瓦斯和采空区的瓦斯抽采提供更科学的理论依据。     

深部大倾角综放面上覆煤岩裂隙场演化物理模拟

以具有"深部大倾角"特性的开滦赵各庄矿为研究对象,在现场调研和实测的基础上,通过物理模拟对上覆煤岩裂隙场规律进行研究。研究的思路和方法不同于以往随工作面推进方向进行的动态裂隙场规律研究,而是沿倾向方向对其研究,对以往裂隙场发展规律进行了验证和完善,并得出了在采动影响下深部大倾角裂隙场发展演化的一些特有的规律,为瓦斯抽放和煤矿安全生产提供一定的理论支持和指导。     

大采高综放开采端面煤岩体稳定性及其控制研究

针对我国煤矿典型大采高综放工作面的端面煤岩体稳定性问题,通过理论分析推采后工作面前方、上方及后方煤岩体的位移和破坏特性,并利用UDEC数值模拟软件模拟分析采场煤岩体在水平方向和铅垂方向的位移特性,进而通过对某矿8105大采高综放工作面的现场支架管理及现场实测统计,对其端面煤岩体的控制方法提出合理化建议,现场应加强支架科学管理,确保支架支护参数位于合理范围内。     

综放采场矿压与卸压瓦斯运移关系研究

针对综放采场开采过程中瓦斯频繁超限现象,对综放采场矿压与卸压瓦斯运移关系进行了分析研究,通过理论分析、现场实测和数值模拟相结合的方法得出综放采场矿压与卸压瓦斯运移关系。     

孤岛采空区瓦斯抽采效果数值模拟及实测研究

针对宜兴矿1202孤岛面在回采过程中上隅角、回风巷瓦斯浓度易超限问题,采用数值模拟、工程实测相结合的研究方法。在采空区三维物理模型中,首次加入2个邻近孤岛采空区,并对高低位裂隙孔联合抽采技术下瓦斯抽采效果进行了模拟;分析并比较瓦斯浓度的现场实测值与模拟结果:运输巷高位裂隙孔平均瓦斯抽采浓度为9.87%,数值模拟结果为10%左右;运输巷、材料巷低位裂隙孔平均瓦斯抽采浓度分别为3.01%和2.91%,模拟结果为3%~5%左右;上隅角、回风巷平均瓦斯浓度分别为0.28%和0.19%,数值模拟结果分别为0.32%和0.25%左右。数值模拟结果与工程实践实测数据较为吻合,说明通过模拟手段确定最佳抽采方案的科学性与合理性。     

大采高工作面矿压规律自动分析与仿真研究

为了高效、科学、经济地对采场顶板运动趋势以及变化情况进行有效分析,掌握其活动规律,借鉴工业生产中"计划-实施-检查-处置"(PDCA)的循环管控思想,研发了基于PDCA循环理念的大采高工作面矿压规律自动分析与仿真系统,系统可根据工作面实测矿压数据实现对采场上覆岩层力学参数的反演与修订。系统首先在工作面开采前依据模型中挠曲算法或步距算法判断传递岩梁支托层与随动层,并对相关采场覆岩运动参数进行理论预测;其次在开采中对液压支架阻力实测数据进行在线分析,提炼出顶板运动参数;最后通过反演修订采场顶板关键岩层的力学参数,使系统预测与现场实测分析结果误差逐步降低,并为采场其他相关参数的计算提供基础数据。系统在营盘壕煤矿2201工作面的应用结果表明:模型对工作面传递岩梁初次来压步距与周期来压步距等几个关键参数的计算精度得到了验证,系统仿真数据与现场实测数据的误差不断缩小,实现了对现场矿山压力显现规律进行定量分析。该研究思路对矿压显现观测理论计算与现场实测提供了融合途径。     

顶板来压规律对高位钻孔瓦斯抽采浓度的影响及抽采钻孔参数优化

通过现场实测、理论分析及Fluent数值模拟等方法,研究了新疆某矿12B801综放工作面支架工作阻力及高位钻孔瓦斯抽采浓度变化。结果表明:顶板来压呈现大、小周期变化规律,大周期平均来压步距约60.0m,小周期平均来压步距约15.5m,大、小周期来压直接影响着高位钻孔瓦斯抽采浓度;利用大、小周期来压规律,对原设计抽采钻孔参数进行了优化,Fluent模拟表明钻孔优化后可将工作面上隅角瓦斯浓度比原始钻孔降低45%以上。现场实测优化后钻孔瓦斯抽采浓度比原方案提高近1倍,工作面上隅角瓦斯最大浓度降低了60%,证明了抽采钻孔优化的合理性。     

采场巷道进路断面形状和尺寸参数数值模拟与优化

运用数值模拟、试验采场现场监测对小官庄铁矿上向进路充填采矿方法的断面形状和进路尺寸参数进行了研究。对矩形、半圆拱、三心拱、六边形等4种典型断面进行了应力应变模拟计算,从进路周围塑性区分布、主应力差分布以及位移变形分布3方面进行分析,结合试验采场位移监测数据,认为合理的断面为六边形;针对进路尺寸参数的高度、宽度、长度3个因素对采场的影响,通过最大主应力、最小主应力、竖直方向位移正交数据表的分析,得出最优的参数为进路宽度3.5 m、进路高度3.5 m、进路长度60 m,该参数在现场得到了成功的应用。研究成果对小官庄铁矿的充填采矿方法结构设计提供了理论指导,并对类似矿山具有借鉴意义。     

三软煤层采场围岩控制原则与实践

为解决三软煤层采场开采的顶板破碎、煤壁片帮、支架扎底等围岩控制难题,在对黑沟煤矿围岩物理力学试验与底板比压测试的基础上,采用理论分析、数值模拟、现场实测等研究方法,对该矿三软煤层采场围岩控制技术进行研究,提出了三软煤层采场围岩控制的三原则,即"顶板、煤壁、底板"综合控制原则,并对工作面支架进行了选型设计与设备配套的生产实践。现场实测结果表明,采场支架工作阻力不大,其中92号支架工作阻力超过3 000 k N比例最大,也仅为0.29%,且煤壁片帮深度范围有明显降低,支架无扎底现象,围岩控制效果较好。     

露天爆破炮烟和粉尘初期性状模拟及防治技术研究

爆破烟尘是露天开采难治理的重要污染源,受爆破飞石、冲击波等有害效应影响,炮烟和粉尘蘑菇尘云的初始浓度和性状难以进行源头直接测试,致使针对爆破炮烟和粉尘的治理技术欠缺、方案设计和关键技术参数确定无据可依。本文针对露天(矿)爆破蘑菇烟尘的瞬时生成、高速强扩散特性,建立露天台阶深孔爆破粉尘生成模型,用数值模拟技术研究爆破破岩和抛掷堆积过程中爆破烟尘生成、扩展的初期特性,对台阶爆破烟尘进行了高速DIC技术现场测试,将DIC试验获得的实际烟尘云扩散结果与数值模拟成果进行对比研究,发现烟尘数值模拟研究成果与现场实测结果高度吻合,确定了露天在爆破烟尘生成、扩散初期进行爆区源头环保治理的技术方案。研发了与露天台阶深孔爆破匹配的爆炸水雾场生成技术,为露天爆破炮烟和粉尘的源头治理提供了技术支撑。在白云铁矿露天深孔爆破炮烟和粉尘的爆炸水雾降尘试验中取得了粉尘浓度降低40%以上的显著降尘效果。     

基于Fluent的扁平硐室采场粉尘浓度分布及运移规律研究

基于气固两相流理论及扁平型硐室采场特点,建立粉尘运移模型,运用FLUENT软件中的k-ε双方程模型和离散相模型(DPM)对采场爆破后通风20min内粉尘浓度变化,以及在不同入口风速下粉尘的运动轨迹进行了数值模拟。结果显示粉尘浓度分布受风流流场影响显著,爆破0～50s时间内粉尘受回流作用聚集在硐室左侧隅角及边壁附近,50s之后粉尘开始由主风流带出硐室,60s后开始进入循环净排阶段,在0～70s内粉尘浓度下降最快,70s以后采场内的粉尘主要是呼吸性粉尘,沉降时间较长。对粉尘运移的数值模拟显示,不同入口风速对粉尘的运移影响明显。     

露天台阶爆破粉尘的爆炸水雾场拦截降尘技术研究

露天台阶爆破粉尘具有瞬时性、浓度高和扩散快等特点,危害采场作业人员身体健康,增加机械设备进风系统损耗,并污染周边大气环境。由于爆破飞石和冲击波等危害使人员、设备无法靠近爆区污染源,导致传统洒水降尘措施无法同步实施。采用数值模拟与现场试验相结合的方法研究爆炸水雾降尘,结合白云鄂博铁矿实际情况,建立了露天台阶爆破三维流场模型,分析了爆炸水雾场及爆破粉尘生成的技术特性。依据爆炸水雾场和爆破粉尘模拟结果,提出了爆炸水雾场拦截降尘的技术方案,确定了水袋在台阶坡面前16~21 m的合理布置范围,得到了爆破粉尘横向动态运移轨迹和时间之间的函数关系,确定了水袋合理激发延期时间,即Δt=t-1.21。利用SPSS软件对水雾定型试验结果进行了极差分析,确定了水袋规格和爆炸荷载优化组合。试验显示,爆炸水雾场生成空间尺度达18 m×8.7 m,水雾至最大空间尺度用时1.2 s。现场爆破降尘试验结果表明：在台阶坡面前18.5 m位置铺设水袋,设置其激发合理延时1 100 ms,测得距爆区50、100 m处粉尘浓度分别降低了43.6%、40.9%,实现了爆炸水雾场与爆破作业的同步实施,降尘效果显著。     

铁矿采场多组份水炮泥抑制爆破烟尘试验研究

金属矿山采场爆破烟尘产生量大，不仅严重危害井下工人的职业健康，而且经回风井排放到地面也会造成大气污染。基于此研制了新型多组份水炮泥配方，以梅山铁矿巷道型采场作为试验地点，利用在线监测的手段测定了采场爆破后4种水炮泥装填类型的粉尘变化情况以及炮烟中CO、NO的浓度变化规律，分析对比了不同装填类型的水炮泥对采场爆破烟尘的抑制效果。研究结果表明：采场爆破后CO和NO浓度变化均遵循“双峰曲线”的规律，基本具有普遍性；在抑制粉尘方面，多组份水炮泥的效果优于普通水炮泥，且其呼尘相对降尘率远大于全尘相对降尘率，即多组份水炮泥具有更为良好的呼尘抑制效果；在抑制有毒有害气体方面，与普通水炮泥相比，多组份水炮泥对CO的抑制效率提高了51.9%，但对NO的抑制效果没有明显提升，即多组份水炮泥中的添加剂对CO的抑制效果明显，而清水在NO的抑制过程中起到了关键作用。     

超长巷道炮掘时粉尘分布规律研究

为确定长距离爆破掘进工作面粉尘运移规律,以指导防尘系统设计,依托某矿1100掘进工作面,建立1∶1几何模型进行CFD模拟,测算空气流场和粉尘运动边界条件。根据湍流模型适用性和空气流场分布特征,优选RNG k-ε湍流模型模拟1100掘进工作面空气流场,算得空间内粉尘体积分数小于10 %,因此选用离散相模型模拟爆破空间粉尘非稳态运动。最终获得距掘进面60 m范围内粉尘扩散、粒径沉降和浓度时间变化规律：粉尘浓度沿垂向分布有明显分界,浓度随垂高在0.5~4 m递增而降低,粉尘浓度沿纵向先升高而后降低;粒径为10 μm以下粉尘均匀分布于空间,沉降量沿纵向呈“减少-增高-减少-增高”趋势,10~200 μm粉尘则呈“减少-增高-减少”趋势,15~200 μm粉尘几乎完全沉降;爆破后5 min内粉尘浓度急剧下降,5~50 min粉尘浓度下降缓慢,高浓度区长时间停留在距工作面40 m之内,不沿巷道运移;距工作面10~20 m形成的空气涡流区是影响粉尘扩散、沉降和浓度变化的重要因素。爆破期间在距工作面20,25 m处,分别采用AKFC-92A采样器和CCHZ-1000全自动粉尘测量仪监测粉尘浓度,实测值与模拟值基本相符,模拟结果可靠。     

某铅锌矿巷道型采场粉尘扩散特性研究

为了掌握局部通风的长抽长压式巷道型采场在凿岩作业时粉尘颗粒扩散特性研究,获取合理的通风除尘参数,以某铅锌矿巷道型采场为研究背景,依据相似理论基本原理,建立巷道型采场相似实验模型。对采场模型及现场进行风流特性试验,研究了不同工况点下采场风流变化特性;不同风速下采场模型粉尘浓度及分散度试验;分析不同工况点对粉尘浓度及分散度影响程度。结果表明：采场流场在不同风速下,当粉尘颗粒从模型工作面位置进入采场模型后,发现粉尘颗粒粒径大小位移距离会发生明显变化,当工况点风速为0.75 m/s时,工作面粉尘浓度最高为76.4 mg/m3,大部分粉尘颗粒粒径小于10 um,粉尘平均分散度为66.29%,粉尘粒径分散度主要集中在小于2 um,与现场实测结果吻合,说明此工况粉尘颗粒沉降效果最佳。     

非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切技术应用研究

采用钻爆法进行非煤矿山巷道掘进的过程中,往往会产生诸多安全隐患。随着机械装备的快速发展,非爆破机械采矿逐渐成为非煤矿山开采的主流研究方向。为解决某矿山下向进路充填采矿时,首采层采场回采难度大、回采周期长、支护难度高和作业安全性差等问题,提出非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切的技术思路。首先,通过数值模拟的方式进行机械钻进静态裂切孔网参数优化,确定裂切孔网方案,然后进行现场试验检验技术效果。结果表明,非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切技术应用良好,能够切实解决矿山面临的生产难题。     

露天矿掘沟爆破的爆炸水雾场降尘技术研究

由于露天矿掘沟爆破的孔网参数小、炸药单耗高,与正常台阶爆破相比,露天掘沟爆破产生的粉尘浓度更高、扩散速度更快、污染危害更大。传统爆区地表洒水预浸润的方法仅能湿润浅表岩体,并且受爆破飞石、冲击波等有害效应影响,矿用水炮车等远程喷淋降尘方法无法与爆破产尘同步实施。此外,爆破粉尘扩散后的被动治理难度大、效果差。通过Fluent数值模拟研究露天矿掘沟爆破粉尘的生成及初期扩展特性,提出了在掘沟爆区四周布设爆炸水雾场实施就地降尘的技术方案。通过爆炸水袋及爆炸水雾场定型正交试验,确定了爆炸水袋构成及爆炸水雾场的空间尺度及滞空时间等重要降尘技术参数。在白云鄂博铁矿现场降尘试验中按照“四周拦截、同步生成、就地吸附”的原则布设了爆炸水雾场,现场高速摄影分析表明:爆炸水雾场在爆破蘑菇粉尘云形成初期高速生成,对爆破粉尘实施就地拦截和同步吸附,实现了源头降尘的环保目标。测试结果显示:爆破粉尘的质量浓度降低了40%,为低粉尘掘沟爆破和露天矿山绿色开采提供了一种新的环保型技术。     

露天煤矿穿孔环节粉尘运移规律模拟仿真研究

伴随环保意识在社会各行业的普及,露天矿山粉尘污染问题进入大众视野。 穿孔环节作为露天矿山生 产的首要环节,粉尘污染问题较严重。 为了改善穿孔环节粉尘超标现状,以安家岭露天矿岩石穿孔作业环节为研究 背景,利用计算流体力学仿真模拟 Fluent 软件,依据气-固两相流理论,运用欧拉-拉格朗日研究方法和 DPM 模型对 牙轮钻机粉尘运移规律进行模拟;现场实验时,在钻机下风向呼吸带平面高度设置粉尘浓度监测点,与仿真结果对 比。 结果表明:牙轮钻机开始作业后,沿采场下风向距离和高度增加设置的各监测面粉尘质量浓度随时间首先快速 升到一个最大值,之后稳定在一定浓度区间内上下浮动;粉尘质量浓度沿下风向随距离增加呈现先急剧上升到最大 值,接着快速下降,最后缓慢下降的规律。 最后,依据本研究结果提出减小穿孔环节粉尘扩散范围的建议。     

深孔台阶爆破近区振动强度分布的模拟研究

为了探索深孔台阶爆破近区振动强度的分布规律,基于现场单孔爆破试验,在爆区后方构建5排×17列的测点方阵模型,在考虑震波频率随传播距离衰减的基础上,利用Anderson线性叠加模型来模拟单排炮孔在不同爆破条件下振动“场”的变化情况。结果表明:随炮孔数目的增多,振速等值线外移,等值线中心逐渐与炮孔连线平行,平行炮孔连线方向上振速的增加幅度逐渐减小,垂直炮孔连线方向上振速沿传播距离的衰减速度逐渐增大;随炮孔距离的增加,炮孔连线方向上地震波能量流动比例增加,流动方向从近似沿小球面逐渐变为大球面扩散,振速等值线变得粗糙,平行炮孔连线方向上爆破近区中心一定范围内测点的振速减小,两边振速增大,垂直炮孔连线方向上近区测线振速沿传播距离的衰减速度加快,远区则减慢并最终趋于一致;随炮孔装药量的增加,炮孔连线上能量密度增加,振速等值线的强度增大,平行炮孔连线方向上爆破近区中心测点振速的增长幅度明显大于两边,垂直炮孔连线方向上振速沿传播距离的衰减速度逐渐增大。