矿山安全仿真模拟平台建设关键技术

目前,仿真技术在矿山安全领域以安全教育培训等为主,主要侧重于解决某一局部问题的安全仿真理论与技术研究,各仿真系统重复建模,互操作性、重用性差,因此,不能适应我国矿山的复杂变化,缺少灵活性,适应性差.矿山安全仿真模拟平台的开发理论与试验研究目前在国内处于起步阶段.根据<国家安全生产科技发展规划>,针对我国矿山安全生产现状,从数字矿山的思路,设计了一套采用可视化、网络化、集成化技术研究开发矿山安全仿真模拟平台的技术方案,分析了相关的技术难题和关键技术.     

浅谈受限空间作业的安全管理

根据受限空间作业的危害及其概念,分析了受限空间作业的危害因素,主要包括人员(作业)、环境、设备(设施)、管理4类危险因素,并结合国家安全监管部门对受限空间作业的管理要求,提出了安全管理的措施,以防止受限空间的危害。     

空气助推运载器在矿井受限空间飞行过程仿真研究

介绍了空气助推运载器在矿井受限空间飞行的原理,建立了运载器飞行过程和绳子牵引力的数学模型,进行了运载器飞行过程的数值仿真及发射过程的联合仿真计算,设计出运载器发射装置及试验系统,发射试验验证了运载器仿真研究的正确性与可信性,得出空气助推运载器的矿井受限空间飞行的可行性。     

受限空间内CO影响瓦斯爆炸的数值模拟

为探求受限空间中CO对瓦斯爆炸的影响,建立了受限空间中瓦斯爆炸反应的计算模型,其化学反应采用了详细反应机理(包括53种组分、325个反应)。结果表明:向瓦斯空气混合气体中充入CO,CO作为瓦斯爆炸的中间产物参与CH4的氧化链式反应,一方面瓦斯爆炸的时间延迟,另一方面爆炸后混合气体中CO2体积升高,CO、NO、NO2体积下降。随着瓦斯混合气体中CO体积分数的升高,瓦斯爆炸产生的温度和压力先升高后降低。     

受限空间作业事故的影响因素和原因分析

受限空间作业安全风险高,盲目的事故救援往往导致伤亡扩大。对2012年以来国内60起受限空间作业较大事故进行统计分析,结果表明:中毒或窒息事故占绝对多数,特别是救援死亡人数几乎全部集中在中毒或窒息事故中; 每年的3—8月是受限空间事故的高发期; 地下受限空间是事故的高发和高危区域; 硫化氢、一氧化碳和氮气等介质的危险性相对较高。事故的直接原因是物的不安全状态和人的不安全行为,间接原因是安全管理的漏洞和缺陷。对于受限空间作业危险性较大的事故类型、发生时间、区域及介质,应重点管理,并针对性地制订风险控制措施。     

受限空间煤尘爆炸传播的试验研究

用自行设计的煤尘爆炸腔体与方形断面为80 mm×80 mm的管道连接进行煤尘爆炸传播试验研究,主要研究了煤尘爆炸的特性参数冲击波、火焰和比冲量等在爆炸传播过程中随距离的变化特性。结果表明,受限空间煤尘爆炸火焰区传播距离远大于原始积聚区长度,爆炸存在明显感应期和冲击波回传现象,爆炸传播过程中各测点冲击波压力随传播距离先升后降,而比冲量随距离衰减较慢,作用时间较长。     

狭长受限空间火场传播速率的影响因素研究

基于对狭长受限空间火场的实验研究,并综合了煤矿井下巷道的特点,研究了影响狭长受限空间火场传播速率的多种因素。研究结果表明:空间内的障碍物会增加火场的传播速率;固体壁面会产生反射波,对火场的传播速率有抑制作用,甚至可能造成熄火;狭长空间的长度是能否形成爆轰(火场传播达到最大速率)的条件之一。     

基于FLACS的受限空间瓦斯爆炸数值模拟

为了对矿井瓦斯爆炸灾害进行有效防治、安全评估和事故调查,采用XKWB-1型近球型密闭式气体爆炸特性测试装置进行甲烷爆炸实验,并应用FLACS软件对该爆炸过程进行数值模拟,二者对比表明添加辐射模型的模拟与实验结果基本吻合,平均误差1.88%,说明辐射换热是瓦斯爆炸过程中除热传导和热对流外主要的热量传递方式。模拟结果表明,瓦斯爆炸燃烧波以近球面波的形式向四周传播,小空间内各点压力很快达到均匀,从容器壁面到点火源处温度梯度不断增大;当火焰面传至壁面附近时,未燃气体受壁面作用产生回流,上下、左右的回流气体相遇形成的涡旋使火焰加速,在可燃性气体燃烬时爆炸超压达到最大值。添加辐射换热模型的模拟结果误差基本满足工程需要,可应用于更复杂空间的瓦斯爆炸过程模拟。     

受限空间N_2对CH_4最大爆炸压力的影响实验与模拟研究

为了研究N_2对CH_4最大爆炸压力的影响,选取单组分N_2,根据CH_4燃烧化学动力学原理,利用20 L球形定容弹实验研究了N_2对一定浓度的CH_4最大爆炸压力的影响;应用CHEMKIN模拟软件,选取相同的工况条件,对混合气体爆炸进行了数值模拟,并将实验数据与数值模拟数据进行对比。研究结果表明:在邻近CH_4爆炸界限浓度时,随着CH_4浓度的升高,起爆时间也随之增加;在CH_4爆炸上限浓度附近,最大爆炸压力随CH_4浓度升高而降低,在CH_4爆炸下限浓度附近,最大爆炸压力随CH_4浓度升高而升高;最大爆炸压力实验数据与数值模拟数据的变化趋势相似,但数值上偏差较大,并对产生偏差的原因进行了分析。     

基于VR技术的虚拟矿井仿真平台建设

通过建立分布式高复杂度的C/S架构,编码CAD/GIS插件实现导出功能,并基于三维空间数据交互式可视化平台开发了3DGIS平台,进而结合VR技术实现了对虚拟矿井仿真平台的建设。结果显示:虚拟矿井仿真系统可将内部运行程序分级化,实现外部显示运算与内部逻辑运算分离,系统运行延时低且高效稳定;具有较强的空间数据纵向贯通能力,实现不同维度数据一体化;在对矿山对象进行动态可视化的展现方面有独特优势,在还原真实矿井各种物理、地理信息的基础上,可自主设定,选择模拟场景信息。     

井下受限空间尿素脱硝除尘参数优化试验研究

随着采矿作业的机械化、自动化水平不断提升,井下环境越来越复杂,为开展矿井空气净化研究,探究尿素脱硝除尘技术对井下多相污染物治理效率的影响,自主搭建了小型试验台模拟受限空间多相污染物扩散系统,采用响应面中心复合试验法建立二次回归方程分析试验因素之间的交互作用,确定了最佳参数。结果表明:尿素溶液质量分数对脱硝率影响程度最高,同时可以提高除尘率;供气压力影响喷嘴雾化效果,对污染物治理影响显著,供气压力过大会降低污染物的治理效率;尿素含量增加,溶液黏度增大,NO和NO₂的液相扩散系数和溶解度下降,脱硝效率受限,但对PM₁₀粉尘治理有一定的作用;两个因素的交互作用对污染物治理均有不同程度的影响,对脱硝率和PM₁₀除尘率的影响显著,对PM_2.5除尘效果贡献度较小;响应面分析确定的最佳配伍参数为尿素溶液质量分数6.471%、供气压力0.603MPa,根据试验操作得到的治理效率与预测值基本一致。该研究可为进一步净化受限空间多相污染物提供理论依据和数据支撑。     

受限空间煤尘爆炸残留气体特征分析

采用20 L球形爆炸装置进行煤尘爆炸实验,研究了不同条件下煤尘爆炸后气体体积分数变化及生成规律。结果表明:爆炸残留气体成分及体积分数与煤尘浓度、粒径、点火能量以及煤尘变质程度关系密切。随煤尘浓度升高,爆炸后残留气体体积分数φ(CH4),φ(CO),φ(H2)及φ(CO)/φ(CO2)呈上升趋势,φ(CO2)呈先上升后下降趋势。一定范围内随煤尘粒径减小,φ(CH4)增大,φ(CO)及φ(CO)/φ(CO2)呈减小趋势,当粒径小于25μm时,φ(CH4)急剧减小。随点火能量增大,φ(CH4)及φ(CO)增大,φ(CO)/φ(CO2)整体变化量不大,当点火能量大于10 k J时,φ(O2)明显减小。随煤尘变质程度增加,φ(CO)/φ(CO2)先增大后减小,φ(CH4)整体呈降低趋势,烟煤煤尘爆炸消耗的O2量较褐煤、无烟煤少。     

受限空间可燃性气体爆炸特性的对比

以可燃性气体CH₄为研究对象,在实验室对比研究了容器因素、初始湍流对CH₄爆炸极限的影响,气体浓度及湍流对CH₄爆炸特性的影响.实验结果表明：CH₄爆炸极限与诸多因素有关,随容器扩展性的增大,爆炸极限会增宽;初始湍流亦使CH₄爆炸极限增宽;CH₄爆炸的最佳浓度为11%,在此浓度下CH₄爆炸的最大爆炸压力、最大压力上升速率达最大值,到达最大爆炸压力的时间达最小值;在同一浓度下,CH₄预混湍流爆炸比静止无湍流爆炸时的最大爆炸压力、最大压力上升速率大,到达最大爆炸压力的时间短.     

掘进工作面受限空间风险管控对策探索

为了解决庞庞塔矿采掘工作面受限空间内存在的安全隐患问题,对矿井工作人员进行了大量走访和统计工作,依据德尔菲法建立了风险评价体系,通过对三个一级指标和七个二级指标的定量风险评价,建立了各风险等级接受标准,并制定了相应的管控对策,保证了掘进工作的安全进行,丰富了风险识别和评价体系.     

虚拟选矿厂仿真平台搭建

搭建用于虚拟选矿厂工艺过程的仿真平台,基于CHAI 3D类库建模,可进行图形反馈的虚拟选矿厂仿真。介绍平台总体结构、系统硬软件构成,阐述仿真环境的建立、平台搭建过程及搭建过程中应注意的问题。平台的运行表明该平台具有较好的交互性和扩展性,适合在选矿过程研究中推广使用。     

矿山安全三维仿真平台的设计与实现

针对目前矿山安全监测系统存在的结构分散、数据孤立、缺乏统一管理平台等问题,采用VRGIS技术设计了一种矿山安全三维仿真平台总体框架,分析了多源数据融合、三维仿真引擎和工况实时模拟3项关键技术方案,开发出面向矿山生产过程的综合三维监控与仿真平台。应用试验表明,该平台实现了对矿山生产环境、设备运行状态和生产作业过程的实时动态监管,同时可模拟矿山灾害演化过程,仿真灾害救援预案,实施矿山应急演练和安全教育培训,为矿山安全监管提供了有效的数字化平台。     

层站搭接平台运动学分析与仿真研究

针对目前工作人员进出轿厢时发生事故且矿用电梯乘坐的安全性、舒适性较低等问题,提出了一种适用于柔性导轨矿用电梯的层站搭接平台。简单介绍了层站搭接平台的结构组成及工作原理,并运用Pro/E软件对层站搭接平台进行了三维造型。利用ADAMS软件进行了稳定性的仿真分析,得到了关键点的速度与加速度曲线,并与理论计算的结果相比较。通过ADAMS软件对层站搭接平台工作过程中的主要受力部件托爪直线机构进行了静力学分析,得到了托爪直线机构的主要部位变形及应力分布规律,为层站搭接平台的优化设计及结构改进提供了理论参考。     

深井受限空间职业危害程度辨析方法

深井受限空间中职业危害影响因素源头多,数据离散,难以有效定量分析。分析了8个典型矿山中173个深部作业场所、硐室的职业危害因素相关数据,确定了影响职业危害程度的关键指标;根据单指标分类区间上、下限,构造了5个不同危害程度等级;基于模糊层次分析法(FAHP),确定了各关键指标的权重;基于逼近理想解排序法(TOPSIS),构建了危害度评价矩阵,计算出20个不同深井受限空间与正理想解的距离贴近度。计算结果表明:深部作业场所职业危害程度高于深部硐室,约27%的作业场所处于较高及以上危害程度等级,需要加强对作业人员的职业安全防护措施。该方法为矿山深井受限空间职业危害程度辨析、预警提供了一种新方法。