综掘工作面负压雾幕与多向旋流风幕协同增效控尘机理及应用基础研究

In view of the imperfect dust removal mechanism, poor dust removal effect and other problems with synergistic and enhanced control by spray curtain and air curtain, the following contents will be studied by methods of numerical simulation, experimental measurement and so on. Derive and propose the parameter distribution function of dust particles based on fractal dimension, and determine the rule of particle surface wettability performance influenced by particle size and surface pore structure or other characteristics fractal dimension. By experiments, reveal the spatial distribution of droplet size-velocity-concentration under different conditions and the rules of dust suppression by spraying about it coupling with dust particle size, wettability and other characteristics under multi-factor coupling effect. Draw the more perfect mechanism of dust suppression by spraying under multi-factor coupling effect, and develop a new efficient dust reducing method and device about roadheader external spray and negative pressure spray curtain. Research and formate the obstructive dust purification method and device as the core of multi-directional whirling air curtain, build accurate CFD-DEM wind-dust coupling mathematical model. Combined with FLUENT and EDEM software, the migration law of macroscopic dust mass and mesoscopic particle flow of this method is numerically simulated. Carry out simulation experiment about dust removal in fully mechanized working face with synergistic and enhanced control by negative pressure spray curtain and multi-directional whirling air curtain. Combined with field test and numerical simulation results, determine the synergistic and enhanced dust control mechanism, give the best working parameters of spray, ventilation and so on, and put forward a synergistic and enhanced dust control method suitable for fully mechanized working face, so as to effectively reduce the dust concentration.

针对目前综掘工作面雾幕与风幕协同增效控尘机理不完善、粉尘控制效果不佳等问题，拟采用数值模拟、实验测定等方法研究以下内容。推导提出基于分形维数的粉尘颗粒参数分布函数，确定粒度与表面孔隙结构等特性分形维数对颗粒表面润湿性能的影响规律；实验揭示不同条件下雾滴粒度-速度-浓度空间分布和其与粉尘粒度、润湿性等特性多因素耦合作用的喷雾降尘规律，得出更完善的多因素耦合作用喷雾降尘机理，研发出新型高效掘进机外喷雾负压雾幕降尘方法及装置；研究形成以多向旋流风幕为核心的阻隔式抽尘净化方法及装置，构建准确的CFD-DEM风流-粉尘耦合数学模型，结合FLUENT与EDEM软件，数值模拟出此方法的宏观粉尘团与细观颗粒流运移规律；开展负压雾幕与多向旋流风幕协同增效控尘仿真实验，结合现场试验与数值模拟结果，确定协同增效控尘机理，给出最佳的喷雾、通风等工作参数，提出适合综掘工作面的协同增效控尘方法，以有效降低粉尘浓度。

针对目前综掘工作面雾幕与风幕协同增效控尘机理不完善、粉尘控制效果不佳等问题，采用数值模拟、实验测定等方法对综掘工作面负压雾幕与多向旋流风幕协同增效控尘机理及应用进行了深入研究。基于本项目发表学术论文54篇，授权发明专利11项，出版专著1部，获得省部级政府及协会科技奖励8项，其中，一等奖2项、二等奖4项，研究成果在山东能源集团、霍州煤电集团等煤炭企业得到应用推广。主要创新成果如下：. （1）通过分析综掘工作面掘进机截割时不同区域的粉尘浓度、粒度、粒径分布等颗粒特性，得到粉尘颗粒的分形特征、分形描述，提出了基于分形维数的粉尘颗粒参数分布函数。并采用视频光学接触角测量法分析不同粒度、比表面积等分形维数的煤岩尘润湿性，揭示了粒度与表面孔隙结构等特性分形维数对颗粒表面润湿性能的影响规律。. （2）采用自主设计的风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降实验装置，揭示了同条件下雾滴粒度-速度-浓度空间分布和其与粉尘粒度、润湿性等特性多因素耦合作用的喷雾降尘规律及喷雾降尘机理；优选出了适于综掘工作面不同粉尘区域的喷雾降尘喷嘴，并基于水雾活塞、卷吸等作用机理，研发出新型高效掘进机外喷雾负压雾幕降尘方法及装置，实现了雾幕对掘进机截割产尘的一次直接沉降与二次负压吸入沉降的有效结合。. （3）实现了由仅阻隔综掘工作面粉尘扩散向有效控尘的突破，基于在已结题国家自然科学基金资助下研发的多向旋流风幕发生装置，结合除尘风机、矿用负压抽风筒与拟研发的新型立体式吸尘罩，构成了以多向旋流风幕为核心的阻隔式抽尘净化方法。结合 FLUENT 与 EDEM 软件，确定适于不同类型综掘工作面 的较优控尘通风参数及设备布置方式，提高了阻隔抽尘净化效果。. （4）采用自主设计的综掘工作面气载粉尘运移及控制仿真实验系统，开展了负压雾幕与多向旋流风幕协同增效控尘仿真实验，总结出综掘工作面负压雾幕与多向旋流风幕协同增效控尘机理，并确定了最佳喷雾、通风等工作参数，提出了适合综掘工作面的负压雾幕与多向旋流风幕协同增效控尘方法。