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May 11, 2023

Recherche sur la loi de dispersion des poussières des fronts de taille entièrement mécanisés sous différentes inclinaisons et suivi de la méthode fermée de contrôle des poussières

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16633 (2022) Citer cet article

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Sur la base de la théorie de l'écoulement diphasique gaz-solide, la simulation numérique de la loi de dispersion de la poussière des travaux miniers entièrement mécanisés sous différents angles d'inclinaison et l'analyse comparative des données mesurées sur le terrain montrent qu'avec l'augmentation de l'inclinaison du front de taille, l'inclinaison du flux d'air dans la zone non minée passe de 25° à 50° et la vitesse maximale du vent passe de 2,16 à 2,25 m/s après le mélange du vent turbulent coupant et de la ventilation du système. Pendant ce temps, la gamme d'amas de poussière à haute concentration, le temps de suspension, l'intensité de la migration latérale et la zone de dépôt augmentent à des degrés divers ; amas de poussière passe de 62,02 à 202,46 m3. Lorsque X < 53,96 m, la concentration de poussière dans la zone de respiration du trottoir présente une fonction sinusoïdale avec la longueur du front de taille, et lorsque X ≥ 53,96 m, elle satisfait la fonction de décroissance exponentielle. Sur cette base, la technologie de dépoussiérage en circuit fermé est proposée. En combinant l'angle de décalage du flux d'air et la position de collecte de la masse de poussière, l'angle du rideau de vent et la vitesse de l'air sont automatiquement contrôlés pour garantir que la poussière est limitée à un côté du chemin de câbles.

Avec l'augmentation des niveaux de mécanisation, la production de charbon a augmenté chaque année et de la poussière respirable s'est accumulée sur les fronts de taille des mines de charbon. Des concentrations élevées de poussière peuvent provoquer une pneumoconiose, réduire la précision du travail des instruments et provoquer des explosions de charbon et de gaz, menaçant la santé physique et mentale des travailleurs1,2,3,4. Selon des statistiques incomplètes, à la fin de 2021, la Chine comptait 11 809 cas de pneumoconiose, et entre 2010 et 2021, le nombre total de pneumoconiose professionnelle atteint 80 % par an, plus de 50 % par la poussière de charbon induite5,6 (Fig. . 1). De plus, en raison de l'augmentation de la concentration de poussière de charbon, la pression d'explosion de poussière et l'indice d'explosion ont d'abord augmenté puis diminué. Selon les statistiques existantes, 87,32 % des 532 principales mines de charbon chinoises sont exposées au risque d'explosion de poussière de charbon7,8,9. La concentration la plus élevée de pollution par la poussière de charbon se trouve dans les environnements de travail souterrains. La production de poussière représente environ 45 à 80 % de la production totale de poussière de la mine10,11,12. Cependant, bien que la plupart des mines aient adopté diverses mesures de dépoussiérage de l'air, la concentration de poussière sur le front de taille dépasse de loin les réglementations pertinentes du "Coal Mine Safety Regulations". Dans l'exploration à long terme, le contrôle de la poussière de farine dans les travaux miniers complets est difficile et la concentration de poussière est élevée. De nombreux systèmes de dépoussiérage sur site et dispositions d'équipement ne peuvent pas atteindre l'effet escompté ou ne peuvent pas être utilisés à des points clés. Par conséquent, l'étude de la loi de dispersion de la poussière de farine dans les mines de charbon revêt une importance pratique substantielle pour résoudre la concentration excessive de poussière, mettre en œuvre des solutions techniques anti-poussière et assurer une production sûre dans les mines de charbon.

Statistiques des cas de maladies professionnelles.

La simulation numérique est rapide et efficace, a la visualisation évidente, et a l'avantage d'une analyse détaillée dans chaque zone. De nombreux chercheurs ont utilisé des simulations numériques pour étudier la loi de dissipation de la poussière. Pathankar et al. ont utilisé la méthode lagrangienne pour décrire le mouvement des particules de poussière et analysé le comportement de migration des particules de poussière sous différents nombres de Stokes entraînés par le flux d'air13. Hossein et Gholamreza ont utilisé la dynamique des fluides computationnelle pour déterminer la position de tassement des zones d'accumulation de poussière et des tailles de particules de différentes tailles sur le front de taille, améliorant ainsi le système de ventilation de la mine et les conditions sanitaires du front de taille14. Zhang et al., sur la base de la dynamique des fluides computationnelle et de la méthode des volumes finis, ont analysé les caractéristiques de diffusion et de pollution de la poussière respirable dans différentes zones et différentes sources de poussière sur le front de taille à longue paroi aux échelles macro et micro15. Sur la base du modèle de couplage diphasique gaz-solide, Yao et al. étudié le mouvement combiné du déplacement vertical de la poussière de charbon, du déplacement horizontal de la grève et du déplacement horizontal incliné dans une face de spéléologie à grand pendage, fortement inclinée et entièrement mécanisée ; les résultats ont montré que lorsque la face de spéléologie entièrement mécanisée avait un grand angle d'inclinaison, le vent était turbulent, la vitesse de l'air était élevée et le temps de déplacement sur la surface de travail était long16,17. Sur la base de la dynamique des fluides computationnelle, Hu, Liao et al., et Cai, Nie et al. ont étudié les lois de migration de la poussière sous différentes vitesses d'air et volumes d'air et ont constaté que lorsque la concentration de poussière est relativement faible, l'augmentation du débit d'air entraîne un entraînement de poussière18,19. Zhang et al. ont constaté que la distribution de la vitesse du flux d'air, la trajectoire de migration de la poussière et l'influence du flux d'air sur la diffusion de la poussière lors de la coupe du charbon sous le vent diffèrent de celles lors de la coupe du charbon sous le vent. Ainsi, la méthode de réduction de la poussière a été optimisée et l'efficacité de la réduction de la poussière a été améliorée20. Lu Yuezea et Akhtar Saad ont utilisé la dynamique des fluides computationnelle pour évaluer diverses situations possibles de configurations de mines souterraines et ont constaté que la présence de machines d'extraction de charbon en continu affectait négativement le flux d'air et augmentait les concentrations de méthane et de poussière. Cet impact négatif peut être obtenu en minimisant ou en neutralisant le fonctionnement du ventilateur du laveur en mode aspiration21. Lu et al. ont utilisé le modèle de contrainte de Reynolds et le modèle de phase discrète pour étudier les caractéristiques de dépôt des particules de suie dans un canal d'échange de chaleur incliné avec des ailettes de surface. Les résultats ont montré que le diamètre des particules et le débit des gaz de combustion affectaient le canal nervuré. L'efficacité du dépôt a un impact significatif. L'angle d'inclinaison a peu d'effet sur l'efficacité de dépôt des petites particules, mais a un impact significatif sur l'efficacité de dépôt des grosses particules22.

Cependant, la plupart des chercheurs n'ont pas pris en compte l'influence de l'angle de face sur le flux d'air et les caractéristiques de dispersion de la poussière de charbon, ce qui a entraîné des erreurs dans leurs résultats de recherche, et n'a donc pas pu fournir de base théorique pour la prévention et le contrôle de la poussière dans plusieurs mines de charbon sur une grande échelle. échelle pour améliorer l'exploitation minière complète. Pour combler cette lacune dans la littérature, cette étude a mené des recherches fondamentales sur les caractéristiques du flux d'air et de la pollution par la poussière de charbon sous différents angles d'inclinaison du front de taille. Dans cette étude, le front de taille 3604 de Feicheng Mining Group Shanxian Energy Co., Ltd. a été utilisé comme prototype ; l'inclinaison du front de travail était la seule variable ; et l'une des faces de travail presque horizontales, légèrement inclinées, inclinées et fortement inclinées a été utilisée pour établir un modèle d'écoulement diphasique gaz-solide. Le logiciel de simulation numérique FLUENT (version 2020R1) a été utilisé pour mener des recherches détaillées sur le mouvement sous le vent et les caractéristiques de pollution par la poussière de charbon à différents angles d'inclinaison d'une exploitation minière entièrement mécanisée. proposé de fournir une base théorique pour la gestion globale de la poussière de front de taille des mines de charbon.

Le modèle mathématique de cette étude consiste en l'équation de Navier-Stokes (NS ; la méthode eulérienne) en coordonnées polaires23. Pour l'écoulement turbulent, le modèle standard à deux équations k – ε a été utilisé. La méthode lagrangienne et le modèle de phase discrète ont été utilisés pour résoudre la loi de dispersion de la poussière de farine de travail.

Le modèle d'équation k – ε basé sur le NS moyenné dans le temps de Reynolds a été largement utilisé pour étudier la dispersion de particules complexes. Supposons que u, v et w soient les composantes de vitesse dans les directions x, y et z, respectivement. Par conséquent, la vitesse est exprimée comme la somme de la vitesse de pulsation instantanée et de la vitesse moyenne dans le temps24,25,26

Généralement, l'état d'écoulement d'air de la surface de travail est considéré comme un fluide incompressible et l'équation de continuité est27,28

où ρ est la densité du gaz (kg/m3) et t est le temps. Lorsque le flux d'air est dans un état stable, la densité ne change pas avec le temps et peut être écrite comme

L'équation NS moyennée dans le temps de Reynolds est utilisée pour dériver et calculer l'équation k – ε renormalisée à l'aide de la méthode mathématique de renormalisation.

L'équation \(k\) est29,30

Dans la formule, k est l'énergie cinétique turbulente, m2/s2 ; \(\alpha_{k}\) est l'inverse du nombre de Prandtl effectif de l'énergie cinétique turbulente, c'est-à-dire \(\alpha_{k} = \frac{1}{{\sigma_{k} }} = 1,0 \); \(\mu_{eff}\) est le coefficient de viscosité ; \(G_{k}\) est l'énergie cinétique turbulente causée par le gradient de vitesse moyen ; et \(G_{b}\) est l'énergie cinétique turbulente causée par l'influence de la flottabilité.

L'équation ε est31,32

Dans la formule, ε est le taux de dissipation d'énergie turbulente, m2/s3 ; \(C_{1\varepsilon }\), \(C_{2\varepsilon }\) et \(C_{3\varepsilon }\) sont des constantes empiriques ; généralement, la valeur par défaut est \(C_{1\varepsilon } = 1,43\), \(C_{2\varepsilon } = 1,91\) et \(C_{3\varepsilon } = 0,09\) ; \(\mu_{t} {\text{and}} \mu\) sont les coefficients de viscosité d'un écoulement turbulent et laminaire ; et \(\alpha_{\varepsilon }\) est l'inverse du nombre de Prandtl effectif du taux de dissipation \(\alpha_{\varepsilon } = \frac{1}{{\sigma_{\varepsilon } }} = 0,768\ ).

La méthode Euler – Lagrange a été utilisée pour calculer l'idée, la phase principale est décrite par la méthode d'Euler, le terme de particules est décrit par la méthode lagrangienne et la simulation du modèle de phase discrète d'écoulement biphasique gaz-solide des particules de poussière a été utilisée. . Essentiellement, le calcul de la trajectoire de la poussière de travail implique l'intégration de l'équation différentielle de la force agissant sur la poussière33,34,35. Par conséquent, les équations différentielles de ces forces dans le système de coordonnées cartésien peuvent être exprimées comme suit (ici, la direction de l'axe x est considérée comme un exemple)

Dans la formule, \(u_{p }\) est la vitesse des particules, m/s ; t est le temps, s; \(u\) est la vitesse relative du fluide, m/s ; \(g_{x }\) est l'accélération gravitationnelle dans la direction x, m/s2 ; \(F_{D}\) est la résistance de la particule, N ; \(\mu\) est la viscosité hydrodynamique, Pa*s ; \(\rho\) est la masse volumique du fluide, kg/m3 ; \(\rho_{p}\) est la densité des particules, kg/m3 ; et \(\sum {\vec{\text{F}}}_{x}\) est d'autres forces dans la direction \(x\) (par exemple, "force de masse apparente", thermique, la force résultante de la force de nage , et force de Brown).

où \({\text{d}}_{{\text{p}}}\) est le diamètre des particules (m) ; \({\text{Re }}\) est le nombre de Reynolds relatif de la particule ; \({\text{C}}_{{\text{D}}}\) est le coefficient de traînée ; et \({\text{a}}_{1}\), \({\text{a}}_{2}\) et \({\text{a}}_{3}\) sont constantes dans une certaine plage de nombres de Reynolds.

Pour augmenter la précision des descriptions du mouvement des particules de poussière respirables, cette étude a introduit un modèle de collision d'éléments discrets pour augmenter leur adéquation à la pratique sur le terrain36. En utilisant la deuxième loi de Newton, l'équation différentielle ordinaire qui contrôle le mouvement des particules s'exprime comme suit :

Pour une paire de collisions donnée, l'amplitude de la constante de ressort de la force de contact normale doit au moins remplir les conditions suivantes : pour la plus grande inclusion et la vitesse relative la plus élevée dans la paire de collisions, la constante de ressort doit être suffisamment élevée pour rendre le recul des deux paquets entrent en collision avec le diamètre du paquet, et le chevauchement maximum ne doit pas être trop grand. La constante du ressort peut s'écrire

où \({\text{v}}_{{\text{c}}}\) est la vitesse relative entre deux particules en collision, \(\varepsilon_{D}\) est le diamètre autorisé à se chevaucher, D est le diamètre de l'emballage, et \(\rho\) est la masse volumique des particules.

Prenez le front de taille 3604 de Feicheng Mining Group Shanxian Energy Co., Ltd., qui a une longueur totale de 118,5 m, une largeur nette de 6,5 m et une hauteur d'exploitation maximale de 3,6 m. à titre d'exemple, il adopte un processus d'extraction à pleine hauteur et une pression négative complète. L'équipement minier de face de travail à ventilation indépendante en forme de U comprend un support hydraulique blindé à deux piliers de type ZY8000/20/43, 79 cadres et la distance centrale du support est de 1,5 m ; une cisaille à traction électrique à double tambour de type MG500/1130-WD avec un diamètre de tambour de 2000 mm et une profondeur de coupe de 600 mm ; un convoyeur à raclettes à double chaîne de type SGZ800/800 ; un concasseur à roues PLM2000 ; et un convoyeur à bande DY1000. Le logiciel SolidWorks a été utilisé pour construire un modèle mathématique 3D grandeur nature d'échelle proportionnelle (Fig. 2) : surface de travail, 118,5 m × 6,5 m × 3,6 m (longueur × largeur × hauteur) ; couloirs d'admission et de retour d'air, 49,5 m × 4,6 m × 3,6 m (longueur × largeur × hauteur); hauteur de la base du support hydraulique, 0,6 m ; l'entraxe du support est de 1,5 m ; un total de 79 images; corps principal de la cisaille, 8,1 m × 1,2 m × 1,4 m (longueur × largeur × hauteur); hauteur d'extraction, 3,6 m; diamètre du tambour, 2000 mm; profondeur de coupe, 600 mm ; et le châssis mobile est en retard sur les 6 supports hydrauliques du tambour arrière de la cisaille.

Modèle tridimensionnel du front de taille entièrement mécanisé.

Le modèle géométrique a été maillé en combinant les fonctions de proximité et de taille de courbure. Premièrement, la fonction de taille de courbure a été utilisée pour mailler le modèle dans son ensemble ; ensuite, la fonction de taille approximative a été utilisée pour diviser davantage le maillage afin d'augmenter la densité des fonctions de taille voisines. Finalement, 3 056 258 mesh ont été obtenus. Cependant, la convergence du maillage doit être testée pour l'indépendance avant le calcul de la simulation numérique. Cette étude était basée sur l'indice de convergence de grille (GCI) pour tester la qualité du maillage pour l'indépendance. Le processus principal est le suivant :

Définissez un maillage représentatif \(l\) pour le calcul :

où \(\Delta {\text{v}}_{{\text{i}}}\) est le volume de la i unité, et N est le nombre total d'unités utilisées dans le calcul.

Explorez la valeur des variables clés dans le processus de simulation sous différents schémas de maillage (cet article utilise la concentration de poussière c comme variable clé).

Calculez l'erreur relative entre les variables clés entre la solution grossière et la solution fine :

où ε est l'erreur relative, \({\text{c}}_{{{\text{i}},{\text{coarse}}}}\) est la solution de convergence du maillage grossier, et \({\ text{c}}_{{{\text{i}},{\text{fine}}}}\) sont les solutions de convergence de maillage fin.

Calculez la racine carrée moyenne de la métrique d'erreur relative de la région critique et des points multiples 'n(n = 1500)' dans la région critique :

Comme le facteur de réduction du maillage est inférieur à 2, l'erreur relative doit être ajustée en conséquence. De plus, pour réaliser la condition selon laquelle la valeur de \(\varepsilon_{rms}\) est extrapolée à la condition que le maillage réel est réduit de moitié, le GCI doit être utilisé pour la grille de finesse comme suit :

Dans l'éq. (17), F est le facteur de sécurité (cette étude utilise quatre ensembles de schémas de maillage pour calculer le GCI ; ainsi, le facteur de sécurité est de 1,25), \({\text{r}}\) est le facteur de raffinement du maillage, et \(p\) est la précision de convergence, qui est de 1,97.

Le maillage a été utilisé pour mailler le modèle 3D construit et diviser les schémas de maillage (A–D, 800 000–3 000 000 unités). Simultanément, lorsque le maillage est raffiné, une valeur de réduction constante est maintenue dans les trois directions de coordonnées. Le schéma de maillage est présenté dans le tableau 1 (a). Selon le programme de calcul, la valeur GCI a été calculée en utilisant la valeur de concentration de poussière de 1500 points dans la zone d'extraction du charbon, comme indiqué dans le tableau 1 (b). Les résultats montrent qu'en affinant continuellement le maillage, les valeurs \(\varepsilon_{rms}\) et GCI basées sur la concentration de poussière \(c\) diminuent progressivement. Une croyance générale est que plus le nombre de mailles est dense, plus la solution numérique est proche de la solution exacte, et plus l'erreur de troncature et le GCI sont petits; lorsque les GCI de deux maillages continus sont tous les deux inférieurs à 0,5%, le maillage est considéré comme convergent. Les valeurs de GCI dans les conditions C et D étaient de 0,49 % et 0,37 %, respectivement, et inférieures aux normes nominales. La valeur GCI du schéma D est encore réduite sur la base du schéma C, indiquant que le maillage divisé atteint l'indépendance du maillage.

Le maillage divisé a été importé dans FLUENT et les paramètres ont été définis. Les conditions aux limites et les paramètres de source de poussière définis dans la simulation numérique ont été définis en fonction des conditions de fonctionnement réelles sur site. La vitesse du flux d'air à l'entrée d'air a été obtenue en calculant la valeur moyenne après plusieurs mesures sur le site avec un anémomètre. Les paramètres de la source de poussière ont été recueillis sur place à l'aide d'un échantillonneur de poussière et d'une membrane filtrante contenant de la poussière. La méthode de pesée de la membrane filtrante a été utilisée pour mesurer la concentration de poussière et la méthode des particules a été utilisée pour mesurer la taille des particules de poussière. Dans la simulation, l'air circulant au fond du trou a été considéré comme un fluide incompressible et le champ de température est resté inchangé. L'allée d'air d'admission a été définie comme entrée de vitesse. L'allée de retour d'air a été définie comme sortie de pression pour s'assurer qu'aucun phénomène de refoulement ne se produise pendant la simulation. Décrire les quatre inclinaisons de la surface de travail en modifiant l'amplitude de l'accélération gravitationnelle Voir le tableau 2 pour les paramètres détaillés.

Pour vérifier la faisabilité et l'exactitude des résultats de la simulation, des mesures de données ont été effectuées sur un front minier entièrement mécanisé avec une inclinaison du front de 40°. Le TSI-9545 a été utilisé pour mesurer la vitesse du flux d'air et l'AKFC. Un échantillonneur de poussière -92A a été utilisé pour mesurer la concentration de poussière. En raison de la situation réelle de travail sur site pour réduire la survenue d'accidents, la plage de mesure a été concentrée sur le trottoir. La hauteur de la ceinture respiratoire a été utilisée comme exemple pour la comparaison des données. Un total de 20 points d'observation de la vitesse de l'air et de la concentration de poussière ont été définis, et les coordonnées étaient (4.6,1.7,2.7), (10.6,1.7,2.7), (16.6,1.7,2.7), (22.6,1.7,2.7), (28.6,1.7,2.7), (34.6,1.7,2.7), (40.6,1.7,2.7), (46.6,1.7,2.7), (52.6,1.7,2.7), (58.6,1.7,2.7), (64.6 ,1.7,2.7), (70.6,1.7,2.7), (76.6,1.7,2.7), (82.6,1.7,2.7), (88.6,1.7,2.7), (94.6,1.7,2.7), (100.6,1.7 ,2.7), (106.6,1.7,2.7), (112.6,1.7,2.7) et (118.6,1.7,2.7), avec un intervalle de 6 m. Chaque point de mesure a été mesuré plusieurs fois et la valeur moyenne a été comparée aux résultats de simulation pour vérification. Les résultats de la Fig. 3 montrent que l'erreur relative entre les résultats de la simulation numérique de la concentration de poussière et de la vitesse de l'air et les données mesurées sur le terrain est inférieure à 10 %. Cette constatation indique que les résultats de la simulation numérique peuvent refléter de manière objective et précise la situation réelle du champ, ce qui prouve le modèle établi dans cette étude. Le modèle peut prédire avec précision les conditions sur site et analyser les lois de mouvement associées, qui ont un rôle théorique de guidage dans l'amélioration de la gestion globale de la poussière de travail.

Comparaison des données de simulation numérique et de mesure sur le terrain du front de taille entièrement mécanisé [(a) Vérification de la vitesse de l'air ; (b) vérification de la concentration de poussière).

Les caractéristiques du débit d'air du front de mine de charbon dans des conditions de ventilation en forme de "U" sont illustrées à la Fig. 4. La couleur représente la vitesse de l'air, la ligne représente la trajectoire d'écoulement du courant d'air, la flèche représente la direction vectorielle de la vitesse , et la légende est l'échelle de mesure de la vitesse de l'air.

À 0° d'inclinaison du front de travail, la trajectoire du vent est décalée à X = 22,5 m, Z = 1,5 à 2,5 m, et au trottoir X = 34,3 à 64,2 m, Z = 1,1 à 1,9 m ; il forme une largeur d'environ 0,67 m, la vitesse de l'air est d'environ 1,81 à 2,16 m/s en raison de la perturbation du vent turbulent coupé par le tambour de cisaillement ; le flux de vent s'écoule dans la zone non exploitée sous un angle de 25° à 30° et se situe au niveau du pilier de support hydraulique X = 50,2 m. Il se jette dans le trottoir, ce qui fait que la largeur locale de la ceinture de courant de vent à grande vitesse atteint 1,2 m.

À une inclinaison du front de travail de 20°, la trajectoire du flux d'air est décalée à X = 23,1 m, Z = 1,6–2,6 m, et sur le trottoir X = 32,2–61,3 m, Z = 1,1–1,8 m ; la largeur est d'environ 0,62 m ; la vitesse de l'air est d'environ 1,82 à 2,23 m/s en raison de la perturbation du vent turbulent coupant par le tambour de cisaillement ; le flux de vent s'écoule dans la zone non exploitée sous un angle de 27° à 34° et s'écoule à nouveau dans le trottoir au niveau du pilier de support hydraulique X = 49,6 m, ce qui fait que la largeur locale de la ceinture de courant de vent à grande vitesse atteint 1,05 m .

À une inclinaison du front de taille de 40°, la trajectoire du flux de vent est décalée à X = 24,4 m, Z = 1,9–2,9 m, et sur le trottoir X = 31,4–59,9 m, Z = 1,1–1,7 m ; la largeur est d'environ 0,55 m ; la vitesse de l'air est d'environ 1,82 à 2,24 m/s en raison de la perturbation du vent turbulent coupé par le tambour de cisaillement ; le flux de vent s'écoule dans la zone non exploitée sous un angle de 35° à 45° et s'écoule à nouveau dans le trottoir au niveau du pilier de support hydraulique X = 48,3 m, ce qui fait que la largeur locale de la ceinture de courant de vent à grande vitesse atteint 0,64 m .

À une inclinaison de la face de travail de 60 °, la trajectoire du flux d'air est décalée à X = 27,7 m, Z = 2,05–3 m et sur le trottoir X = 29,8–58,1 m, Z = 1,1–1,65 m, et la largeur de la formation est d'environ 0,45. M. La vitesse de l'air est d'environ 1,83 à 2,25 m/s. En raison de la perturbation du tambour de cisaillement coupant le vent turbulent, le flux de vent s'écoule dans la zone non exploitée sous un angle de 45° à 50° et s'écoule à nouveau dans le trottoir au niveau du pilier de support hydraulique X = 43,2 m, ce qui donne la largeur locale de la ceinture de courant de vent à grande vitesse atteignant 0,57.

Rendus de flux de vent à différents angles d'inclinaison (α = 0°, 20°, 40°, 60°).

En résumé, le flux d'air dans la voie d'entrée d'air est divisé en flux d'air de trottoirs et de conduits de câbles après l'entrée dans le front de taille. Les points d'inflexion du flux d'air du conduit de câbles dans le trottoir sous différents angles d'inclinaison de la face de travail diffèrent, et le flux de vent dévie deux fois à mesure que l'inclinaison de la face de travail augmente. La distance entre les points tournants est progressivement réduite; simultanément, avec l'augmentation de l'inclinaison du front de taille, le flux de vent induit par le vent turbulent est coupé, l'angle d'inclinaison vers le haut dans la zone inexploitée augmente progressivement et la largeur de la zone de flux de vent à grande vitesse est réduite de 1,2 à 0,57 m, mais la vitesse maximale de l'air augmente progressivement de 2,16 à 2,25 m/s.

Le plan Y = 2,8 m entre le toit et le tambour avant de la cisaille et l'échelle de temps du front de taille entièrement mécanisé ont été analysés. La loi de dispersion et de migration des poussières est illustrée à la Fig. 5, où la couleur représente la concentration en masse de poussière, et la légende montre l'échelle de mesure de la concentration en masse de poussière. Les étapes de l'analyse ont été les suivantes :

Chronogramme de la répartition de la dispersion des poussières au front de taille Y = 2,8 m (T = 20, 30, 40, 60, 100S).

Une fois les poussières générées, elles se diffusent progressivement sous le vent du front de taille sous l'influence du courant de vent. De plus, plus l'inclinaison de la face de travail est grande, plus la plage de dispersion de la poussière est grande. La source de poussière du cadre mobile est la même que le flux d'air, et elle est divisée en deux parties dans la surface de travail : l'espace de travail de la goulotte et l'espace du trottoir. Lorsque T = 20–40S, la gamme des sources de poussière à haute concentration reste fondamentalement inchangée sous l'inclinaison de chaque face de travail. Lorsque le temps dure jusqu'à T = 60–100S, la poussière du côté du trottoir est affectée par le flux de vent et se déplace dans la direction négative de Y. En migration, la poussière dans le chemin de câbles se déplace dans la direction Y, et le mouvement tendance augmente avec une augmentation de l'inclinaison de la surface de travail. De plus, la poussière produite par la coupe au tambour est perturbée par le vent turbulent de la coupe et se diffuse jusqu'au trottoir. Lorsque T = 100S, l'état de dispersion de la poussière a tendance à être stable.

Les étapes de l'analyse comparative de la loi de migration des poussières de coupe sont les suivantes :

À une inclinaison du front de taille de 0°, près de l'étai hydraulique X = 41,52 m, la poussière commence à se répandre progressivement sur le trottoir, ce qui forme des amas de poussière d'une longueur d'environ 21,93 m, d'une largeur moyenne d'environ 1,3 m et d'une concentration moyenne d'environ 634,56 mg/m3. Avec l'augmentation de la hauteur, les amas commencent à montrer des amas de poussière "en forme de points" à Z = 2,7 m.

À une inclinaison du front de taille de 20°, près de l'étai hydraulique X = 41,26 m, la poussière commence à se répandre progressivement sur le trottoir, formant une poussière d'une longueur d'environ 33,38 m, d'une largeur moyenne d'environ 1,54 m et d'une concentration moyenne d'environ 746,04 mg/m3 sur le trottoir. Des amas de poussière "en forme de points" commencent à apparaître à Z = 2,74 m.

À une inclinaison du front de taille de 40°, près de l'étai hydraulique X = 41,22 m, la poussière se répand initialement progressivement sur le trottoir, formant une poussière d'une longueur d'environ 42,47 m, d'une largeur moyenne d'environ 1,74 m et d'une concentration moyenne d'environ 823,47 mg/m3. Des amas de poussière "en forme de points" commencent à apparaître à Z = 2,8 m.

À une inclinaison du front de taille de 60°, près de l'étai hydraulique X = 40,02 m, la poussière se répand initialement progressivement sur le trottoir, formant des amas de poussière d'une longueur d'environ 65,04 m, d'une largeur moyenne de 1,9 m et d'une concentration moyenne d'environ 910,56 mg/m3 sur le trottoir, qui remplissait tout le trottoir.

En résumé, à mesure que l'inclinaison du front de taille augmente, la poussière dans l'espace se rapproche de la cisaille lorsque la poussière pénètre sur le trottoir ; la longueur, la largeur et la hauteur de l'amas de poussière à haute concentration formé sur la face de travail augmenteront en conséquence. De plus, la concentration en masse de poussière est passée de 634,56 à 910,56 mg/m3. La raison de cette découverte est qu'avec l'augmentation de l'angle d'inclinaison de la face de travail, l'angle d'inclinaison vers le haut du flux de vent après avoir coupé le vent turbulent et la ventilation du système augmente, et la vitesse de l'air augmente. qui favorise le mouvement de la poussière, mais pas pour que la poussière se dépose ; ainsi, plus l'inclinaison de la surface de travail est grande, plus la proportion de poussière dans tout l'espace de travail est grande.

La figure 6 montre la distribution spatiale des particules de poussière dans les mines de charbon dans des conditions de ventilation en forme de "U". la concentration des particules de poussière est représentée dans différentes couleurs et la taille des sphères représente le diamètre des particules de poussière. La taille de la concentration en masse de poussière est représentée par la légende susmentionnée.

Carte de répartition spatiale de la dispersion des particules de poussière (α = 0°, 20°, 40°, 60°).

Les étapes de l'analyse sont les suivantes :

La génération de poussière du cadre mobile, combinée à celle des Fig. 4 et 5, montre que le groupe de poussières à haute concentration au niveau du châssis mobile est divisé en deux parties. La vitesse de dispersion du groupe de poussière à haute concentration sur le trottoir était inférieure à celle du côté de la goulotte, car les vitesses de l'air des deux côtés du pilier de support hydraulique diffèrent ici, et la vitesse de l'air du côté du câble est supérieure à la vitesse de l'air sur le trottoir, ce qui favorise la diffusion des poussières. Avec l'augmentation continue de l'inclinaison de la face de travail, la tendance au tassement des amas de poussière à haute concentration est considérablement réduite.

Lorsque l'inclinaison du front de taille est de 0°, un amas de poussière à haute concentration avec une concentration moyenne de masse de poussière de 1064,26 mg/m3 se forme dans la zone X = 34,6–64,56 m, Y = 3,6–5,9 m, Z = 1,8 à 2,7 mètres ; lorsque l'inclinaison de la face de travail est de 20°, une masse de poussière à haute concentration avec une concentration moyenne de masse de poussière de 1098,44 mg/m3 se forme dans la zone de X = 34,6–70,06 m, Y = 3,3–5,9 m, Z = 1,8– 2,75 m; lorsque l'inclinaison de la face de travail est de 40°, à X = 34,6–83,71 m, Y = 2,7–5,9 m, Z = 1,8–2,75 m, une masse de poussière à haute concentration avec une concentration moyenne de masse de poussière de 1108,28 mg/m3 sera formé; à une inclinaison du front de travail de 60°, à X = 34,6–112,47 m, Y = 2,3–5,9 m, Z = 1,8–2,8 m, la zone forme un amas de poussière à haute concentration avec une concentration moyenne en masse de poussière de 1075,73 mg/m3. Par conséquent, lorsque l'inclinaison de la surface de travail augmente, la plage de grappes de poussière à haute concentration, le temps de suspension et la plage de tassement augmentent progressivement.

En résumé, ce résultat est dû à la vitesse des poussières générées par gravité dans l'espace, à la vitesse de génération du vent, et à la vitesse de la partie des poussières générées par le tambour coupant le vent turbulent. Les trois vitesses sont combinées dans le vecteur vitesse. Cependant, en raison de la faible masse de poussière, la vitesse verticale générée par la gravité peut être ignorée. Lorsque la vitesse générée par le vent turbulent de coupe reste la même, plus l'angle d'inclinaison de la surface de travail est grand, plus l'angle entre la vitesse de la poussière le long de l'axe X et de la surface de travail, et plus la somme de la vitesse de la poussière et de l'angle d'inclinaison de la surface de travail est grande. Dans ce cas, plus l'angle d'inclinaison est grand, plus l'effet de poussière est évident, plus le temps de suspension de la poussière sur la surface de travail est élevé et plus la distance de dispersion augmente.

La carte de contour de la distribution de la concentration de la masse de poussière à la hauteur de la zone de respiration du visage de travail dans des conditions de ventilation en "U" est illustrée à la Fig. 7, où la couleur représente la concentration de la masse de poussière et la taille de la concentration de la masse de poussière est représenté par la légende en bas à droite. Les lignes noires en boucle fermée de la Fig. 7 sont les courbes de niveau de concentration de la masse de poussière. La figure 8 montre le diagramme de courbe d'ajustement de la tendance de dispersion de la poussière du trottoir à différents angles d'inclinaison de la face de travail, plusieurs triangles sont des diagrammes de dispersion de la concentration de masse de poussière, et la ligne rouge et la ligne verte représentent les premier et deuxième segments de la courbe d'ajustement.

Carte des contours de la répartition de la concentration en masse de poussières à la hauteur de la zone respiratoire (α = 0°, 20°, 40°, 60°).

Diagramme de la courbe d'ajustement de la tendance à la dispersion des poussières de trottoir sous différents angles d'inclinaison du front de taille (α = 0°, 20°, 40°, 60°).

Plus l'inclinaison de la surface de travail est grande, plus la zone de diffusion des poussières dans la zone de respiration est grande. À 0° d'inclinaison du front de travail, la masse de poussière à haute concentration est de 29,96 m ; à 20° d'inclinaison du front de travail, la masse de poussière à haute concentration est de 35,46 m ; à 40° d'inclinaison du front de travail, la masse de poussière à haute concentration est de 49,11 m ; au front de travail de 60°, sous l'angle d'inclinaison, la masse de poussières à haute concentration est de 77,87 m ; et à différents angles d'inclinaison du front de taille, la tendance des amas de poussière à forte concentration à se diffuser sur le trottoir augmente avec l'augmentation de l'angle d'inclinaison du front de taille. Par conséquent, lorsque la protection contre la poussière est effectuée, l'influence de l'inclinaison de la face de travail sur la dispersion de la poussière doit être prise en compte. Plus l'angle d'inclinaison est grand, plus la plage de protection contre la poussière est grande. Cela rend la protection plus difficile et augmente la menace pour la santé physique et mentale des travailleurs. Sur la base de ce contexte, l'ajustement de la courbe de la concentration massique de poussière de la zone respiratoire du trottoir y et de la longueur x du front de taille est illustré à la Fig. 8. La relation mathématique entre la concentration massique de poussière de la zone respiratoire du trottoir et la longueur du front de travail x , pour différentes conditions d'inclinaison du front de taille est la suivante :

Lorsque l'inclinaison de la face de travail est de 0°,

Lorsque l'inclinaison de la face de travail est de 20°,

Lorsque l'inclinaison de la face de travail est de 40°,

Lorsque l'inclinaison de la face de travail est de 60°,

Lorsque x = 53,96 est le point de démarcation, il y a un état de volatilité avant ce point, principalement parce que ce point se confond avec la poussière produite par le tambour avant de la cisaille au milieu du trottoir, provoquant une augmentation de la concentration de poussière à ce point soudainement et à mesure que l'inclinaison de la face de travail augmente, la concentration de masse de poussière à ce stade augmente progressivement, à mesure que l'inclinaison de la surface de travail augmente, la poussière est plus affectée par le vent turbulent coupant et l'inclinaison du nouveau flux de vent formé après mélange avec le vent normal, le débit de la surface de travail augmente progressivement, entraînant une longue période de suspension et d'accumulation de poussière. Par la suite, la concentration de masse de poussière montre une tendance à la baisse, mais à mesure que l'angle d'inclinaison de la face de travail augmente, la tendance à la baisse des particules de poussière diminue progressivement et le temps de suspension sur la face de travail augmente. Grâce à cette formule adaptée, l'accent mis sur la prévention et le contrôle de la poussière peut être amélioré de manière appropriée, et il a une importance pratique pour la prévention et le contrôle de la poussière et la réduction de l'apparition de la pneumoconiose.

Les résultats de la simulation numérique montrent que le modèle de dispersion de la poussière du front de taille complet de l'exploitation minière est relativement compliqué, en raison de l'influence du vent turbulent de la coupe de la cisaille qui entraîne la poussière générée par le tambour avant de la cisaille étant enveloppé dans le front de taille. flux de vent et pénétrant dans l'espace inexploité à différents angles d'incidence, provoquant ainsi une accumulation différente des amas de poussière à forte concentration dans le trottoir. Selon cette situation, le système de contrôle de la poussière fermé de suivi du rideau d'air est conçu comme illustré à la Fig. pour former un rideau de vent barrière, de sorte que le trottoir soit isolé de la zone d'exploitation de l'extraction du charbon, et que la vitesse de l'air soit détectée par le capteur de vitesse de l'air, et que le volume de vent de la machine à rideau de vent soit contrôlé par le dispositif de commande de vitesse de conversion de fréquence , pour obtenir une meilleure isolation de la poussière.

Schéma de l'équipement du système de contrôle de la poussière fermé de suivi du rideau d'air.

Dans l'analyse ci-dessus, l'angle d'incidence est de 25°–30° et 27°–34° pour une inclinaison de face de 0° et 20° respectivement, et la vitesse de l'air est maintenue à 1,81–2,23 m/s. L'angle d'incidence et la position de la poussière pénétrant sur le trottoir sont similaires, c'est pourquoi un système de contrôle de la poussière est mis en place pour les deux cas, tandis que pour une inclinaison de face de 40° et 60°, l'angle d'incidence et la position de la poussière pénétrant sur le trottoir diffèrent. significativement. Par conséquent, pour différents angles d'inclinaison de la poussière dans l'angle et la position du trottoir, la conception de trois programmes de contrôle de la poussière de machine à rideau de vent, où deux machines à rideau de vent adjacentes avec l'opération. Le diagramme de réglage du rideau de vent est illustré à la Fig. 10

Lorsque le flux de vent pénètre dans le front de taille de l'exploitation minière complète depuis la voie d'entrée, le flux de vent est dévié, dont une partie s'écoule dans le trottoir et l'autre partie s'écoule dans la goulotte de câble. Lorsque l'inclinaison de la face de travail est de 0° et 20°, la vitesse de l'air est faible et le flux du vent est influencé par le pilier hydraulique, ce qui entraîne un angle de déviation du vent plus petit et la tendance de la poussière transportée par le cadre mobile à entrez le trottoir est petit. La poussière produite par le rouleau avant de la machine d'extraction de charbon se situe à la hauteur de la zone de respiration, ce qui constitue un grave danger, et est influencée par le vent turbulent de coupure qui s'écoule vers le trottoir et la zone inexploitée à un angle d'incidence de 25 ° à 34°, de sorte que les rideaux de vent n° 21, 22, 23, 24, 25 et 26 sont activés, et un rideau de vent de + 5° est formé dans le sens de marche de la machine d'extraction de charbon pour ajuster la direction de le flux de vent, et en même temps, le capteur de vitesse de l'air est combiné pour ajuster la vitesse du rideau de vent est ajusté en combinaison avec le capteur de vitesse de l'air pour modifier la tendance du transport de la poussière vers le trottoir et améliorer l'environnement de travail sur le front de travail .

Lorsque l'angle d'inclinaison de la face de travail est de 40°, la tendance de la poussière transportée par le flux de vent dans le trottoir augmente évidemment, et la poussière transportée par la poussière est concentrée à proximité du toit, et la plage de diffusion augmente en raison de la effet du courant ascendant. Le rideau de vent est formé dans la direction de + 10° pour réguler la direction du flux de vent, et la vitesse du rideau de vent est ajustée en combinaison avec le capteur de vitesse de l'air pour contrôler la tendance du transport de la poussière et améliorer l'environnement de travail à le visage de travail.

Lorsque l'angle d'inclinaison de la face de travail est de 60°, la poussière est concentrée près de la plaque supérieure et la tendance au mouvement latéral et vertical augmente considérablement, ainsi le rideau de vent n° 7, 8, 10, 11, 13, 14, 16 et 17 sont activés pour former un rideau de vent vertical pour interdire au flux de vent de pénétrer sur le trottoir avec la poussière ; le flux de vent est soumis au vent turbulent coupé par le tambour devant la cisaille sous un angle d'incidence de 45° à 50° et s'écoule vers le trottoir et la zone non exploitée. Lorsqu'une large gamme de nuages ​​de poussière fortement encombrés se forme, les rideaux d'air 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 et 30 sont activés et un rideau de + 15° dans la direction de la cisaille Le fonctionnement est formé pour réguler la direction du flux du vent, tandis que la vitesse du rideau est ajustée en conjonction avec le capteur de vitesse de l'air pour contrôler la tendance au transport de la poussière et améliorer l'environnement de travail sur le front de travail.

Schéma de réglage du rideau de vent.

Avec l'augmentation de l'inclinaison du front de taille, l'inclinaison vers le haut du flux d'air dans la zone non aménagée augmente progressivement de 25° à 50°, et la vitesse maximale du vent du trottoir augmente progressivement de 2,16 à 2,25 m/s, et la largeur diminue de 1,2 à 0,57 m.

Lorsque l'inclinaison du front de taille augmente, sous l'influence du vent turbulent coupant et de la ventilation du système, la poussière est accélérée du côté du trottoir. Pendant ce temps, la gamme d'amas de poussière à haute concentration, le temps de suspension, l'intensité de la migration latérale et la zone de dépôt augmentent à des degrés divers ; le volume des amas de poussière passe de 62,02 à 202,46 m3.

Sous les inclinaisons du front de taille de 0°, 20°, 40° et 60°, Lorsque X < 53,96 m, la concentration de poussière dans la zone de respiration du trottoir présente une fonction sinusoïdale avec la longueur du front de taille, et lorsque X ≥ 53,96 m, il satisfait la fonction de décroissance exponentielle.

La technologie de dépoussiérage fermé à rideau d'air est proposée. Selon les différents angles de décalage du flux de vent et la position de collecte de la masse de poussière à haute concentration sous l'inclinaison de la surface de travail, l'angle du rideau d'air et la vitesse de l'air sont automatiquement suivis et contrôlés par le dispositif de contrôle infrarouge, pour contrôler la tendance au transfert de poussière vers le front de taille et s'assurer que la poussière est contrôlée autant que possible du côté de la goulotte.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Ce travail a été soutenu financièrement par la National Natural Science Foundation of China (Grant no. 52274215, 51904171, 52004150), le Qingchuang Science and Technology Project of Universities in Shandong Province, China (Grant no. 2019KJH005) et le Outstanding Young Talents Project de l'Université des sciences et technologies du Shandong (subvention n° SKR22-5-01).

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Correspondance à Biao Sun.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

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Reçu : 02 juillet 2022

Accepté : 15 septembre 2022

Publié: 05 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-20606-9

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