不同类型煤尘沉降机理及关键技术研究项目摘要

随着采煤技术的迅猛发展，煤矿粉尘引发的污染和危害也日趋严重。煤炭行业尘肺病人数已超过20万，接近我国各行业肺患病人数的一半。申请者应用计算流体力学、多相流耦合动力学理论和矿井通风与安全科学，分析压力水射流过程中液粒分裂机理、液滴破碎方式、典型水雾捕尘机理；研究基于射流二次雾化、液滴对尘粒的主动碰撞、负压除尘理论，建立气体一颗粒两相流动的流体力学数学模型、气体一粉尘一雾滴的流场耦合动力学模型，揭示从高速射流过程中雾化区域与负压区域的耦合作用对不同类型煤尘的影响规律、风水两相流在旋转离心力作用下的撞击雾化对不同类型煤尘的影响规律、特定环境介质参数和设备运行参数对不同类型煤尘基于负压捕尘效率的影响规律，构建基于采掘工作面煤尘运移规律的煤尘治理示范系统。本项研究对保障煤矿企业的安全生产、保护煤矿工人的身心健康，缩短与世界发达国家粉尘预防与控制水平具有重大的意义。

随着煤炭开采技术和设备的提高及煤炭的开采量剧增，引发的煤矿粉尘的污染和危害日趋严重，严重危及工人的健康，也极易引发煤尘火灾和爆炸事故。因此对煤尘沉降机理及关键技术研究对保障工人的健康，提高煤矿的粉尘防控水平具有重大的意义。 本项目完成了不同类型煤尘沉降机理及关键技术研究。不同种类的煤尘其亲疏水性不同，其亲疏水性程度将严重影响煤尘沉降效率。我国的煤炭可分成褐煤、烟煤、无烟煤三大类共14种，其中烟煤包括不粘煤、弱粘煤、长焰煤、1/2中粘煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气煤、气肥煤和贫煤。本研究采集了典型煤样通过实验对其亲疏水性进行了分类，强疏水煤有贫煤、焦煤；弱疏水煤有气煤、不粘煤、长焰煤和无烟煤；亲水煤有褐煤。对亲水煤尘应采用纯水喷雾降尘，对弱疏水煤尘采用添加表面活性剂的喷雾降尘方式，而对于强疏水性煤尘根据产尘场所不同应采用负压除尘、布袋除尘和泡沫除尘方式。 本项目对煤矿喷雾过程中压力水射流过程中液粒分裂机理、液滴破粹方式及水雾的捕尘机理进行了研究；建立了喷雾降尘过程的气—液、气—粒（粉尘）两相流模型和气体一粉尘流一雾滴流多相流模型，并对其所形成的流场进行理论分析和数值模拟。研究表明：在一定范围内压力越大，雾化效果越好，所形成的雾滴平均粒径越小；产尘面附近粉尘浓度较高且沉降明显，随着风流的推移大粒径粉尘占比降低，而小于20um的小粒径粉尘占比上升，此类粉尘不易沉降。通过研究粉尘结构和运移规律及其动态特性，使粉尘粒子和粒子对流场的作用理论上得到完善。 本项目重点对疏水性煤尘的润湿性进行了建模和仿真研究，并通过表面活性剂的表面张力实验和煤样接触角试验,对适合捕获煤尘的表面活性剂进行了优选，测定并分析了不同煤尘的亲疏水性。进行了无尘源喷雾和有尘源的尘雾场耦合的喷雾降尘实验，对在不同喷雾条件下雾滴运移规律、雾场的雾滴变化规律、喷嘴结构与喷射距离对雾场的影响规律等进行了实验研究，优选了喷嘴及喷雾压力参数，并比较了不同煤尘的沉降效率。研究得出不同类型煤尘的运移规律和特定环境介质参数和设备运行参数对捕尘效率的影响规律，并给出不同产尘场所的降尘方法。 本项目开发了掘进工作面环流气水雾化除尘装置、巷道喷雾洒水车装置、矿用风水雾化器、泡沫除尘发泡设备和湿润剂添加装置，并获得了三项国家发明专利，这些关键技术的解决填补了国内现有粉尘防治技术的空白。 2100433B

本项目通过大量资料收集、室内试验、工程案例分析、现场试验、数值模拟和示范应用等多种研究手段，系统地开展了深基坑减压降水地面沉降机理及防治技术研究，取得的主要成果如下：①通过自主研发的土层渗流分层固结变形三轴模拟试验系统，模拟了深基坑减压降水作用下土体变形特征，提出了上海地区典型土层本构模型和模型参数；②以上海全域为研究尺度，系统研究了深基坑减压降水引发的地面沉降规律，基于深基坑减压降水地面沉降防治综合分区研究，提出了深基坑减压降水地面沉降控制指标；③系统地提出了"基坑围护与工程降水设计一体化"技术方法及实施路径；④从深基坑减压降水引发地面沉降理论、控制指标、防治技术、管理措施等方面，系统地总结了深基坑减压降水地面沉降防治对策。项目成果已成功应用于地铁9号线金海路站等深基坑工程，获得了很好的经济和环境效益，为《建设项目地质灾害危险性评估技术规程》（DGJ08-2007-2006）的修编提供了重要技术依据，为《上海市地面沉降防治管理条例》的有效实施提供了有力技术支撑。 2100433B