文摘

进料系统的可靠运行起着至关重要的作用,在确保安全、高效生产的工作面回填gob-side条目保留(蒙古包)。过程中垂直喂养路边支持身体的材料,在喂养轴发生阻塞的问题测试我的,严重影响了煤矿的安全生产。本文基于理论分析,建立了流固耦合数值模型。解雇了煤矸石的速度的变化规律,它下面的空气压力,与不同的通气管直径和速度矢量分布。被揭露的阻塞机制喂养系统。结果表明,如果料仓的排气孔关闭,煤矸石在矿井的速度增加,然后降低喂养轴最后阻止了。如果料仓的排气孔打开压力排放,排气孔随着直径的增加,解雇了煤矸石的最大速度和结束速度增加,压差降低,和速度矢量是均匀分布的。阻塞的能量判据的喂养轴进一步获得。基于测试的工程条件,喂养轴被阻塞时,临界值的排气孔直径30毫米。研究结果提供依据垂直喂养的关键参数的设计系统,确保安全、高效生产gob-backfilled蒙古包工作面。

1。介绍

Gob-backfilled蒙古包(1)是一个创新的可持续nonpillar采矿技术,可以适应各种复杂的地质条件。路边的稳定支持身体决定的成功率与煤矸石回填采矿gob-side条目保留。在蒙古包技术的开发过程中,工程师和学者们尝试了各种路边支持身体材料维护巷道的稳定,如木垛式支架、强化支持,煤矸石堆积,砌筑墙(2- - - - - -4]。工程应用的结果(5)表明,经过压实和堆积,解雇了煤矸石可以用作路边支持身体,和counterpulled螺栓、锚网,和W钢带作为强化(图1),它可以隔离采空区,支持屋顶,满足设计和使用要求的回填蒙古包完全机械化开采。对工作面与煤矸石回填,使用大量的煤矸石笨重的材料路边支持体材料可以分享回填和输送系统,减少支持成本(图1),促进蒙古包技术。同时,它的优势消耗煤矸石、重用废弃物,减少地面环境问题(6- - - - - -8]。设备粉碎、筛选粒度混合,添加辅助材料、搅拌、包装、以及其他进程的散装固体占据大量的空间,所以装袋在地面上,垂直喂食,和井下压实(图2)用于路边支持身体的运输材料,它可以大大提高地下交通的效率,减少开挖成本室(9,10]。测试我采用垂直喂养轴的直径是0.48米,也没有排气孔上设置料仓。在生产过程中,问题发生阻塞的垂直轴,阻碍了生产的煤矿,导致疏浚难以解决。因此,运行可靠的喂轴起着至关重要的作用在确保工作面安全、高效生产的回填蒙古包。

在喂养的过程中,固体材料有一个复杂的运动,由许多因素限制(如湿度、材料组成、和喂养轴的直径)。一些学者认为,喂养的过程是一个典型的气固两相流(稀相)。垂直应力影响其运动状态是一个重要的因素。其中,主力在垂直方向包括重力、浮力、附加质量力、空气阻力、压差力,和巴塞特力(11- - - - - -13]。歌等。14]使用CFD模拟回填与粉煤灰和描述的一个废弃煤矿的煤炭灰浆的色散和回填现象及其在扫雷运动。其中,水和空气通道被视为多相流。在研究固体颗粒侵蚀的石油和天然气运输管道,刘et al。15)使用拉格朗日方法跟踪沙子在液体中运动和计算的速度衰减沙子穿过液膜结合后的厚度。槽等。16)提出了湍流模型适合计算经济适用性和物理实现。在运输方程,湍流动能(k)和湍流耗散率计算同时控制了大部分流动行为。光滑粒子流体动力学(SPH)和离散单元法(DEM) [17)可用于研究材料湿度高时的流型。然而,使用这两种方法时,应当定义材料的特殊属性,大大增加了计算时间和复杂性。

标准k -ε研究的模型是采用可压缩湍流条件下不需要计算的准确性(18]。Yaknotand [19]介绍了重整化群湍流研究和提出了一种新的湍流模型。研究Speziale et al。20.)表明,该模型具有更多的优势比一般湍流模型。Shirazi et al。21)认为,与高速粒子衰减时通过炉墙,提出“停滞长度”的概念来计算粒子速度的影响。桔多琪et al。22)考虑颗粒之间的碰撞运动过程中固体填充料在垂直轴。然而,大多数现有的研究分析了固体颗粒的运动过程的轴。解雇了煤矸石,很少有研究连续喂固体的大小接近的轴。

本文建立了流固耦合模型,理论分析和数值模拟的方法,研究了固体的运动规则和系统的能量转换机理解雇了煤矸石在下降的过程中,和显示的阻塞机制喂养系统。结果提供了一个可靠的依据垂直进料系统的参数设计。同时,重要的是在确保进料系统的正常运行和有效生产工作面回填的蒙古包。

2。机械分析垂直喂养系统

2.1。工程背景

垂直喂食系统由轴和料仓底部(图3)。根据工程条件的测试,喂养轴的长度(h₁)是319米,直径(D₁)是0.48米。料仓的圆柱段的长度(h₂)25.2米;直径(D₂)是6米;锥形部分的长度(h₃)是5.2米。在最初的方案中,设计成封闭式料仓。运行状态很好喂养过程中散装材料。然而,阻止问题发生在解雇了煤矸石的运输过程,严重影响了矿井的安全、高效生产。

2.2。解雇了煤矸石的机械分析料仓关闭

因为料仓在最初的方案中,有一个封闭的设计,在整个过程中,空气低于解雇煤矸石总是关闭轴。根据波义耳定律(23),压力和体积在封闭的空间中满足以下几点:

在初始时刻,

认为解雇煤矸石后我仍在下降并达到平衡状态 在哪里是1.01×10的大气压力吗⁵Pa;是解雇了煤矸石的截面积;米解雇了煤矸石的质量;是9.8 m / s的重力加速度²;和是最后的下降解雇了煤矸石的距离。

当考虑公式(2)和(3同时,我们可以获得 在哪里解雇了煤矸石的密度是2500公斤/米³和l解雇了煤矸石的长度是1米。

替换所有的物理量这个公式,我们可以得到 ,在不通风的情况下解雇了煤矸石块。

因为解雇了煤矸石在空中沿着轴移动,我们可以忽略附加质量力,巴塞特力,Maguns力,萨夫曼力、升力的粒子,粒子之间的相互作用力。因此,运动解雇了煤矸石的主要因素是由重力(米g)、压差( )和摩擦力( )。根据牛顿第二定律,

根据波义耳定律,当解雇煤矸石瀑布距离(年代),我们有

此时,压差( )是

摩擦力的关系和空气阻力下降过程中解雇了煤矸石是线性的,也就是说, 在哪里水平压力系数,摩擦系数的选择( )是如下公式所示24]: 在哪里解雇了煤矸石的当量粗糙度和吗是流体的雷诺数。

当解雇了煤矸石的下降距离年代加速度(一个)是

上述公式时的边界条件t= 0,年代= 0和= 0。因为 ,我们有

在用公式(13)到公式(12),我们可以得到:

代入边界条件(当和 )在上面的公式和获取

后用常数到公式(14),我们可以获得

所以,我们有

完整的泰勒级数展开在上面的公式。我们获得

忽略高阶项,取前两项,代入公式(17)。我们可以获得

解决方案(19)的集成方法。我们可以获得 在哪里 。代入边界条件(当t= 0,年代= 0)到公式(20.),并获得

下降的距离之间的关系(年代)和时间(t)方法如下:

因此,速度和加速度的表达式可以得到如下:

周期函数可以从函数获得的表达下降距离、速度和加速度。根据实际情况,经过一段时间的下降,速度就变成0。此时,解雇了煤矸石是静态的喂食轴和轴被阻塞。因此,我们可以获得下降位移(图的变化4(图),速度5),和加速度(图6)从下降到解雇了煤矸石的阻塞。

煤矸石的加速度在下降的过程中已经减少(数字4- - - - - -6)。当t= 6.55秒,速度达到最大值34.11 m / s。当t= 13.10 s,解雇了煤矸石达到一个平衡状态,当位移为265.66 m。在下降的过程中关闭我的解雇了煤矸石、我的空气不断被压缩。下降的位移越大,压力就越大。最后,解雇了煤矸石的速度变得越来越小,直到他们在喂养轴是静态的。

2.3。机械分析解雇了煤矸石在料仓与通风口

喂养系统关闭料仓,解雇了煤矸石有一定的渗透性,但空气压缩还是解雇了煤矸石的运动有很大的影响。因此,喷口设置在料仓因空气耗尽,能减少空气的阻碍影响解雇了煤矸石在喂养过程中下降。设置的排气孔,饲喂系统简化模型(图所示7)。

在整个生产过程中,下面的空气解雇煤矸石不断从排气孔排出。在一节和b的伯努利方程, 在哪里和A和B的高度,和A和B的压力,和A和B的空气密度,气流速度排气孔。空气放电从火山口流出的损失 ,在哪里是损失系数。

因此,我们可以获得

在一节,外部压力施加在空气是0但它是由煤矸石的力量( )相当于压力( )等于 。 是大气压力。的长度是喂养轴-煤矸石的下降距离,也就是说, 。

一节的连续性方程和部分b

对于理想气体,我们 在哪里n是体积的气体分子数(V),这是气体质量摩尔质量之比( );R是比例系数;和T温度,在K。

因此,在恒温条件下,气体的压力和密度之间的关系

从公式(25),(26)和(28),我们可以获得

任何非平稳的一刻, 。结合公式(12),我们可以得到:

假设解雇煤矸石不能进入料仓,轴被阻塞时,有以下平衡方程:

代入公式(31日)(29日)来解决和获得解雇了煤矸石的运动时间( )。替代成 ,并获得煤矸石的下降距离( )。如果 ,假设煤矸石袋不能进入料仓是无效的,不会阻塞。用参数后,我们可以获得如下:当发泄的直径(d)等于或小于22.36毫米,喂养轴将被阻塞。

3所示。材料和方法

解雇了煤矸石被运送到井口的腰带和交付给喂养轴。质量交付给喂养轴是固定在一段时间内。在下降的过程中,压力的影响下,内壁摩擦,和其他因素,发生堵塞,解雇了煤矸石。为了研究运动过程的能量变化和法律喂养轴,使用数值分析软件ANSYS模拟了煤矸石的下降运动料仓时关闭,当料仓10∼100毫米排气孔。考虑最不利的条件下,袋内充仪表的直径等于喂养轴的直径。解雇了煤矸石的墙壁完全接触轴(摩擦系数f)。轴的空气温度是恒定的。初始条件是他们自由放置在井口和由重力摔倒。整个进料系统的模型如图8。轴的设计在一个四面体网格,和料仓部分是在一个自由网格设计的。

在这个模型中,解雇了煤矸石放入井口。在下降的过程中,他们的重力(米g)的压力和空气在管道上方和下方解雇了煤矸石(和 )对解雇煤矸石。如果解雇了煤矸石不能进入料仓,假设他们跌倒的距离年代下降速度的0一段时间后,在空气的压力高于解雇了煤矸石的大气压力 ,和空气的压力低于压缩后解雇了煤矸石 。

3.1。质量交换方程

根据质量守恒定律,质量变化率的微量元素模型中等于质量流的表面的微量元素如下: 在哪里n单位法向量和吗微量元素的密度。

在直角坐标系中,它可以表示为 在哪里u,和代表了微量元素的方向的速度分量x,y,z。

在二维情况下,

3.2。计算方程

在整个饲养系统,解雇了煤矸石和空气之间的交互必须满足动量守恒定律。微量元素的动量,时间的导数等于合力作用。三个坐标轴上的组件,分别

RNG方法应用于计算方程,湍流动能(k)和耗散率( )介绍如下: 在常量 , ,和 。R代表平均流量的影响上的应变率耗散率如下: 在哪里的比例是湍流时间尺度和平均时间尺度,是均匀剪切流的典型值为4.38,和其他常数包括什么和 。

3.3。能量交换方程

料仓的口选为零重力势能点,和系统的初始能量方程 。在解雇了煤矸石的下降,在任何地位 在哪里时,重力势能解雇了煤矸石的下降距离吗年代,时的动能解雇了煤矸石的下降距离吗年代,下面是空气压缩的弹性势能解雇煤矸石解雇了煤矸石的下降距离年代,解雇了煤矸石时耗散能量的下降距离吗年代,包括空气和内部摩擦损失在井口的能量。

4所示。仿真结果和讨论

解雇了煤矸石的运动当料仓关闭或有一定规模的排气孔是模拟,分别。相应的空气速度分布和变化规律,解雇了煤矸石、速度和空气压力。解雇了煤矸石的法律的变化速度和空气压力拟合公式,代入能量方程。喂养的阻塞机制揭示轴从动能的变化的角度和空气的能量。

4.1。模拟与料仓的进料系统关闭

空气流场的分布在料仓解雇了煤矸石在最大速度,最后静态图所示9。我们可以看到,当解雇了煤矸石的速度高,空气在料仓是摄动剧烈。同时,空气压缩最暴力和空气在料仓随机涡旋运动,导致严重的混合在空气和强烈的动量交换。弹性势能和空气中的压力增加。压力大时解雇煤矸石是静态的,但有小扰动的空气在料仓中。后的空气进入料仓喂养轴,在主喷射流挂环,最终它返回的状态,形成涡流,因为较低的部分是密封的。当解雇了煤矸石在喂养轴的速度很低,空气中到处料仓流在低速度(图9 (b))。

下降的变化速度解雇了煤矸石在不同时期和不同位置的运动轴如图10和压力的变化如图11。

从数据10和11可以看出,解雇了煤矸石在喂养轴的速度在下降的过程中首先增加然后减少。在5.347秒,速度达到34.210 m / s的最大速度。在12.652秒,速度是0。解雇了煤矸石的最后下降的距离是256.493米,小于265.660米的之前的理论分析结果,主要是因为产生的负压区将解雇了煤矸石在下降的过程中。煤矸石在袋压差的增加在下降过程中,当速度高,效果明显(如图12)。在理论分析中,认为,在平衡态,负压区已基本消失了,总的来说,速度小于理论分析的结果,证明了存在的负压区。压力首先增加缓慢,增长速度变大。下降150米的距离后,增长率变小,最后的压力是187.51 kPa。解雇了煤矸石、加速阶段下降的速度快速增加,然后缓慢,因为下面的空气压力增加,当解雇煤矸石是压缩和上面的负压产生他们解雇了煤矸石摔倒导致解雇煤矸石压差的增加。其中,解雇了煤矸石的下降速度越高,它们从我的越远,在负压区和较小的压力。在减速阶段下降的解雇了煤矸石、速度下降缓慢,然后,减速效果是显而易见的。从压力的变化曲线,压力高于180 kPa和强加给解雇了煤矸石推力大于32.6 kN在稳定阶段。

速度的变化曲线和压力的变化曲线拟合速度和压力的表达式根据下降的距离(年代):

然后,代入方程(39)和(40)进入能量交换方程(38)。我们可以获得空气动能和能量的变化曲线,如图13。

解雇了煤矸石、下降的动能不断增加由于重力解雇了煤矸石(图应用的工作13)。同时,能量是不断积累与空气压缩。当空气能量积累到一定值,解雇了煤矸石的动能开始下降,直到它减少到0。当动能的变化率最小(最大速度时),空气能量增加最快,这表明,压缩空气通过解雇煤矸石是最暴力。

4.2。模拟喷口的饲喂系统料仓

在这个阶段,通风口在料仓的进料系统主要是模拟。解雇了煤矸石的运动和能量的变化规律与不同的通气管直径透露。边界条件和初始条件都一样的情况下没有任何发泄。当发泄的直径(d料仓是10毫米),20毫米,30毫米,40毫米,50 mm, 60毫米,70毫米,80毫米,90毫米,100毫米,解雇了煤矸石的最后下降的速度和最大速度数据所示14和15。

当排气口直径小于或等于20毫米,解雇了煤矸石会阻止我,当排气口直径大于20毫米,解雇了煤矸石的速度进入料仓增加对数与发泄大小(图14)。拟合公式 。随着排气口直径的增加,最大速度线性增加(图15)。拟合公式 。解雇了煤矸石的区别最大速度与不同的通气孔直径很小,但是解雇了煤矸石的速度,最终进入料仓截然不同,这表明解雇煤矸石是远离我的发泄在加速阶段,以及排气口直径的影响很小。在减速阶段尤其是在后期(这个时候解雇了煤矸石附近料仓的发泄),排气口直径越大,空气下面解雇了煤矸石的释放效果。气垫效应将会变得虚弱,因此解雇了煤矸石的速度当进入料仓是相对大。

速度和压力的变化的拟合公式的解雇了煤矸石根据距离不同排气口直径是取代陷入能量方程,和动能的变化曲线和空气的能量解雇煤矸石,如图16和17。

根据曲线的动能和空气能源与不同的通气孔直径、动能和空气的能量解雇煤矸石抛物线变化。在开始阶段,动能增加快,然后逐渐减少。排气口直径大于20毫米时,空气的能量最终减少0动能并不是0,这表明,在这个时候,解雇了煤矸石在一定的速度进入料仓。当排气口直径小于或等于20毫米,动能最终降低为0,这意味着,在这个时候,解雇了煤矸石块送料轴。相比之下,情况没有发泄,空气能量下降。一方面,一部分气流的发泄。另一方面,压力释放通气导致减少的压力,和空气压缩程度降低。当压缩体积小于由排气排放空气的体积,下面的空气压力降低和空气能量开始减少。随着排气口直径的增加,边坡的上升阶段和峰值增加动能和斜率和峰值减少空气的上升阶段的能量,这表明通风直径越大,越明显的减压效果和较小的空气能量积累。所以,解雇了煤矸石的下降是不妨碍了气垫效应可以获得相应的峰的位置动能。 When vent diameter increases, the peak point moves to the right, but the peak point of air energy moves to the left with the increase of vent diameter. It shows that the larger the vent diameter is, the larger the effect range of pressure relief is.

根据空气动能和能量的变化规律,与不同的通气孔直径,空气能量对应于最大的动能以及它们之间的区别,如图18和19。

的最大动能增加线性与排气孔(图的直径18)。拟合公式 。此时,空气能量也增加线性。该值与最大动能和排气口直径有关。拟合公式 。山坡上的两条线是相似的。值小于时阻塞发生(84.5 kJ),这表明解雇煤矸石能够成功到达料仓与一定的动能,排气孔在不同条件下的直径(图19)。结合的动能变化曲线和空气能量在不同排气口直径,我们可以看到,当空气能量下降( )下面,动能仍减少。虽然这个时候,压力不高和速度低于最高速度,解雇了煤矸石是远离井口。上部负压区的压力很低,和解雇了煤矸石的压差大于它的重力,所以他们仍然做减速运动。

为200解雇煤矸石摔倒时,气流在料仓的最大速度减少随着直径的增加(图20.),因为发泄直径越小,越小的卸压效果和内外压差越大料仓的发泄,向外的推力越大单位体积的空气。压力释放是更快和更大的排气口直径。此时,空气的流动速度低于排气口直径小,但更多的空气排放和空气能量耗散比较大。

5。结论

通过理论和数值分析的运动解雇了煤矸石在饲喂系统,获得的主要结论如下:(1)解雇了煤矸石在喂养的运动轴受到的空气下。压差之间的关系、摩擦阻力和重力决定解雇了煤矸石的最大下降距离。其中,提出的压差是上部负压空气和较低的压缩空气。下降速度越高,越远从井口解雇了煤矸石在负压区,压力越小。在整个过程中,下降的速度增加,然后降低。(2)当料仓没有发泄,在下降过程中,解雇了煤矸石不断挤压空气在它下面的密闭空间和压力继续增加。下降速度越高,更大的加速度。当 ,速度开始下降,当 ,它达到了平衡状态。根据现场测试的工程条件矿区,最后下降距离计算是256.5米。(3)当料仓通风口,喷口直径的增加,更多的空气在料仓朝井口和流场的分布更均匀。孔隙大小越大,压差越小,越慢动能减少。根据现场工程条件下,排气口直径之间的关系和最大速度 。因此,喂养的阻塞的能量判据轴可以获得具有不同直径和长度。解雇的最大动能煤矸石进入料仓大于 。(4)研究结果揭示了阻塞机制喂养轴在大型材料的垂直运输过程和关键参数的设计提供了依据路边支持身体的垂直转换系统材料。

数据可用性

使用的数据集或分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51674250号,51574228,51323004,51804302),中国国家自然科学基金重大项目(51734009),和中央大学的基础研究基金(2012 lwb66)。