综放工作面多尘源多场耦合机理及仿真模拟和控制方法研究

Cutting coal, moving frame, caving coal and other sectors on full-mechanized caving face produces high concentration dust, which poses a serious threat on workers' health and safety production. This project commits to solve the technical problems of dust control on full-mechanized caving face by doing research on simulation and control method of multiple dust source and multi-field coupling mechanism. The dust production and distribution regulation and ascertain the relationship between dust volume and influencing elements is revealed through site survey, theoretical analysis, similar model test, simulation, and actual measurement using advanced equipment and technology. Based on diffusion , agglomeration and settlement movement regulation of multi-resource dust coupling, as well as triple-field coupling of air-flow, dust and mist, a three-dimensional mathematical model is established to show the mechanism and quantitative relationship between multiple dust source and multi-field coupling. Simulation software of multiple dust source and multi-field coupling model is developed to dynamically display the dust movement regulation in different place on full-mechanized caving face. Control method of multiple dust sources is proposed after determining the relationship between different means of dust control to complete the current theory and method of dust control in mines.

综放工作面割煤、移架、放煤等环节会产生高浓度粉尘，对作业人员的身体健康和安全生产造成严重威胁。本项目针对综放工作面粉尘难以控制的技术难题，以多尘源多场耦合机理及仿真模拟和控制方法为研究对象，结合现场实际条件，运用空气污染控制、多相流动和计算机软件编程等理论和方法，以现场调查、理论分析和推导、相似模型试验和仿真模拟等技术为主要手段，采用先进仪器、设备和测试方法，揭示综放工作面粉尘产生和分布特征，确定各尘源产尘量与影响因素之间的关系；建立综放工作面多尘源耦合中粉尘的扩散、凝聚和沉降运动及气体流场、粉尘场和雾滴场三场耦合的三维数学模型，揭示多尘源多场耦合的机理及其相互之间的量化关系；开发综放工作面多尘源多场耦合模型的仿真模拟软件，动态揭示综放工作面多尘源不同位置、多相多场耦合粉尘的运动规律；提出综放工作面多尘源粉尘控制措施，确定多尘源控制装置之间的联动关系；以完善现有的矿井粉尘控制理论和方法。

综放工作面割煤、移架、放煤等环节会产生高浓度粉尘，对作业人员的身体健康和安全生产造成严重威胁。本项目针对综放工作面粉尘难以控制的技术难题，以多尘源多场耦合机理及仿真模拟和控制方法为研究对象，主要结合大同煤矿集团同忻矿等综放工作面为研究背景，围绕综放工作面多尘源多场耦合机理和仿真模拟及控制方法开展研究，通过现场调查、理论分析、相似试验和仿真模拟等为主要手段，取得以下重要成果：.（1）综放工作面粉尘产生及分布特征的研究。根据相关作业场所粉尘浓度测定标准和要求，测定综放工作面的全尘浓度、呼吸性粉尘浓度和分散度，得出综放工作面顺风割煤、逆风割煤、移架、放煤和转载等尘源的粉尘分布特征；通过实验室相关数据测定，分析各尘源的产尘机理（主要包括割煤、移架、放煤等）及其影响因素（如煤体含水量、截割方式、放煤孔几何参数等），建立各尘源产尘量与影响因素之间的相互关系。.（2）综放工作面多尘源多场耦合机理的研究。根据气固液三相流动理论，结合综放工作面多尘源产尘的特点和喷雾降尘措施，建立综放工作面气体、单一尘源和多尘源相互耦合中粉尘的扩散和运动规律的三维数学模型，以及气体流场、粉尘场和雾滴场三场耦合的三维数学模型。运用相似理论，建立综放工作面的相似模型装置，研究不同产尘位置、产尘量和工作面风速下，粉尘的扩散、粉尘浓度和分散度分布及变化规律。揭示多尘源之间相互影响的机理及其影响因素之间的量化关系。.（3）综放工作面多尘源多场耦合模型的仿真模拟研究。根据实际作业环境条件，建立气液固三相环境模拟实验装置，研究喷雾参数（喷雾雾滴直径、压力和喷雾量）对气体流动参数、粉尘浓度和粒度的变化规律的影响，揭示气体流场、雾滴场和粉尘场三场耦合的机理及其相互之间的量化关系。编制计算机仿真软件，进行仿真数值模拟，得出综放工作面多尘源多场粉尘扩散和运动的变化规律，动态直观模拟综放工作面多尘源不同位置、多相多场粉尘扩散和运动的状态。.（4）综放工作面多尘源联合粉尘控制方法研究。根据实际条件，设计出新型汽水喷嘴的结构形式和在采煤机上安装帷幕状的汽水喷雾装置模块。该喷雾装置具有覆盖面积大，喷射角度合理，雾化效果好等特点，且水压不超3.0MPa、气压不超过0.8Mpa；另外，针对综放工作面放煤口设计出隔尘帘、泡沫除尘装置及喷洒工艺，针对人行道设计出水幕降尘帘，以及液压支架自动喷雾降尘技术，通过现场应用数据测定，取得良好效果。