煤矿难润湿性煤层采掘面煤尘扩散机理及防治技术基础研究

The project goes systematic study about the dust diffusion mechanism and prevention technology in mining face with difficult wetting coal seam by the theoretical analysis, numerical simulation, laboratory test and field trials. Firstly, the relationship between the parameters of the coal charge, the contact angle, the dust composition, the chemical element and the surface functional groups and the wettability of the dust, and the relationship between the parameters and the other coal parameters can be obtained by experiment, which can make sure the basic physical and chemical characteristics of difficult wetting coal seam. Then, the mathematical model of two-phase(gas and dust particle) flow is established to simulate the dust diffusion process based on the characteristics of dust-producing in mechanized face to obtain the diffusion law. Through complex experimental research and development of new efficient and environmentally friendly spraying wetting agent and concentrative automatically adding devices to improve the dust-laying rate in mining faces, based on the wetting properties of coal seam. By studying efficient dust suppression technology in mechanized driving face from three aspects of dust suppression by spraying , closing dust source and air flow controlling, the best dust suppression system is given. By combining the development of long-lasting dust sensor with intelligent dust suppression system, automatic dust control will be achieved in full mechanized coalface.

本项目拟采用理论分析、数值模拟、实验测试、现场试验为一体的方法对煤矿难润湿性煤层采掘面煤尘扩散机理及防治技术基础进行系统研究。首先通过实验得出煤的荷电性、接触角、煤尘成分、化学元素、表面官能团等参数与润湿性的关系以及与煤质参数间的关联等，确定难润湿性煤层的基本理化特征；根据综采（掘）面产尘机理和生产工艺特点，建立适用于综采（掘）面的气体－粉尘颗粒两相流动数学模型，对粉尘扩散运动过程进行数值模拟，得出综采（掘）面粉尘随风流的扩散规律，为粉尘防治提供理论依据；根据煤层润湿特性，通过复配实验研发新型高效环保喷雾降尘用湿润剂及其自动集中添加装置，以进一步提高综采（掘）面的降尘率；从雾化降尘、封闭尘源、风流控制等三个方面对综掘面煤尘的高效抑制技术基础进行研究，给出最优的综掘面降尘控尘系统；结合长效时粉尘传感器研发，对综采面煤尘智能化降尘系统进行研究，实现对综采面降尘的自动控制。

针对煤矿难润湿性煤层采掘面粉尘污染严重、风流-粉尘运移规律尚未明确、现有粉尘防治技术措施效果欠佳的现状，对难润湿性煤层采掘面煤尘扩散机理及防治技术开展了系统、深入的研究。在此期间，发表学术论文70篇（SCI 10篇，EI 29篇），授权发明专利28项，获得计算机软件著作权1项，出版专著2部，获得省部级科技奖励10项，其中，省部级一等奖3项、二等奖7项，研发高新技术产品1项。培养博士后1人，博士生3人，硕士生30人。项目研究成果在山东能源集团、兖矿集团、霍州煤电集团等煤炭企业得到应用推广，并成功组建成一支在国际上有影响的煤矿粉尘防治学术团队。主要创新成果如下：.（1）从煤尘化学组成和微观结构、润湿性影响因素、难润湿煤尘吸附性及表面电性四个方面研究，得出了煤尘理化性质参数与润湿性的关系以及与煤质参数间的关联，确定了难润湿性煤层的基本理化特征。.（2）根据采掘面产尘特点，充分考虑煤岩的物理性质、矿山压力、煤层厚度、割煤高度、采掘机械截割机构等综合因素对粉尘产生原因的影响，真正摸清了采掘面的产尘机理。.（3）根据采掘面的生产实际，构建了采掘面的风-尘两相流动数学模型，确定了采掘面高浓度粉尘的扩散运移规律，得出了风流对尘粒的耦合作用机理。.（4）通过表面活性剂单体优选实验，根据试剂复配原理，研发了高效、环保的新型喷雾降尘用湿润剂与湿润剂自动集中添加装置，湿润剂添加量可达 15~100L/h。.（5）从雾化降尘、封闭尘源、风流控制等三个方面，给出了综掘机外喷雾、迎头产尘封闭方式、压抽混合式通风的最优降尘系统，保证综掘面人员作业区域全尘和呼尘浓度分别不高于20mg/m3和15mg/m3。.（6）通过基于差动技术的长效时煤尘荷电量测量模型研究，建立起了微静电信号与煤尘浓度之间的关系模型，研发出了长效时粉尘浓度传感器，确保在测量精度的条件下，传感器寿命不低于两年。.（7）基于粉尘浓度连续监测及设限自动喷雾降尘技术，研制出了采煤机尘源智能跟踪降尘技术与采煤机高压外喷雾降尘技术的集成技术，并确定了最优喷雾参数。