[01700793]矿井综采面粉尘环境污染溯源精准控除技术与装备

近年来,随着我国煤矿机械化、自动化生产水平的逐步提高,在生产效率不断提高的同时,井下生产现场的粉尘浓度也在大幅度增加,不但给矿工的职业安全健康带来了巨大的威胁,同时也会影响着矿井的安全生产和矿区乃至社会的稳定运行。因此,必须对煤矿综采面生产现场的高浓度粉尘进行治理,而有效治理的关键在于实现尘源的精准确定与高效控除。国内外实践证明,煤层注水可压裂干燥易产尘煤层,使水均匀地分布于煤层裂隙和孔隙之中,软化并润湿煤体,从而减少煤层原生及生产粉尘的产生,达到对煤矿粉尘源头治理目的,但深部煤层高地应力、低孔隙率、难渗透等问题导致煤层注水减尘效果不佳;同时,喷雾降尘可利用喷洒到空气中的水微粒,迅速吸附由于煤层截割所产生的各种大小粉尘颗粒,对粉尘扩散源头形成有效控除,但由于尘雾耦合机理不清晰、现场产尘弥散速度快等原因致使常规喷雾降尘技术效果有限。因此,针对上述问题,提出了《矿井综采面粉尘环境污染溯源精准控除技术与装备》这一课题,通过理论分析、实验测定、数值模拟以及现场应用等方法开展了系统的研究工作,并进行了成功应用。主要科技成果如下： （1）基于自主研发多场耦合渗流实验系统,揭示了循环水压对煤岩力学损伤机制;通过CT扫描构建了数字岩心模型,阐明了结构损伤与渗流的动态响应机制;运用核磁改进方法,结合分形理论,提出了注水煤体连通结构量化表征方法,获得了围压-孔隙水压等宏观参数与结构分维间量化关系;基于等效毛细管束模型建立了表征结构复杂程度的渗透率分形模型;数值解算了煤层注水应力-渗流耦合规律,阐释了采动应力下宏观注水参数与煤体细观结构间响应机制,实现了注水减尘理论新突破。 （2）基于CFD（计算流体力学）理论,采用CFD-DEM耦合法与DPM拉格朗日追踪法相结合的方法,考虑截割湍流风扰动因素,阐释截割、移架等动态多尘源并行作业下综采面风流粉尘颗粒运动、沉降行为以及累积质量分布等粉尘时空演化规律。同时利用Fluent提供的UDF二次开发接口,完善自定义数值源相,增强FLUENT的功能及模型应用范围。 （3）运用相位多普勒粒子分析（PDPA）技术,结合旋转水射流动力学,提出了喷雾内流场-外雾场定量表征方法,研究了稳态喷雾的速度矢量、涡量分布、粒度分布等信息,探讨了压力、喷嘴结构对稳态喷雾内流场影响规律,建立了细观雾场二维空间扩散机制。基于完备的喷嘴射流参数特性数据库,推导喷雾雾滴粒径及速度分布函数,构建了评价雾场雾化特性的定量描述方程,完善喷嘴射流雾化机理。 （4）基于煤层采动应力演化特征,研发了由调压注水泵组、水压在线监测仪、PLC测算控制器、流量自动控制阀为主的煤层分区精准注水关键技术工艺及装备。 （5）基于综采面多尘源粉尘动态污染规律与尘雾耦合机理,研发了由采煤机摇臂喷雾组、新型湿式除尘风机等构成的煤机截割区局部雾化封闭控除尘装备,由支架控顶距方向巷道全断面雾化封闭喷雾器、中心距方向负压卷吸除尘器等构成作业区局部雾化封闭控除尘装备,研发了配套精准控制系统。 本课题在水力强渗增润、尘雾耦合、尘源封闭雾化、工艺设备研发等多个方面进行了系统研究,完成了《矿井综采面粉尘环境污染溯源精准控除技术与装备》这一项目课题。该项目研究成果先后在枣庄矿业（集团）有限责任公司、山西美锦集团等多个矿区成功进行了推广应用,近三年,新增产值35360万元,新增利税13319万元,成功解决了现代化高产高效综采面粉尘防治难题,改善了煤矿生产作业环境,有效保障了矿井安全高效生产,节约了生产成本,经济、社会效益巨大,具有广阔的推广应用前景。