针对传统的矿用电机车供电系统结构复杂、故障率高、维护难等问题,设计了一种基于开关磁阻电机(SRM)的矿用电机车调速系统。系统核心采用了高性能电机控制芯片TMS320F28335,配合位置检测、电流反馈等外围电路,实现了SRM基于模糊自适应PID的双闭环调速系统。在煤矿井下实际测试中,系统运行稳定、控制精确、故障率低,很好地适应了井下恶劣的环境。

分析了矿用调速器存在的安全问题,阐述了瓦斯检测和绝缘检测的原理,并给出了瓦斯信号的采样电路、绝缘阻值的CAN通信传送方式和系统的软件设计,为矿用调速器输入端设计了一套安全保护系统,通过控制接触器通断来实现矿用调速器主电路供断电控制。实验结果表明,设计的安全保护系统可以实现当达到瓦斯浓度或绝缘阻值危险范围时矿用调速器主电路立即断电,恢复正常后及时送电的功能。

针对由于掘进工作面的不断推进导致掘进巷道的压、抽风量比值减小,从而影响湿式除尘器控尘、除尘效果的问题,介绍了通风机变频调速原理,并通过试验的手段得到湿式除尘器风量与频率、风量与功率及除尘效率与频率的关系,为湿式除尘器的风量控制、变频调速区间的确定等提供了依据。

针对圆柱凸轮式卷缆机构卷缆不整齐、易发生重叠的缺点,设计了一种双向滚珠丝杠式自动卷缆装置。该装置采取增加钢珠及弹簧的方式,有效克服了传统丝杠卷缆装置的缺点。分别对该装置传动轴螺距、摆线距离、压力角、弹簧力、钢珠个数等参数进行计算确定,为后续自动卷缆装置的设计制造提供参考。该装置已在矿用梭车中得到应用,使用效果良好。

用流体仿真软件Fluent对卸荷主阀进行运动流场数值仿真,得到了不同开口度与不同压差情况下阀腔内流体的压力分布云图和速度分布云图,对仿真结果进行深入分析研究后,改进了卸荷主阀结构。对比分析改进前、后的压力分布图及速度分布图,说明改进后阀腔内流体的流场特性较改进前有了很大的改善。研究结果对矿用乳化液泵站卸荷主阀流道结构的优化有一定的理论意义。

为了研究低压缸内部的流场变化对装置激发压力冲击性能的影响,分别建立触发弹簧工作下3个不同开度的低压缸模型,结合实验所得的初始条件和边界条件,采用Fluent动网格技术,对冲击过程中低压缸内部流场进行动态数值模拟,得到了低压缸内部流场的流动规律,为低压缸的流场分布及变化规律的分析提供了理论基础,为水锤装置的结构改进和性能优化提供技术支持。

利用Fluent软件,对采空区瓦斯为均匀涌出、分段均匀涌出及连续涌出条件下的采空区瓦斯浓度及自燃带分布情况进行了数值模拟研究。结果表明:瓦斯均匀涌出时,采空区浅部的瓦斯浓度低于分段均匀涌出及连续涌出下的瓦斯浓度,在采空区深部其瓦斯浓度高于其他2种情况下的瓦斯浓度。针对瓦斯分段均匀涌出与连续涌出2种情况,采空区浅部区域两者瓦斯浓度相差不大;而在采空区深部,前者瓦斯浓度要大于后者。瓦斯均匀涌出时,其自燃带宽度较其他2种情况小;瓦斯分段均匀涌出时,其自燃带宽度比瓦斯连续涌出时略大。对采空区流场进行研究时,将瓦斯考虑为均匀涌出或者分段均匀涌出都是不准确的,应根据采空区瓦斯涌出的实际特点进行研究。

为了减小采空区渗透率分布对流场数值模拟精确程度的影响，在岩梁理论和“O”型圈理论研究的基础上，分析了采空区非均质多孔介质孔隙分布规律，建立了采空区孔隙率及渗透率三维分布数学模型；以姚桥煤矿7271综放工作面采空区注CO2防灭火技术为研究背景，采用FLUENT数值模拟方法，分别研究了采用渗透率三维分布模型及不同固定常数渗透率时采空区气体运移规律，并进行了现场实测对比分析。研究结果表明，沿采空区深度方向，采空区的孔隙率在靠近工作面侧较大；沿工作面倾向，采空区内靠近煤柱侧的孔隙率变化较大，压实稳定区的孔隙率较小。随着渗透率的增大，工作面漏入采空区的漏风量增大，CO2不易在采空区中聚集；当渗透率减小时，CO2的体积分数由回风巷侧逐渐向进风巷侧升高。数值模拟采用渗透率三维分布函数得出的结果与实测数据的平均误差为8.0%，小于固定常数渗透率，以为采空区风流场数值模拟研究提供了基础参数依据。

将采空区视为各向同性多孔介质,构建了采空区气体流场基本闭合方程组,利用FLUENT模拟软件对采空区内部气体流场进行模拟,分析了地面钻井不同抽采条件下的采空区内部气体浓度分布特征,以此研究地面钻井不同抽采负压对采空区气体流场的影响。研究发现地面钻井布置在采空区靠近回风巷20～70 m有利于抽采,且负压抽采可能给采空区带来自然发火的危险,但在采取一定的监控措施下,40～50 kPa的抽采负压是可取的。

为解决高瓦斯煤层采空区自然发火和瓦斯涌出量过大造成上隅角瓦斯超限的问题,结合O形圈理论,对采空区的渗流特性进行了分析。通过引进Ergun单相流半经验非线性渗流公式,结合连续性方程、动量方程、瓦斯动力弥散方程,建立了采空区流场的渗流模型;利用Fluent软件,结合具体实例,模拟预测并分析了采空区的风流速度场及瓦斯浓度场。模拟结果表明:根据O形圈理论以及渗流模型,利用Fluent软件进行模拟的结果符合实际情况,通过制定相应措施,提前消除了潜在的安全隐患。