综掘机截齿截割破煤机理及产尘规律研究

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在煤炭行业中,尘肺病是一种多发性的职业病,具有“隐性”矿难和“隐形杀手”的说法,随着我国煤炭行业“安全、高效、绿色”发展理念的深入,国家对职业病防治重视度越来越高,虽然目前多数降尘技术降低了井下生产过程中的粉尘浓度,然而这些技术存在着一定的滞后性以及缺少相应考察标准,使得这些技术在实施过程中存在一定的盲目性,为解决这一工程瓶颈问题,须掌握煤层在开采过程中的破碎机理,明确影响产尘的主控因素,并掌握其产尘规律,从根源上实施有针对性的防尘技术手段。为此,本文针对目前截齿截割产尘机理不足的现状,在截割力学的研究基础上,建立截齿侵入煤体的损伤模型,分析影响煤体损伤的关键因素,开展不同截割因素条件下的截割实验,分析不同主控因素条件对截割产尘的影响规律,同时结合截割粉尘在巷道内扬尘特性,分析影响截割产尘的主控因素对巷道粉尘浓度的影响权重,为煤体截割产尘能力提供关键评价指标,论文主要研究内容与结论如下:(1)分析了综掘机截齿截割破煤过程,基于弹性力学、塑性力学、岩石力学以及空腔膨胀理论,建立截齿侵入煤体的塑性损伤区控制方程,并对相关影响因素进行敏感性分析,其中单轴抗压强度、截齿锥角和围压是影响截齿侵入煤体后其损伤范围的主控因素,而弹性模量、泊松比、内摩擦角和剪胀角为次要因素。(2)基于工业CT技术搭建了截齿侵入实验平台,利用CT扫描技术实现了对截齿侵入煤体后其损伤区范围的定性、定量分析。实验结果表明:截齿侵入煤体后其损伤区范围,随煤体单轴抗压强度和截割围压的增大而减小。当煤体与截齿接触半径相同时,截齿侵入煤体后其损伤区范围随侵入截齿锥角的增大而减小。(3)利用截齿侵入煤体实验系统,开展了不同主控因素条件下截齿侵入破碎实验,结果表明单轴抗压强度越大的煤体,截齿截割循环次数越多煤体破碎越充分,产尘量越大;围压的升高会使截割循环次数与截割载荷增大,造成产尘量的增加;锥角越小的截齿,截割循环次数越少破碎越不充分,产尘量越小。(4)利用PFC-2D离散元数值模拟软件,对不同煤体的细观参数进行了精准标定,标定误差小于1.5%,建立了不同主控因素条件下的截齿直线截割离散元模型,通过模拟发现,围压对煤体内部的裂纹扩展具有限制作用,但会加剧截齿截割区域损伤程度,导致截割粉尘平均粒径降低,产尘量升高;截齿锥角的改变对裂纹扩展方向无明显影响,但截齿锥角的增加会引起截割载荷的升高,致使煤体破碎程度加大,截割平均粒径降低,产尘量升高。煤体整体的损伤范围随单轴抗压的增大而减少,但截齿截割区域的损伤程度会随单轴抗压强度增大而加剧,导致截割粉尘平均粒径降低,产尘量升高。(5)设计并搭建了掘进巷道截割产尘实验平台,开展了不同主控因素条件下巷道内截割产尘、扬尘实验,巷道内的全尘浓度与呼吸性粉尘浓度随主控因素的增大而升高。采用归一化分析,对各主控因素对巷道内粉尘浓度的影响程度进行了无量纲化分析,分析结果表明截齿锥角对巷道粉尘浓度影响最大、其次是围压和煤体单轴抗压强度。论文中图201幅,表75个,参考文献146篇。
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