《煤矿综掘工作面粉尘防治理论及关键技术研究》

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该成果为国家自然科学基金(51074100)、教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-06-0606)、山东省自然科学基金(ZR2010EM016)等三项纵向课题联合资助完成的.该项目针对掘进机械化程度高、进尺快、通风距离长、单位时间产尘量大,从而导致综掘工作面粉尘浓度高,影响矿井安全生产、危害矿工身心健康等问题而提出.该项目从高效喷雾降尘、化学抑尘、封闭式除尘等三个方面,采用理论分析、数值模拟、实验测试和现场应用相结合的研究方法,对煤矿综掘工作面粉尘防治理论及关键技术进行了研究.其主要研究内容如下: (1)针对综掘面长压短抽的实际情况,建立了风流单相三维k-ε紊流模型和气相湍流-颗粒相湍流的k-ε-Φ-kp模型(气载粉尘运移模型),采用SIMPLE算法对不同类型综掘面的风流场和粉尘场进行了数值模拟,得到了不同类型综掘面气载粉尘场的流动规律.(2)以提高雾滴对粉尘的捕获效率为基础,提出了空穴、湍流和空气动力共同作用的雾化模型;通过多类喷嘴的雾化效果实验,确定了喷嘴的高压雾化雾滴参数的基本特性,以此为依据,对综掘机外喷雾系统进行了优化设计,提高了雾化降尘效果.(3)为最大限度降低呼吸性粉尘浓度,对抑尘剂润湿煤尘、岩尘的降尘机理进行了研究,并通过表面张力、接触角、Walker沉降及复配等实验,确定了抑尘用表面活性剂的配方,同时研制了抑尘剂的连续定量添加装置.(4)以全面提高综掘面作业环境为目的,依据综掘面封闭式控尘技术原则,结合封闭式控尘系统的风流分布场和粉尘分布场的模拟结果,从唐口、高庄、蒋庄和南屯等煤矿综掘工作面的实际情况出发,研发了一整套适用于全煤、全岩以及半煤岩综掘工作面的封闭式矿井综掘高效除尘系统.该项目的创新点主要体现在以下四个方面: (1)确定了综掘工作面气体-粉尘流场的运移规律,为封闭式除尘系统的研制提供了理论基础.(2)提出了空穴、湍流和空气动力共同作用的雾化模型,并通过喷嘴的雾化特性实验,优选了综掘机外喷雾降尘用喷嘴,并对其布置方式进行了优化设计.(3)通过表面活性剂复配实验,研发了高效环保的化学抑尘剂,同时研制了抑尘剂的连续定量添加装置.(4)研发了适用于全煤综掘面的高分子附壁风筒、风幕机封闭式除尘系统,全岩综掘面的压入式风筒自成风幕封闭式除尘系统以及半煤岩综掘面的螺旋风机封闭式除尘系统. 经过五年多的课题研究和研究成果在山东能源枣矿集团高庄煤矿、蒋庄煤矿,兖矿集团南屯、北宿煤矿,山东能源淄矿集团唐口煤矿、山东能源新矿集团新巨龙公司等煤矿井下的实际应用,实践证明该项目的研究成果有效地保障了矿井的安全生产,提高了矿井综掘面除尘技术的水平,为矿工创造了良好的工作环境,使综掘的全尘和呼尘的平均降尘率达到96%和95%,工作面全尘和呼尘的浓度基本控制在15mg/m<'3>和5mg/m<'3>以下.该项技术已在近20家矿山企业推广使用,累计实现经济效益6.76亿元、社会效益15.85亿元.该成果历年荣获的奖项如下:矿井综掘封闭式除尘系统的研发与实践,荣获2009~2010年度中国煤炭工业科学技术三等奖,2010年11月;综掘工作面高效除尘技术及工艺研究与应用,荣获国家安全生产监督管理总局第五届安全生产科技成果奖三等奖,2011年11月.

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