發(fā)布時間：2020-11-09 04:49

　　 礦塵是煤礦生產(chǎn)中最嚴重的危害之一,每年因吸入礦塵感染塵肺病的新增患者約有一萬五千名。掘進機的大規(guī)模推行使掘進作業(yè)機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,近年來國內(nèi)外研發(fā)了與掘進機相配套的噴霧、泡沫、除塵風(fēng)機、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,對掘進機割煤產(chǎn)塵基礎(chǔ)性研究十分薄弱,產(chǎn)塵規(guī)律及特性認識不清,不同掘進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施缺少科學(xué)依據(jù),降塵介質(zhì)與產(chǎn)塵強度不匹配以致效果不佳或用量冗余,造成技術(shù)經(jīng)濟的不合理。為解決上述問題,論文采用理論分析、實驗室實驗、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)用這個課題。取得的主要成果和結(jié)論如下:分析了掘進機旋轉(zhuǎn)截割非連續(xù)受力過程,將單截齒受力波谷-波峰作為一個簡化截割單元,設(shè)計了以鎬型截齒作為破煤工具的產(chǎn)塵實驗系統(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產(chǎn)塵過程,防止粉塵向外迸出。將鎬型截齒破煤產(chǎn)塵過程與能量轉(zhuǎn)化過程相聯(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)化過程。進一步推導(dǎo)了空腔擴展模型,給出了塑性區(qū)半徑及截割力計算公式。研究了煤理化性質(zhì)與產(chǎn)塵特性的關(guān)系。實驗室實驗研究表明:水分的存在能夠抑制粉塵產(chǎn)生,減小呼吸性粉塵及PM2.5累計占比,固定碳則同細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,脆性越高細微顆粒累計占比越大,但全塵產(chǎn)塵率越低。研究了截齒齒尖錐角對產(chǎn)塵特性的影響機制。實驗研究了不同齒尖錐角下產(chǎn)塵率、細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,從裂紋萌生及擴展的微觀層面闡釋了破碎產(chǎn)塵過程。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,進一步證實了實驗室實驗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)截割過程單截齒受力特征,實驗研究了侵入角度對產(chǎn)塵率、細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;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,證實了實驗室實驗中較大侵入角度可以抑制粉塵產(chǎn)生的結(jié)論。研究了截割速度對產(chǎn)塵特性的影響機制。實驗結(jié)果表明,截割速度對產(chǎn)塵率及細微顆粒累計占比影響很小。破碎產(chǎn)塵過程屬于煤體受力發(fā)生斷裂破壞的物理形態(tài)變化,截齒截割速度遠小于應(yīng)力波傳播速度,無法對裂紋擴展產(chǎn)生影響。掘進機實際割煤過程中,截割頭轉(zhuǎn)速增加會提高二次破碎幾率并使更多個截齒參與到破煤產(chǎn)塵過程中,造成產(chǎn)塵量上升。設(shè)計了基于產(chǎn)塵特性的針對性減塵-降塵方案。通過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)計了差異性降塵方案�，F(xiàn)場實踐證明: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)對產(chǎn)塵率大小的預(yù)估與現(xiàn)場粉塵濃度大小趨勢相吻合,降低蔣莊礦降塵介質(zhì)用量后降塵率變化很小,既實現(xiàn)了高效降塵又降低了實際運行成本,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識高強度機械截割條件下的粉塵產(chǎn)生特性提供了理論支撐,豐富了對粉塵產(chǎn)生規(guī)律的深層認識,所提出的基于產(chǎn)塵特性的減塵-降塵方案對掘進面精準降塵思路擴展具有重要指導(dǎo)意義。該論文有圖99幅,表56個,參考文獻237篇。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：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 國內(nèi)外研究現(xiàn)
    1.3 研究內(nèi)容
    1.4 研究方法與技術(shù)路線
2 鎬形截齒截割產(chǎn)塵試驗系統(tǒng)及破碎區(qū)計算模型
    2.1 實驗設(shè)計
    2.2 鎬型截齒割煤破碎產(chǎn)塵過程
    2.3 塑性（破碎）區(qū)空腔擴展模型
    2.4 本章小結(jié)
3 粉塵產(chǎn)生特性與煤理化性質(zhì)關(guān)系的實驗研究
    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)對產(chǎn)塵特性影響的實驗研究
    4.1 實驗方案
    4.2 齒尖錐角對產(chǎn)塵特性的影響
    4.3 侵入角度對產(chǎn)塵特性的影響
    4.4 截割速度對產(chǎn)塵特性的影響
    4.5 本章小結(jié)
5 掘進機截齒割煤的數(shù)值模擬研究
    5.1 齒尖錐角對裂紋擴展及截割力的影響
    5.2 侵入角度對截割力及煤體內(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)計與實施
    6.1 減塵方案設(shè)計與實施
    6.2 降塵方案設(shè)計與實施
    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
    7.3 研究展望
參考文獻
作者簡歷
學(xué)位論文數(shù)據(jù)集

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李世杰;;礦井掘進機截齒分布的優(yōu)化研究[J];山西冶金;2020年01期

2 張倩倩;韓振南;張夢奇;張建廣;;沖擊載荷作用下錐形截齒磨損的試驗和數(shù)值模擬研究[J];振動與沖擊;2016年13期

3 A.W.凱爾;陳錫強;;定期更換截齒減少粉塵生成量[J];世界煤炭技術(shù);1994年02期

4 I.伊萬斯,王守軍;鎬形截齒的基本結(jié)構(gòu)[J];煤炭技術(shù);1986年04期

5 李立;;層理和裂隙對鎬型截齒破煤的影響[J];煤炭工程;2020年03期

6 王春華;安達;李鴻鍵;;仿螻蛄前爪趾形新型仿生截齒的設(shè)計與研究[J];機械設(shè)計;2018年02期

7 于寧;;仿生截齒的磨損試驗與溫度分析[J];遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2017年09期

8 李曉豁,尹伯峰,李海濱;鎬型截齒的截割試驗研究[J];遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1999年06期

9 張建廣;馮家鵬;;采掘機械用截齒磨損的研究進展[J];煤礦機械;2017年02期

10 莫樹培;;懸臂式掘進機截齒截割模型構(gòu)建及受力分析[J];煤礦機械;2015年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前9條

1 周文東;掘進機截齒割煤產(chǎn)塵機制及減塵應(yīng)用研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2020年

2 劉曉輝;鎬型截齒與煤巖互作用力學(xué)與磨損特性研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2016年

3 宣宏斌;“兩硬”大采高綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[D];太原理工大學(xué);2017年

4 張倩倩;掘進機截齒截割硬巖的試驗與數(shù)值模擬研究[D];太原理工大學(xué);2016年

5 王春華;截齒截割作用下煤體變形破壞規(guī)律研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2005年

6 曹艷麗;連續(xù)采煤機動態(tài)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2012年

7 魏曉華;懸臂式掘進機截割過程動態(tài)特性分析與性能預(yù)測[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2013年

8 劉旭南;掘進機動態(tài)可靠性及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2014年

9 張丹;多齒復(fù)合截割滾筒隨機載荷重構(gòu)算法及牽引特性研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 宇祺;掘進機鎬形截齒磨損機理及其影響因素研究[D];太原理工大學(xué);2016年

2 姚寶恒;鎬形截齒破煤機理研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2001年

3 謝克淼;滾筒采煤機刀型截齒強度分析及改進[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2013年

4 解淇凱;礦用鎬形截齒的磨損失效分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D];安徽理工大學(xué);2014年

5 朱繼偉;分段復(fù)合鎬型截齒結(jié)構(gòu)改進及強度分析[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2013年

6 劉磊;采煤機滾筒鎬形截齒的仿真分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

7 張振華;深海鈷結(jié)殼采集頭截齒破碎性能及截齒布置優(yōu)化研究[D];中南大學(xué);2012年

8 陳永耀;鎬形截齒堆焊溫度場數(shù)值分析與實驗驗證[D];安徽理工大學(xué);2019年

9 王琛;仿蜣螂蟲凹坑形鎬形截齒結(jié)構(gòu)研究及力學(xué)分析[D];沈陽航空航天大學(xué);2019年

10 秦超;采煤機鎬型截齒力學(xué)有限元仿真及剩余壽命預(yù)測研究[D];山東科技大學(xué);2018年

本文編號：2875914