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第 43 卷第 10 期煤 炭 学 报Vol. 43 No. 10 2018 年10 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct. 2018 移动阅读 伍永平,胡博胜,解盘石,等. 大倾角工作面飞矸冲击损害及其控制J. 煤炭学报,2018,43102694-2702. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2017. 1282 WU Yongping,HU Bosheng,XIE Panshi,et al. Impact damage of flying gangue in steeply dipping seams and its control J. Journal of China Coal Society,2018,43102694-2702. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2017. 1282 大倾角工作面飞矸冲击损害及其控制 伍永平1,2,胡博胜1,解盘石1,2,李少华3,皇甫靖宇1 1. 西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054; 2. 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西 西安 710054;3. 陕西地矿第二综合物探 大队,陕西 西安 710016 摘 要飞矸具有动态运移、危害巨大的特点,合理控制其损害是大倾角煤层安全开采的前提之一。 基于卡尔曼滤波原理获取飞矸的冲击能特性,以挡矸网为控制元件,多手段综合研究了飞矸的冲击 损害机制及控制元件参数,提出了一种飞矸冲击损害控制方法。 研究结果表明飞矸碰撞设备时冲 击能耗损为多种形式的能量,其中设备的变形能占比最大;飞矸碰撞设备前的冲击能和设备的冲击 能恢复系数共同影响飞矸冲击能的耗损程度,由此飞矸损害控制可以从提高设备的冲击能恢复系 数和降低飞矸的冲击能两方面入手。 LS-DYNA 数值碰撞模型确定了大倾角大采高工作面控制元 件参数为涤纶直径 6 mm,菱形网格大小 100 mm100 mm。 将控制元件应用于现场,降低了飞矸伤 人毁物事故的次数,改善了防护设备使用周期短的问题。 关键词大倾角煤层;飞矸灾害;卡尔曼滤波;LS-DYNA 碰撞模型;防护参数 中图分类号TD771;TD823 文献标志码A 文章编号0253-9993201810-2694-09 收稿日期2017-09-19 修回日期2017-12-08 责任编辑毕永华 基金项目国家自然科学基金重点资助项目51634007;国家自然科学基金资助项目51774230;陕西省自然基础研究计划资助项目 2016JQ5019 作者简介伍永平1962,男,陕西汉中人,教授,博士生导师。 E-mailwuyp xust edu cn 通讯作者胡博胜1991,男,陕西西安人,博士研究生。 E-mail903107623 qq com Impact damage of flying gangue in steeply dipping seams and its control WU Yongping1,2,HU Bosheng1,XIE Panshi1,2,LI Shaohua3,HUANGFU Jingyu1 1. School of Mineral Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China; 2. Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention Ministry of Education,Xi an710054,China; 3. The No. 2 Comprehensive Geophysical Prospecting Brigade Shaanxi Geological Min- ing,Xi an 710016,China AbstractFlying gangue has the characteristics of dynamic migration and enormous detriment. Reasonably con-trolling its damage is one of the prerequisites for the safe mining of steeply dipping coal seam. In this paper,based on the Kal- man filter principle,the dynamic characteristics of flying gangue were obtained,the mechanism of flying gangue haz- ards and the parameters of control element were studied,and a ology about flying gangue damage control was proposed. The results show that when the flying gangue collides with facilities,its impact energy can be dissipated into various s of energy,of which the deation energy of the facility accounts for the largest amount. The impact en- ergy of flying gangue before collision and the recovery coefficient of impact energy of equipment jointly affect the de- gree of flying gangue energy-loss. Therefore,the flying gangue damage control can be started from two aspects,inclu- ding increasing the impact energy recovery coefficient of facilities and reducing the impact energy of flying gangue. Pa- rameters of the control element for working face in steeply dipping coal seam with large mining height were determined by LA-DYNA,the diameter of the polyester was 6 mm and the size of the diamond mesh was 100100 mm. Then the 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期伍永平等大倾角工作面飞矸冲击损害及其控制 control element was applied in field,the number of casualties caused by flying gangue was reduced and the problem of short usage period was effectively improved. Key wordssteeply dipping coal seam;flying gangue hazard;Kalman filter;LS-DYNA collision model;protective pa- rameters 大倾角煤层由于倾角较大,开采此类煤层时与水 平和缓倾斜煤层有许多差异,例如顶板结构、工作面 布置以及衍生灾害等。 众多学者对顶板结构和工作 面布置开展了研究,取得的成果基本上保证了此类煤 层的正常开采1-6。 随着机械化程度和安全意识的 提高,大倾角煤层开采过程中一种衍生灾害危害逐渐 凸显 飞矸灾害7-8。 由于大倾角工作面上下端 高差大,飞矸脱离母体后在重力下加速向长壁工作面 下部运移,冲击人或设备时损伤的危害巨大。 众多矿 井飞矸灾害毁物伤人事故频繁发生,经济损失严 重7-13。 目前,飞矸灾害的治理主要集中在优化采煤工 艺和改进防护设备,两者均存在一定的优势和弊 端8;代表性的防护设备有挡矸网、挡矸板、挡矸 门以及具有立体防护功能的防矸液压支架7,9-13。 但防护设备普遍存在的缺陷是基于静态观点求解 和推演防护设备参数,且大多使用类比法、经验设 计法,人为主观因素占比重,很少考虑飞矸损害的 动态特性对防护设备的影响。 因此,目前的防护设 备通常在工作面使用周期短、更换频率高,进一步 增加了矿井的成本。 笔者之前对飞矸的形成、运移和损伤全过程进行 了系统的研究,提出飞矸具有强动态性和随机性,以 及冲击能对其损物伤人影响显著的观点。 在此基础 上,借助卡尔曼滤波算法在动态系统状态序列处理的 优势,综合运用物理相似模拟实验、数值计算以及现 场验证等手段,以挡矸网为控制元件,研究飞矸的冲 击损害机制及控制元件参数,提供一种适用于大倾角 大采高以下简称“双大”工作面的飞矸冲击损害控 制方法。 为类似地质条件和生产工艺工作面的飞矸 损害控制提供借鉴。 1 飞矸冲击实验 1 1 实验布局 图 1 为自行研制的飞矸形成,运移和损伤全过程 监测系统,具体特征见文献8。 物理相似模拟实验 平台长2 m,实际的大倾角倾斜长壁工作面长105 m, 实验中飞矸的几何相似比应与工作面长度几何相似 比保持一致。 综合考虑各因素确定本次实验的几何 相似比 Cl50,时间相似比 Ct C l 1/2 7 07。 平台上 布置金属制液压支架,架前为煤壁。 选用 v411 型高 速摄像机记录飞矸运移过程,保存为视频文件,高速 摄像机配套的 PCC 软件支持飞矸运移视频的回放和 分帧。 图 1 飞矸运移监测系统 Fig 1 Monitoring system for flying gangue migration 1 2 实验方案 实验以“双大”工作面为背景,倾角 44,开采中 煤壁易片帮,且呈现滑冒、范围广、蔓延性等特点。 片 帮占“双大”工作面随机分离体煤壁片帮、冒顶、底 板滑移和煤机甩煤等形式产生的煤、岩块 总量的 60 70;而且随机分离体脱离母体后的运移状态 和致灾过程基本相同。 因此,简化工作面实际生产条 件,实验着重研究煤壁片帮形式衍生的飞矸灾害的冲 击损害特点。 工作面位置不同,衍生飞矸的冲击能和损害程度 存在显著差异,已通过数值计算手段证实工作面上部 区域衍生的飞矸危害程度最为突出7。 为了使控制 元件具有足够的冲击损害承受能力,以飞矸损伤最大 化原则确定实验参数和抛矸流程如下,其中飞矸材 料是采集自工作面现场的煤样,飞矸尺寸通过实测煤 壁片帮块度的加权均值换算得出图 2。 飞矸抛掷 位置靠近工作面回风巷,距底板垂直高度 9 cm,以自 由落体形式下落,冲击底板后进一步沿工作面运移。 5962 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 实验中飞矸与现场飞矸灾害形成,运移和损伤过 程运行状态和冲击过程的相似性,一方面通过模 拟煤层倾角、煤壁片帮、底板强度等固有属性实现;另 一方面安装模型液压支架保证设备配套与尺寸和工 作面实际一致。 为了避免飞矸运移随机性对实验结 果的影响,进行重复实验,直到找出飞矸冲击能的动 态损伤特性规律为止。 图 2 飞矸的尺度及形态 Fig 2 Lumpiness and shape of flying gangue 2 基于卡尔曼滤波的飞矸动态特性 2 1 卡尔曼滤波原理及在图像处理领域优势 卡尔曼滤波器是由 KALMAN 于 1960 年提出的 用于时变线性系统的递归滤波器,是一个对动态系统 状态序列进行线性最小方差估计的算法。 基本思想 如式1和2所示采用信号测量值与噪声测 量误差的状态空间模型,用 t-1 时刻的估计值和 t 时刻的观测值来更新对状态变量的估计,求出 t1 时 刻的估计值,它以“预测实测修正”的顺序递推, 根据系统的测量值来消除随机干扰,再现系统的状 态14。 Xt 1 Xt Wt1 Yt HXt Vt2 式中,Xt为系统在 t 时刻的状态;Yt为状态的观 测值;Wt为系统噪声,方差阵为 Q;Vt为观测噪 声,方差阵为 R; 为状态的转移矩阵;H 为观测矩 阵;为系统的噪声驱动矩阵。 在图像处理领域卡尔曼滤波常被用来进行图像 分割、图像复原、边缘监测以及动态目标监测等。 动 态目标监测是采用运动目标与背景状态空间模型,以 坐标为状态变量,用 t-1 时刻运动目标的坐标估计值 和 t 时刻运动目标坐标的观测值来更新对状态变 量坐标的估计。 循环递推,实现动态目标的监测 与跟踪。 2 2 飞矸冲击能获取方法 考虑到飞矸的动态运移特征,结合运用二值图像 和动态背景差分技术15。 编制 MATLAB 程序,以获 得飞矸运移过程坐标点信息,实现对飞矸形成,运移 和损伤全过程的监测。 运动目标边缘的监测则是利 用物体和背景在某种图像特性上的差异来实现的,这 些特性包括灰度、颜色或纹理等,本程序中选取灰度 为差异特性进行图像边缘的监测。 自编制程序的界面如图 3 所示,图 3a中所示 的绿色捕捉点能够检测到飞矸黑色实心体的边 缘,捕捉点较好地反映了飞矸质心的位置。 图 3b 为飞矸坐标点监测结果,监测曲线整体上光滑且连 续,但有个别坐标点缺失,可能的原因是在这些坐标 处由于像素、光线或重影等因素造成检测点漏测。 但 是缺失的坐标点对于飞矸的动态特性影响巨大,因 此,运用样条插值法对缺失点的坐标进行补充,样条 插值法的优点是插值后任意两个相邻的坐标点以及 它的导数速度在缺失点处均连续。 插值完成后, 坐标曲线是一条光滑曲线,飞矸坐标获取后,其冲击 能求法见式3 E miC5 l 4C2 t yt1 - y t 2 xt1- xt 2 t 1 - t 2 3 式中,E 为飞矸的冲击能,kJ;xt为 t 时刻飞矸的 x 坐 标,m;xt1为 t1 时刻的 x 坐标,m;yt为 t 时刻的 y 坐标,m;yt1为 t1 时刻的 y 坐标,m;mi为飞矸第 i 次碰撞底板后的质量,kg。 图 3 飞矸运移监测程序界面 Fig 3 Interface of monitoring program of flying gangue migration 2 3 冲击能特性分析 实验次数50 次时,发现飞矸与支架在工作面碰 撞的危害是不言而喻的。 由于篇幅限制,图 4 列举出 6962 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期伍永平等大倾角工作面飞矸冲击损害及其控制 了系列重复实验中第 17,22 和 28 次飞矸形成、运移 并与支架碰撞的冲击能动态演化曲线。 图 4 飞矸的冲击能演化特征 Fig 4 Evolutive characteristics of flying gangues impact energy 图 4 所示的飞矸的冲击能演化特征曲线表明, “双大”工作面飞矸的冲击能在0 45 9 kJ。 其中,飞 矸在自由落体和飞溅状态末碰撞底板,曲线小幅度下 降,携带的冲击能部分损失。 随着向工作面下部运移 的持续,冲击能大体上增加,可知自由落体、飞溅、滑 动和滚动等状态飞矸冲击能总体上不断地累积,但是 冲击能极差增大,离散性增强,说明飞矸运移的随机 性加强。 与支架碰撞时飞矸的冲击能明显下降蓝色线 段所示,降低部分的冲击能转化为以支架变形能等 为主要形式的能量。 受工作面长度限制,运移至工作 面下部运输巷时逐渐停止,冲击能减少为 0。 重复实 验得出无防护条件下,飞矸自身携带的冲击能将大比 例传递给支架、刮板输送机、采煤机等设备,亦或者传 递给随机出现在工作面的操作人员,进而对设备或人 员造成相应程度的损伤。 3 冲击能的耗损与控制 3 1 冲击能耗损机制 飞矸运移过程中的极限冲击能一方面是防护设 备需承受的极限值;另一方面冲击能为标量,贯穿于 飞矸的整个运移过程,可以有效避免运移方向和环 境形成环境、运移环境及边界约束对其损伤风险 评估带来的不确定性和随机性。 假设飞矸沿工作面 倾斜向下与“三机”设备碰撞 k 次,则飞矸的冲击能 累积与耗损过程可用下式进行描述 E0 mgsin L h - g n i 1 mLi- n i 1 E- k j 1 Edj- k j 1 Eej- k j 1 Erj E k j 1 Ecj4 式中, L n i 1 Li,h n i 1 hi; E0为飞矸初始动能,kJ;m 为质量,kg;g 为重力常数,kg/ m3; 为倾角,;h 为 弹起下落高度,m;hi为第 i 次碰撞后弹起下落高 度,m; 为摩擦因数,无量纲;Li为第 i 次碰撞底板后 滑移距离,m;n 为碰撞底板次数;E为第 i 次碰撞底 板时飞矸耗损的冲击能,kJ;Edj,Eej,Erj和 Ecj分别为 第 j 次碰撞设备时飞矸冲击能耗损为耗散能、声,光, 电能、辐射能及设备变形能等的数值,kJ;E 为第 k 次 碰撞设备后冲击能,kJ。 由式4可知飞矸冲击能碰撞设备时损失为耗 散能、声能,光能,电能、辐射能以及支架的变形能, 是一个伴随多种能量累积与耗损的问题。 定量确 定 Edj,Eej,Erj和 Ecj的值,需要涉及众多的测量仪 器,做大量的岩石力学实验16-19,求解过程十分繁 琐。 因此,转换求解思路,做出下列推导,飞矸对静 止设备的反复碰撞,同样可以看作是以飞矸为静态 参照物,设备以不同冲击能对飞矸进行的非周期性 动力加载。 对于第 k 次碰撞设备的飞矸,碰撞前冲 击能 Ek 0为 Ek 0 E 0 mgL hsin - g n i 1 mLi- n i 1 E- k-1 j 1 Edj E ej E rj E cj 5 式4和式5联立可得 1 - E Ek 0 1 Ek 0 k j k Edj E ej E rj E cj 6 注意到设备的冲击能恢复系数 的物理含义为 飞矸第 k 次碰撞设备后的冲击能与碰撞前冲击能之 比8,即 E Ek 0 7 7962 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 则飞矸冲击能碰撞设备时设备吸收的变形能 Eck 满足 Eck Edk E ek E rk E ck 1 - Ek 0 Eck 1 - Ek 0 8 从式8可以得出设备吸收的变形能 Eck越大, 飞矸损失的能量相应越多;同时,设备吸收的变形能 Eck与其损害等级分段相关,这一结论笔者之前的研 究中已进行了验证8。 因此飞矸的冲击能耗损状 态冲击损害程度受其冲击能和设备的冲击能恢复 系数 共同影响。 3 2 冲击能控制方法 飞矸的冲击能和设备的冲击能恢复系数 共同 影响碰撞时飞矸的冲击损害程度,因此,飞矸损害控 制可以从提高设备的冲击能恢复系数和降低飞矸的 冲击能两方面入手。 具体方法如图 5 所示,当某次飞矸碰撞设备时携 带的的冲击能很大、而且碰撞方位、接触状态均良好 时,设备的冲击能恢复系数将很小,因此设备吸能的 状态就很好,相应的设备损坏的风险就越高,例如图 5 中高风险区 D。 为了控制飞矸损害程度,降低设备 损坏的等级,可以采取措施,提高设备的冲击能恢复 系数使飞矸的损伤风险从高风险区 D 移至中等风险 区 C,或者降低飞矸的冲击能,使高风险区 D 移至中 等风险区 B。 再进一步采取措施将损伤风险从中等 风险区 B,C 移至低风险区 A,从而彻底消灭飞矸的 损害风险。 图 5 飞矸损害等级区划及控制模式 Fig 5 Regionalization for damage risk of impact objects 在飞矸冲击能动态特性物理模拟实验测定的基 础上,下文以“双大”工作面飞矸灾害为例,以挡矸网 为控制元件,设计合理的控制元件参数对飞矸冲击损 害进行控制,控制元件参数确定流程如图 6 所示。 尽 管工程实际中会涉及各类地质条件和生产工艺特点 的飞矸损害控制问题,本节提供的方法依然可以很好 的适用。 图 6 挡矸网参数确定流程 Fig 6 Flow chart of blocking net parameters 3 2 1 控制元件的特点及布设 挡矸网是由一定直径的细绳扭结而成,沿大倾角 工作面倾斜方向悬挂,上端悬挂于支架顶梁,下端固 定于刮板输送机的溜槽内;挡矸网是阻挡飞矸从采煤 作业区运移至操作作业区的柔性编织物,起到隔离 “两区”,防止飞矸与人员或设备直接接触的作用。 挡矸网为柔性体,既能强行降低飞矸的冲击能,也可 以很好的隔绝飞矸与设备或人员的直接接触,挡矸网 正常发挥控制效果时,可以理想地认为设备的冲击能 恢复系数 为 1,此时飞矸冲击能损伤风险等级位于 风险区 A,设备的损伤风险最小。 挡矸网参数的合理 与否对于飞矸冲击损害的控制至关重要。 3 2 2 控制元件参数确定 LS-DYNA 软件是分析爆炸、碰撞及地震等非线 性接触问题的专业软件,用来计算飞矸碰撞防护网具 有独特的优势。 黄润秋基于正交设计对影响落石运 动特征的 6 个因素进行现场试验,研究发现落石形状 对碰撞恢复系数的影响很小,属于次要因素20。 现 场实测和模拟实验也表明有棱角非规则形状的飞 矸经过多次与底板的碰撞,以及在煤壁与设备形成的 双向约束空间运移的反复冲击后,飞矸的磨圆度和球 度均较好,为了不失结论的一般性,本节用球形飞矸 进行碰撞模拟;同时将物理模拟实验得到的飞矸冲击 特征用于数值计算碰撞模型中。 LS-DYNA 碰撞模型如图 7 所示,球形飞矸进行 六面体网格划分,涤纶质的菱形网采取梁单元进行划 分。 对碰撞模型的速度、边界条件、接触参数等特征 进行设置,力学参数见表 1。 决定挡矸网是否断裂失效的主要因素是单元体 中最大拉应变,即不论是单向应力或复杂应力状态, 只要单元体中的最大拉应变达到单向拉伸情况下发 生断裂失效时的拉应变极限值失效应变 f,材料 将失效21-22。 8962 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期伍永平等大倾角工作面飞矸冲击损害及其控制 图 7 LS-DYNA 碰撞模型 Fig 7 Collision model established by LS-DYNA 表 1 碰撞模型的力学参数 Table 1 Mechanical parameters of the collision model 材料 几何 形状 密度/ tm -3 弹性模 量/ GPa 泊松 比 屈服强 度/ MPa 失效应 变 f/ 飞矸球体2 502 60 210 涤纶质挡矸网菱形1 384 00 30720010 3 2 3 控制效果分析 从图 8 可以看出,飞矸碰撞挡矸网时,压缩阶段 和回弹阶段挡矸网的应变量大体上沿时间轴对称。 图 8 不同防护参数时挡矸网的应变量 Fig 8 Strain of blocking net under different protective parameters 随着冲击能的增大,应变量增大;冲击能相同时, 涤纶直径越大,应变量越小。 涤纶直径为 5 mm 时, 挡矸网的应变量均超出其失效应变 f,如图 8a所 示。 由此确定涤纶的直径为 6 mm 时,可对飞矸的冲 击能进行有效的控制。 图 8b 为涤纶直径 6 mm 时,不同网格大小挡矸网的应变量曲线,随着网格的 增大,应变量不断增加,网格大于 100 mm100 mm 时,挡矸网的应变量同样超出其失效应变 f。 但是, 需要说明的是网格同样不能太小,一方面原因是网格 太小增加了挡矸网的质量,不利于推溜、移架以及检 修工作的进行;另一方面网格太小,飞矸的“子弹效 应”加强,反而降低了挡矸网的防护效果23。 因此, 挡矸网的最佳网格大小确定为 100 mm100 mm,此 时飞矸的冲击损害能得到有效的控制。 图 9 不同涤纶直径和网格大小时,挡矸网的应力分布情况 Fig 9 Stresses distribution of blocking net when the diameter of polyester and the grid size is different 进一步地,对飞矸冲击时挡矸网的应力分布特征 进行研究,结果如图 9 所示,极限应力出现在飞矸与 挡矸网的接触区附近,且以“”型方式向网的边缘传 播,在网格的接触区域以及边界处发生应力集中,因 此,在以上区域挡矸网容易发生破坏。 涤纶的直径 6 mm,网格大小 100 mm100 mm 时挡矸网的极限应 力达到了 156 MPa,小于其屈服强度 200 MPa,应力 值在正常范围。 比较图 9a与b可以看出,网格 越小挡矸网能够承受的极限应力增大,对飞矸冲击损 害的控制能力更强;比较图 9b与c可以得出,涤 纶直径越大,挡矸网能够承受的极限应力越大,控制 9962 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 元件达到的控制效果更好。 4 现场应用与效果 4 1 工程背景 新疆焦煤集团艾维尔沟 2130 煤矿 5 号煤层走向 ES 12 14、倾向 SN 35 45。 厚度在 4 27 7 8 m,密度 1 38 t/ m3。 25221 工作面为本文研究的 原型,工作面倾向长 100 m,平均倾角 44,采高为 4 5 m,采用综合机械化大采高采煤法,属于典型的 “双大”工作面。 煤的硬度系数 f 0 74;直接顶 f 6 26,由灰白色含砾粗砂岩,泥质胶结、风化易碎的灰 白色中砂岩组成,厚度 2 32 m;直接底以碳质泥岩为 主,厚度为 2 19 m,f7 9。 经调查飞矸冲击损害严重的原因如下煤壁片 帮产生大量脱离煤壁的煤块,这些煤块起初未下 落,后在采煤机割煤等工序振动下由静止开始自由 下落。 由于煤体的安息角30 35小于煤层倾 角,落体运动碰撞底板后难以停止,将沿工作面倾 斜下部运动滑动、滚动或飞溅。 重力做功下飞矸 的冲击能急剧增加,防护设备的不合理或失效,致 使飞矸冲击能不能被有效的控制,与人或设备直接 接触冲击。 实测发现挡矸网的破坏多集中在飞 矸密集冲击的网格处以及挡矸网上下固定边界区 域附近。 对 25221 工作面 20 次煤壁片帮衍生飞矸的极限 冲击能 Emax进行统计,具体见表 2;飞矸的极限冲击 能不大于 50 kJ,平均为 36 8 kJ。 工作面原有的防护 参数条件下控制效果如图 10 所示,挡矸网发生了失 效,而且失效区域集中在飞矸密集冲击的网格处以及 挡矸网上下边界固定区域。 数值模拟结果与现场实 测达到了高度的一致,表明用数值模拟手段确定“双 大”工作面控制元件参数是可行的。 表 2 飞矸极限冲击能结果 Table 2 Test results of ultimate impact energy 编号1234567891011121314151617181920 Emax/ kJ36 444 545 937 821 330 345 833 743 231 540 923 745 633 136 443 144 434 130 844 2 图 10 原有挡矸网失效 Fig 10 Original blocking net failure 4 2 控制效果现场验证 在以往挡矸网参数基础上,按照图 6 所示流程选 定“双大”工作面挡矸网的参数为网格大小 100 mm 100 mm,涤纶直径 6 mm。 此防护参数条件下挡矸网 控制效果校验结果如图 11a所示,挡矸网有效地控 制了飞矸的冲击能,而且该参数下挡矸网的应变量小 于其失效应变,有效地隔绝了飞矸与工作面设备人 员的直接接触。 考虑到推溜、移架及检修等工序的方便,挡矸网 不宜过于紧绷,在其自重作用下自然垂落,后对下边 界进行固定即可。 改进后的挡矸网在工作面的布置 如图 11b所示,网格长对角线方向平行于底板,自 回风巷倾斜向工作面下部依次设置。 试验生产期间 无人员伤亡事故发生;同时,防护设备的使用周期和 更换频率得到大幅度的改善,节约了生产的成本。 工 作面的正规循环率达到 85以上。 图 11 挡矸网沿工作面倾向的布设 Fig 11 Layout of blocking nets along working face inclination 5 结 论 1针对目前大倾角工作面飞矸冲击损害及其 控制控制元件参数确定人为主观因素占主导的现 状,提出了一种充分考虑飞矸动态特性的损害控制方 法。 方法基于卡尔曼滤波原理获取飞矸的冲击能,从 0072 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期伍永平等大倾角工作面飞矸冲击损害及其控制 飞矸冲击能和设备的冲击能恢复系数两方面着手控 制飞矸的损伤风险,以挡矸网为控制元件,建立 LS- DYNA 碰撞模型确立合理的控制元件参数。 2飞矸碰撞设备时冲击能耗损为多种形式的 能量,且设备变形能的占比最大;碰撞前飞矸的冲击 能和设备的冲击能恢复系数共同影响飞矸冲击能的 耗损程度。 飞矸损害控制可以从提高设备的冲击能 恢复系数和降低飞矸的冲击能入手,极大的简化了飞 矸损伤风险评估的过程。 3以“双大”工作面飞矸冲击损害及控制为例, 对控制元件的效果进行碰撞模拟。 综合确定控制元 件参 数 为 涤 纶 直 径 6 mm, 网 格 大 小 100 mm 100 mm。 将控制元件参数应用于现场实践当中,飞 矸毁物伤人事故降低,防护设备使用周期短的问题得 到了改善。 参考文献References 1 贠东风,伍永平. 大倾角煤层综采工作面调伪仰斜的原理与方 法J. 辽宁工程技术大学学报自然科学版,20012152- 156. 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