礦塵是煤礦生產(chǎn)中最嚴(yán)重的危害之一,每年因吸入礦塵感染塵肺病的新增患者約有一萬(wàn)五千名。掘進(jìn)機(jī)的大規(guī)模推行使掘進(jìn)作業(yè)機(jī)械化水平及效率顯著提高,但綜掘面粉塵濃度急劇上升。為治理綜掘工作面高濃度粉塵,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研發(fā)了與掘進(jìn)機(jī)相配套的噴霧、泡沫、除塵風(fēng)機(jī)、阻塵風(fēng)幕等粉塵防治技術(shù)。但研究者大多注重降塵裝備自身技術(shù)參數(shù)的提升,對(duì)掘進(jìn)機(jī)割煤產(chǎn)塵基礎(chǔ)性研究十分薄弱,產(chǎn)塵規(guī)律及特性認(rèn)識(shí)不清,不同掘進(jìn)面粉塵濃度可能相差數(shù)倍。由于未考慮產(chǎn)塵的差異性,防塵措施的制定與實(shí)施缺少科學(xué)依據(jù),降塵介質(zhì)與產(chǎn)塵強(qiáng)度不匹配以致效果不佳或用量冗余,造成技術(shù)經(jīng)濟(jì)的不合理。為解決上述問(wèn)題,論文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合研究方法,較為系統(tǒng)地研究了鎬型截齒破煤產(chǎn)塵特性及應(yīng)用這個(gè)課題。取得的主要成果和結(jié)論如下:分析了掘進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)截割非連續(xù)受力過(guò)程,將單截齒受力波谷-波峰作為一個(gè)簡(jiǎn)化截割單元,設(shè)計(jì)了以鎬型截齒作為破煤工具的產(chǎn)塵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng):包含壓力加載模塊、裂紋觀察模塊以及粉塵收集模塊,采用密閉罩和集塵罩避免外界空氣擾動(dòng)產(chǎn)塵過(guò)程,防止粉塵向外迸出。將鎬型截齒破煤產(chǎn)塵過(guò)程與能量轉(zhuǎn)化過(guò)程相聯(lián)系,闡釋了截齒侵入輸入能量-彈性形變區(qū)形成存儲(chǔ)能量-壓碎區(qū)及粉化核形成耗散能量-新自由面形成及粉化核應(yīng)力解除釋放能量的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程。進(jìn)一步推導(dǎo)了空腔擴(kuò)展模型,給出了塑性區(qū)半徑及截割力計(jì)算公式。研究了煤理化性質(zhì)與產(chǎn)塵特性的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究表明:水分的存在能夠抑制粉塵產(chǎn)生,減小呼吸性粉塵及PM2.5累計(jì)占比,固定碳則同細(xì)微顆粒累積比例及產(chǎn)生率呈顯著正相關(guān),揮發(fā)分和灰分的影響可以忽略。煤的孔裂隙率越高細(xì)微顆粒粉塵累積占比越少,但全塵產(chǎn)塵率越大;分形維數(shù)作為孔隙結(jié)構(gòu)的宏觀度量,對(duì)產(chǎn)塵特性影響很小。脆性是反應(yīng)煤體力學(xué)性質(zhì)的綜合特性,脆性越高細(xì)微顆粒累計(jì)占比越大,但全塵產(chǎn)塵率越低。研究了截齒齒尖錐角對(duì)產(chǎn)塵特性的影響機(jī)制。實(shí)驗(yàn)研究了不同齒尖錐角下產(chǎn)塵率、細(xì)微顆粒粉塵累積占比的差異性規(guī)律,采用離散元三維顆粒流軟件基于空腔擴(kuò)展模型建立了平節(jié)理接觸鎬形截齒截割模型,模擬探索了齒尖錐角與裂紋發(fā)育及截齒受力做功的關(guān)系,從裂紋萌生及擴(kuò)展的微觀層面闡釋了破碎產(chǎn)塵過(guò)程。研究表明:全塵、呼吸性粉塵及PM2.5產(chǎn)塵率均隨齒尖錐角的增大而增加,呼吸性粉塵及PM2.5累積占比與齒尖錐角亦呈正相關(guān)關(guān)系;拉裂紋占比遠(yuǎn)超剪切裂紋,裂紋總數(shù)及裂紋發(fā)育初期形成的半球狀裂紋(粉化核區(qū)域)范圍隨齒尖錐角變大而增加,峰值截割力及截齒做功亦與齒尖錐角成正比,進(jìn)一步證實(shí)了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中較大齒尖錐角加劇粉塵產(chǎn)生的結(jié)論。研究了侵入角度(截齒侵入方向與煤體接觸平面夾角)與產(chǎn)塵特性的關(guān)系。分析了旋轉(zhuǎn)截割過(guò)程單截齒受力特征,實(shí)驗(yàn)研究了侵入角度對(duì)產(chǎn)塵率、細(xì)微顆粒粉塵累積占比的影響規(guī)律,采用有限元LS-DYNA軟件模擬研究了截割力、截齒做功及煤體能量變化規(guī)律。研究表明:侵入角度越大PM2.5和呼吸性粉塵累計(jì)占比越少,各粒徑范圍粉塵的產(chǎn)生率也隨侵入角度增加呈下降趨勢(shì);峰值截割力、截齒做功及煤體內(nèi)能峰值均隨侵入角度變小而增大,煤體破碎前積蓄的能量主要用于破碎煤體,證實(shí)了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中較大侵入角度可以抑制粉塵產(chǎn)生的結(jié)論。研究了截割速度對(duì)產(chǎn)塵特性的影響機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,截割速度對(duì)產(chǎn)塵率及細(xì)微顆粒累計(jì)占比影響很小。破碎產(chǎn)塵過(guò)程屬于煤體受力發(fā)生斷裂破壞的物理形態(tài)變化,截齒截割速度遠(yuǎn)小于應(yīng)力波傳播速度,無(wú)法對(duì)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生影響。掘進(jìn)機(jī)實(shí)際割煤過(guò)程中,截割頭轉(zhuǎn)速增加會(huì)提高二次破碎幾率并使更多個(gè)截齒參與到破煤產(chǎn)塵過(guò)程中,造成產(chǎn)塵量上升。設(shè)計(jì)了基于產(chǎn)塵特性的針對(duì)性減塵-降塵方案。通過(guò)降低截齒齒尖錐角減少粉塵產(chǎn)生,根據(jù)煤體性質(zhì)預(yù)估產(chǎn)塵危害程度,設(shè)計(jì)了差異性降塵方案�，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明:減小齒尖錐角后,大灣礦粉塵平均濃度降低了近20%;根據(jù)煤體性質(zhì)對(duì)產(chǎn)塵率大小的預(yù)估與現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度大小趨勢(shì)相吻合,降低蔣莊礦降塵介質(zhì)用量后降塵率變化很小,既實(shí)現(xiàn)了高效降塵又降低了實(shí)際運(yùn)行成本,提高了作業(yè)效率;增加鄒莊礦用量后降塵效果顯著提升。本文研究成果為正確認(rèn)識(shí)高強(qiáng)度機(jī)械截割條件下的粉塵產(chǎn)生特性提供了理論支撐,豐富了對(duì)粉塵產(chǎn)生規(guī)律的深層認(rèn)識(shí),所提出的基于產(chǎn)塵特性的減塵-降塵方案對(duì)掘進(jìn)面精準(zhǔn)降塵思路擴(kuò)展具有重要指導(dǎo)意義。該論文有圖99幅,表56個(gè),參考文獻(xiàn)237篇。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TD714.4;TD421.5
【文章目錄】：
致謝
摘要
abstract
變量注釋表
1 緒論
    1.1 研究背景與意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)
    1.3 研究?jī)?nèi)容
    1.4 研究方法與技術(shù)路線
2 鎬形截齒截割產(chǎn)塵試驗(yàn)系統(tǒng)及破碎區(qū)計(jì)算模型
    2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
    2.2 鎬型截齒割煤破碎產(chǎn)塵過(guò)程
    2.3 塑性（破碎）區(qū)空腔擴(kuò)展模型
    2.4 本章小結(jié)
3 粉塵產(chǎn)生特性與煤理化性質(zhì)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究
    3.1 煤的工業(yè)分析組分與產(chǎn)塵特性的關(guān)系
    3.2 煤孔裂隙特征與產(chǎn)塵的關(guān)系
    3.3 脆性與產(chǎn)塵特性的關(guān)系
    3.4 本章小結(jié)
4 截齒尺寸及截割參數(shù)對(duì)產(chǎn)塵特性影響的實(shí)驗(yàn)研究
    4.1 實(shí)驗(yàn)方案
    4.2 齒尖錐角對(duì)產(chǎn)塵特性的影響
    4.3 侵入角度對(duì)產(chǎn)塵特性的影響
    4.4 截割速度對(duì)產(chǎn)塵特性的影響
    4.5 本章小結(jié)
5 掘進(jìn)機(jī)截齒割煤的數(shù)值模擬研究
    5.1 齒尖錐角對(duì)裂紋擴(kuò)展及截割力的影響
    5.2 侵入角度對(duì)截割力及煤體內(nèi)能的影響
    5.3 本章小結(jié)
6 基于截割產(chǎn)塵特性的綜掘面粉塵防治方案設(shè)計(jì)與實(shí)施
    6.1 減塵方案設(shè)計(jì)與實(shí)施
    6.2 降塵方案設(shè)計(jì)與實(shí)施
    6.3 本章小結(jié)
7 全文總結(jié)
    7.1 主要結(jié)論
    7.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 研究展望
參考文獻(xiàn)
作者簡(jiǎn)歷
學(xué)位論文數(shù)據(jù)集

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本文編號(hào)：2875914