[01390647]综合机械化采煤工作面时空一体化减除尘关键技术及装备

本项目属于矿山安全与采矿环境工程学科,针对矿井综采工作面高浓度粉尘严重威胁安全生产和解除矿工尘肺病威胁而提出。国内外实践证明,煤层注水和喷雾降尘是解决粉尘等问题的有效方法,由于深部煤层高地应力、低孔隙率、难渗透等问题的存在而导致注水润湿煤体效果不佳,因而在截割过程中易产生大量的粉尘,并随通风风流迅速弥散至整个综采工作面,产尘量大约占矿井全部的60%以上,严重威胁矿工身心健康。因此,本项目采用多种研究手段,针对高地应力低孔隙率难渗煤层注水难题和粉尘运移和污染特性提出了分区式交变注水技术及局部雾化封闭捕集尘技术,并研发了综采工作面时空一体化减除尘关键装备,有效解决了综采面粉尘防治的难题。主要研究内容如下： （1）实验研究。基于自制多场耦合渗流与增透实验系统,开展了水力耦合作用下煤岩渗流特性实验,获得孔隙水压作用下煤岩蠕变以与渗流耦合特性,揭示了应力-孔隙水压下煤岩弱化与增渗机理;基于激光多普勒喷雾降尘仿真实验,获得雾化流场中多类喷嘴（压力雾化、旋流雾化以及空气雾化）的雾滴粒度-速度分布特性,揭示了多因素耦合条件下雾滴捕尘机制。 （2）理论创新。构建煤层注水多场渗流耦合数学模型,数值分析分区注水过程中应力场-流场（压力场、渗流速度场、含水量分布）时空演化规律,揭示了分区注水渗流动力学过程,获得分区注水定量润湿效果;基于Relizable k-ε湍流模型、质量守恒方程、运动方程及DPM拉格朗日随机追踪法,构建了气-固（风流-呼尘）两相耦合运移方程,基于现场试验参数,并考虑截割湍流风扰动因素,数值分析了截割、移架（产尘）与系统通风（携尘）平行作业下风流-呼尘两相耦合流场时空演化规律,揭示了风流对呼尘运移的影响机制,阐明了截割及移架呼尘在截割湍流风扰动下的污染特性。 （3）技术工艺及装备研发。研发了高地应力低孔隙率难渗煤层综采工作面分区式交变注水技术工艺,研制了由脉冲式气动乳化液移动泵、脉冲调频器、变压溢流阀等组成的分区式交变煤层注水装备;构建了综采面采煤机、液压支架一体化局部雾化封闭减除尘技术体系,研制了配套的采煤机区域局部雾化封闭减除尘装备（采煤机摇臂喷雾组、采煤机新型湿式除尘器）、液压支架区域局部雾化封闭减除尘装备（液压支架喷雾组、文氏负压二次降尘装置）。 （4）工程实践。2012年以来,项目成果已成功应用于枣庄矿业（集团）有限责任公司蒋庄煤矿、山东省七五生建煤矿、山东省微山湖矿业集团有限公司、山西美锦集团等企业,效果表明,该技术体系能够有效提高煤层注水润湿减尘及雾化封闭降尘效果,显著降低工作面粉尘浓度,保障了工作面安全回采及人员身心健康。近三年,共新增产值52706万元,新增利税20204万元,经济效益显著。 此外,依托本课题授权24项发明专利,出版专著2部,在Energy ＆ Fuels、Process Safety and Environmental Protection、Journal of Cleaner Production、Minerals、Safety Science、Experimental Thermal and Fluid Science、煤炭学报、中国矿业大学学报等国内外期刊上公开发表高水平期刊论文38篇（其中SCI收录期刊论文21篇、EI收录期刊论文17篇）。