[00662622]煤矿采掘面高压雾化雾滴尘粒耦合作用机理及工程应用

本项目属于矿山安全与采矿环境工程学科，主要是针对目前雾滴尘粒之间的耦合作用机理尚不明确、降尘效率低、煤矿采掘工作面生产现场高浓度粉尘对矿井安全生产和矿工身心健康造成严重威胁而提出的。采掘面在应用喷雾措施后虽可达到一定的降尘效果，但现场粉尘浓度仍较高，远超出国家相关安全规程和标准。为此，本项目对煤矿采掘面高压雾化雾滴尘粒耦合作用机理进行了较为全面和系统的研究，并成功地进行了工程应用。其主要研究成果如下：（1）对煤矿典型采掘面各生产工序产尘尘样的浓度、分散度等理化性质进行了实验分析，确定了煤矿采掘面粉尘尘粒理化性质。（2）通过对射流扰动控制方程及其解的分析，结合两相流的喷雾概念模型，对典型水雾捕尘理论进行了改进；分析了喷入气流中的液滴的运动状态，并基于液滴对尘粒的主动碰撞理论，完善了典型水雾捕尘机理。（3）建立了适合于采掘面喷雾降尘过程气体－颗粒两相流动的数学模型，采用FLUENT软件并对风流－粉尘－雾滴的流场进行了数值模拟。（4）以喷雾降尘实验模型为平台进行了不同类型喷嘴所成雾场与粉尘场的耦合关系实验，得到雾滴与其捕获尘粒之间变化规律的数学关系式，并结合数值模拟结果，确定了煤矿采掘面高压雾化雾滴尘粒耦合作用机理。（5）在深入研究喷雾负压二次降尘机理及除尘器吸口流场分布规律的基础上，研制了可有效控制采掘面产尘的液压支架、采煤机及掘进机外喷雾组合式降尘装置，并确定了最优工作参数。（6）对不同类型的新型、环保表面活性剂单体进行了大量的表面张力、沉降、保水性等实验，根据淀粉接枝共聚技术，通过复配实验，研发了高效环保的煤尘喷雾降尘剂，并研制了抑尘剂连续定量添加装置。本项目的主要创新点有：（1）将射流雾化的相关理论引入喷雾降尘领域，完善了喷嘴的射流雾化机理，并对典型的水雾捕尘机理进行了理论改进。（2）通过数值模拟确定了采掘面雾滴、尘粒的运移规律，根据喷雾降尘仿真实验，得到雾滴与其捕获尘粒之间变化规律的数学关系式，确定了采掘面高压雾化雾滴尘粒耦合作用机理。（3）研制了可有效控制煤矿采掘面产尘的液压支架架间、放煤口、采煤机及掘进机外喷雾的组合式降尘装置。（4）根据淀粉接枝共聚技术，通过表面活性剂复配实验，研发了环保、高效的适用于采掘面的高效环保喷雾降尘剂，同时研制了降尘剂连续定量添加装置，实现了对较难润湿性煤尘的有效捕集。经过七年多的课题研究和研究成果的应用实践证明，综放面全尘、呼尘平均降尘率分别提高了18.9%、20.8%，综掘面全尘、呼尘平均降尘率分别提高了21.4%、24.6%，达到92%以上。项目成果共培养博士研究生3名，硕士研究生9名；授权发明专利4项，实用新型专利7项；出版专著1部，发表论文17篇，其中，SCI、EI收录13篇。该技术已在山东能源枣矿集团高庄煤矿、蒋庄煤矿、山东能源淄矿集团唐口煤矿、山西焦煤霍州煤电辛置煤矿及皖北煤电五沟煤矿等十余家矿山企业推广使用，累计实现经济效益2.1亿元、社会效益4.65亿元。