综采面粉尘运移特性及气动喷雾控尘研究.pdfVIP

摘要

煤炭作为我国能源供应的“压舱石”，“十四五”期间全国煤炭产量保持高位。

为满足国民经济发展所需的煤炭消费量，煤炭开采强度不断增加，但作业区域的粉

尘污染问题愈发严重。粒径小于5μm的呼吸性粉尘分散度极大，是导致矿井工人患

尘肺病的主要因素。喷雾除尘技术因其操作成本低、效率高和可靠性强等方面的优

势被广泛应用于煤炭工业生产场所。喷嘴作为喷雾除尘技术的主要部件，其选型与

雾化特性对系统除尘性能具有决定性的影响。气动喷嘴以气体为动力冲击液膜分裂

成具有强劲动力的微细雾滴，对呼吸性粉尘的沉降效果更好，也是目前除尘领域的

研究热点，但在实际综采面喷雾场出现粉尘逸散问题限制喷雾除尘技术的发展和应

用。为此本文以仿真和试验结合的方法，研究采煤工作面排尘风流下不同粒级粉尘

的分布情况，选取雾化性能最优的气动喷嘴，改善喷雾场抑制粉尘扩散的效果。

本文主要研究内容如下：

（1）依据气固两相流理论，利用气体连续性流动控制方程、动量守恒方程和颗

粒离散相流动控制方程建立描述粉尘在气流中运动轨迹的数学模型；阐明了喷嘴雾

化机理和喷雾捕尘机理，采用TAB模型描述液滴的破碎情况；基于拉格朗日框架描

述液滴和粉尘（流-固）两相相互渗透、耦合的运动特征，为气动喷雾除尘提供理论

基础。

（2）利用三维软件建立煤矿综采工作面的三维模型，利用Fluent软件对综采面

风流场和粉尘运移规律进行仿真分析，研究不同风速下采煤机前滚筒各垂直截面、

水平剖面的风流场以及巷道各区域不同粒级粉尘的分布情况。结果表明：顺风割煤，

巷道通风速度1.75m/s时工作面风流场稳定，气流向人行道横向扩散的趋势小，更

适合排出粉尘；从作业区至回风巷粉尘运动迹线呈现出密集到稀疏的趋势，作业区

附近1~10μm粒级粉尘约占36%，此粒级粉尘应作为重点治理目标。

（3）通过喷雾试验研究了不同型号气动雾化喷嘴在不同气压（0.2、0.3、0.4和

0.5MPa）、水压（0.1、0.2和0.3MPa）下的雾化效果和流量特性。利用Fluent软件

对喷嘴内部Laval管道中气液速度场进行仿真，分析喷嘴内部雾化机理；对采煤机外

喷雾系统在不同喷射角度下的雾化场，以及喷雾场对粉尘的耦合作用进行数值模拟。

结果表明：Ⅱ号喷嘴在气压0.4MPa、水压0.3MPa时，喷雾场整体雾滴粒度均匀，

平均粒径在25~49μm左右，有利于捕集呼吸性粉尘；当水压一定时，喷嘴的水流量

随着气压的增加呈现逐渐减少的趋势，且下降速率逐渐变慢；Laval管道内部最大气

液相间速度差为134m/s，将导致液滴被加剧分裂；喷嘴出口喷射角度为25°时，雾

3

滴浓度为23g/m，喷雾场对采煤机滚筒实现了全覆盖，高浓度粉尘团明显减少，有

效抑制了粉尘逸散。

关键词：综采面；粉尘运移；气动雾化喷嘴；数值模拟；粉尘抑制

Abstract

Coal,servingastheballaststoneofChinasenergysupply,maintainedahighlevel

ofproductionnationwideduringthe14thFive-YearPlanperiod.Tomeetthecoal

consumptionrequiredforthedevelopmentofrelatedindustries,theintensityofmininghas

beenincreasing,buttheproblemofdustpollutionintheoperatingareasisbecoming

increasinglyserious.Respirabledustparticlessmallerthan5μmindiameterdisperse

significantly,constitutingtheprimaryfactorleadingtocoal