综放工作面喷雾降尘理论及工艺技术研究

本文通过理论分析、数值模拟、实验测试、现场应用相结合的方法,对综放工作面喷雾降尘理论及工艺技术进行了研究,形成了针对综放面的较为系统的喷雾降尘知识体系。 通过对射流扰动控制方程及其解的分析,基于两相流的喷雾概念模型,引入了空穴、湍流和空气动力共同作用的雾化模型;基于液滴对尘粒的主动碰撞理论,对典型水雾捕尘机理进行了改进;运用显微颗粒图像分析仪和干粉激光粒度分析仪对采用滤膜法和人工法取样的综放工作面喷雾前后各生产工序产尘的粒度、粒径分布及矿尘的形状进行了测定,得到了喷雾降尘对各工序产尘的平均粒径及其分散度影响的定性变化规律。建立了基于Eulerian-Eulerian模型与Eulerian-Lagrangian模型相组合的综放工作面喷雾降尘过程气体一颗粒两相流动的流体力学数学模型;应用混合差分格式和基于同位网格的SIMPLE算法给出了气粒两相流动的数值解法;并以FLUENT软件作为计算平台对综放工作面形成全断面雾流时喷雾降尘过程的气体—粉尘—雾滴的流场进行了数值模拟。 利用自行设计与制造的实验装置在模拟综放面实际风速的前提下,分不开启风机、开启风机无尘源、开启风机释放尘源等三种情况进行了粉尘场与雾滴场耦合关系的喷雾降尘实验。根据实验数据,得到了雾滴在上述三种不同情况时在整个模型空间内的分布规律;提出了雾流雾化效果“三场”的概念;并采用数值分析方法在雾滴捕尘基本保证粒径40～160μm范围内分[40,65]μm、[65,100]μm、[100,160]μm等三个粒径区间分别拟合了无尘液滴平均粒径D无尘液滴与其捕获尘粒平均粒径ΔD之间的函数表达式;提出了针对呼吸性粉尘的雾滴最佳捕尘粒径为15～70μm;同时拟合了D无尘液滴与D未捕获尘粒,D50无尘液滴与η全尘、η呼尘之间的数学关系式;通过添加表面活性剂时的尘雾场耦合实验,验证了其提高降尘效果的若干定性结论。基于表面活性剂单体溶液表面张力及接触角的实测结果,根据表面活性剂复配溶液的煤尘沉降Walker实验及其反向渗透实验结论,确定了降尘剂的最优配方CZYNS-1;同时研发了表面活性剂定量泵添加工艺;通过对煤粉试片临界表面张力的测定分析、不同粒度煤粉试片及不同孔隙率煤样接触角的测定分析,完善和拓展了表面活性剂的降尘理论。 上述的理论和实验研究结论可针对综放面不同生产工序产尘粒度的特点优选喷嘴、喷雾降尘装置的优化设计、降尘剂配方优选提供依据。最后将研究成果在兖矿集团东滩煤矿1303综放面和兴隆庄煤矿10301综放面进行了工程应用,取得了很好的降尘效果。