司马煤业有限公司掘进机外喷雾喷嘴雾化特性及降尘性能研究

为掌握山西潞安司马煤矿综掘工作面掘进机外喷雾喷嘴的雾化及降尘性能,利用自行设计搭建的喷雾性能测试平台,对当前掘进机外喷雾喷嘴在不同工况下的雾化特性及降尘效率进行试验研究.研究结果表明:喷嘴的水流量随着供水压力的增大而增大,且不同压力范围内水流量变化幅度不同;喷嘴的雾化角及射程随着供水压力的增大表现出逐渐增大的趋势,喷嘴雾化角变化幅度较小,射程变化较大;随着供水压力的增加,雾滴粒径逐渐减小,雾滴粒径大小约在100μm;同时,喷嘴降尘效率随供水压力增加表现出逐渐增大的规律.综合考虑各种因素,得到该喷嘴的最适供水压力为1.5 MPa,此时喷嘴降尘的全尘效率为73.34％,呼尘效率为52.82％.     

广角内混式空气雾化喷嘴雾化特性研究

为分析广角内混式空气雾化喷嘴雾滴场的雾化特性,采用马尔文高速喷雾粒度分析系统对雾滴场雾化特性进行实验研究。实验结果表明:在宏观雾化特性方面,供水压力和供气压力的变化分别对喷嘴的雾化角和射程的占主导作用;在细观雾化特性方面,沿轴线方向随着距离增大雾滴粒径不断增大,沿径向方向随着距离喷嘴轴线增大雾滴粒径不断增大。实验及现场试验表明,当气液压比值为1.5左右,气压为0.6 MPa、水压为0.4 MPa时,喷嘴雾场内雾滴粒径更适宜捕捉粉尘,转载点现场应用后的全尘和呼尘的降尘率较原喷雾压力下分别提高了21.66%、20.05%。     

综放工作面粉尘场与雾滴场耦合关系的实验研究

为了得到综放工作面雾滴场与其捕获的粉尘场之间的定量关系，根据模拟综放工作面通风风速的封闭式实验箱，设计了由供水系统、供风系统、测粒系统、测压系统、测尘系统、发尘系统等组成的综放工作面粉尘场与雾滴场耦合关系测试实验平台。采用三维激光多普勒粒子动态分析仪对包括直射喷嘴、单式离心喷嘴、混合式离心喷嘴等目前煤矿普遍使用的六大类压力喷嘴进行了尘雾场耦合实验，即在风机开启时，分别测定释放尘源前后的雾滴粒径，利用Matlab数值分析方法，得到了雾滴粒径在\[40,65\]、\[65,100\]、\[100,160\] μm等3个区间内无尘液滴平均粒径与其捕获尘粒平均粒径之间的拟和函数表达式。提出针对呼吸性粉尘的雾滴最佳捕尘粒径应为［15，70］μm，实现了对喷雾降尘理论的改进与完善。     

综掘工作面高压喷雾降尘技术研究

针对综掘工作面粉尘浓度高、治理困难的现状,研究了综掘工作面高压喷雾降尘技术,根据工作面粉尘粒径、喷雾粒径与降尘效率关系,确定了喷雾粒径最佳范围,并以新桥煤矿2501综掘工作面为例,在工作面粉尘分布规律测试的基础上,通过理论计算和实测验证确定了高压雾化喷嘴的型号和压力,结果表明,采用高压喷雾降尘技术后,工作面司机位置总粉尘降尘效率达92.5%,取得了较好的降尘效果。     

综掘工作面外喷雾喷嘴布置方式数值模拟研究

针对综掘工作面湿式除尘系统截割部外喷雾喷嘴间喷雾连续性差的问题，对喷嘴布置方式进行了数值模拟研究。首先，通过构建气液两相数学模型，推导出雾滴的速度分布与受力状态；然后构建综掘巷道几何模型，基于流体动力学分析软件Fluent对巷道内风雾耦合流场的雾滴状态的数值模拟，研究了喷嘴数量与喷嘴位置对雾滴物理特性的影响。结果表明：喷嘴数变化对小粒径的雾滴在巷道内的分布影响很小，其主要分布在巷道壁面与喷嘴位置附近；随喷嘴数量增加，大粒径雾滴数量明显增多，但各喷嘴的动能减小，扩散距离缩短；喷雾架上端喷嘴间距为80 mm时形成了更均匀、更致密的圆弧状喷雾屏障，喷雾架拐角处喷嘴呈直角状布置雾化均匀性最好，间距为110 mm时有雾滴分布最优。     

喷嘴喷雾压力与雾化粒度关系的实验研究

对喷嘴雾化粒度的指标和雾化粒度的测定方法进行了分析,利用Winner313激光粒度分析仪设计了喷嘴雾化实验系统,对煤矿采煤工作面常用的5种喷嘴进行了5个压力下的雾化粒度测定,得到了各类喷嘴在不同压力下的D50、D90、D[3,2]等数据,根据数据分析得出：要对呼吸性粉尘有较好的捕集作用,就必须实现高压喷雾;8 MPa作为支架和煤机喷雾压力时的雾化粒度对采煤工作面降尘效果最佳。通过在综放工作面的实际应用,降尘率平均在90%以上。     

内混式空气雾化喷嘴雾化特性及降尘效率研究

为了掌握内混式空气雾化喷嘴喷雾特性及降尘性能,借助自主研发的喷雾降尘实验平台,对内混式空气雾化喷嘴与X旋流型压力喷嘴流量、雾化角、射程、雾滴体积分数、雾滴粒径、雾滴速度等喷雾特性参数及降尘效率进行了实测,并对实验结果作对比分析。结果表明:随着供水压力的增加,内混式空气雾化喷嘴水流量和气流量分别呈指数形式递增和递减,气液质量流量比不断下/2次方成正比。随着供水压力的增加,2种喷嘴的雾化射程、雾滴体积分数及雾滴速度均增大。X旋流型压力喷嘴雾化角明显大于空气雾化喷嘴,其喷雾作用范围更宽;随着供水压力的不断提高,空气雾化喷嘴雾化角呈现先增大后减小的变化规律,而压力喷嘴则一直以较小的幅度不断减小。空气雾化喷嘴由于有压缩空气作为助力,在供水压力较低时能获得较为理想雾滴粒径,且随着供水压力的增大,雾滴粒径不断增大;普通压力喷嘴的雾化粒径随着供水压力的提高而减小,且需在较高的供水压力下才能获得理想的雾滴粒径。在相同的供水压力下,空气雾化喷嘴雾滴粒径和水流量均小于压力喷嘴,而雾滴体积分数、雾滴速度及降尘效率均高于压力喷雾。气水喷雾较压力喷雾具有明显的优势,获得相同的降尘效率,气水喷雾耗水量仅约为压力喷雾的一半。     

高压喷嘴雾化特性试验研究

喷嘴的性能直接影响喷雾降尘的效果。基于室内模拟巷道降尘试验平台,对喷嘴在不同压力、孔径下的雾化特性进行试验研究。结果表明:当喷嘴孔径一定时,喷雾压力与喷雾粒径呈负相关关系,而雾滴分散性则与喷雾压力呈正相关关系;当喷雾压力一定时,雾化粒径与喷嘴孔径呈正相关关系。试验喷嘴的最优工作喷雾压力为6 MPa,并给出了最优喷雾压力下各孔径喷嘴的喷雾粒径分布范围与索太尔平均粒径。     

大采高综采面液压支架喷雾降尘方法改进与应用

针对大采高综采工作面粉尘污染严重的问题,基于相位多普勒激光干涉仪PDI200MD的雾化特性试验,分别测定6种喷雾降尘常用喷嘴在8 MPa喷雾压力下的宏观雾化特性,以及1.2 m/s扰动风流下的雾滴粒径分布,并根据试验结果设计了文丘里负压喷雾器以及液压支架喷雾降尘方法,最后通过现场粉尘浓度测定考察其应用效果。结果表明:孔径为2.2 mm的含X形导流芯混合式广角实心圆锥形喷嘴的雾化特性最佳,其在8 MPa喷射压力下,雾化角为73.5°,有效射程为5.3 m,流量为7.05 L/min;在1.2 m/s扰动风流影响下,特征粒径D_(0.5)、Sauter平均粒径D_(32)以及Herdan平均粒径D_(43)分别为38.541、33.951、41.162μm,雾滴轴向速度为26.415~57.468 m/s。液压支架喷雾降尘方法应用后,工作面采样点的总尘及呼尘浓度较传统喷雾降尘方法均出现明显降低,其平均总尘降尘率为86.4%,平均呼尘降尘率为82.5%。     

诱导气流对转载点雾化特性影响规律的数值模拟与试验

为了分析煤矿转载点诱导气流对喷雾降尘过程中雾化粒度的影响，采用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）离散相模型的粒子跟踪技术，模拟了不同诱导气流条件下雾滴粒径的分布特性。分析结果表明：在诱导气流的影响下，雾滴颗粒向导料槽出口漂移明显，粒径统计项D[3，2]和D[4，3]随诱导气流风速的增加而减小，减幅分别为17.17%和16.19%；同时，雾化压力的增大，提高了雾滴颗粒发生二次破碎的强度，导致雾化粒度随压力的增大而减小。根据结论，对转载点高压喷雾降尘系统进行了改进，现场喷雾压力由1.5 MPa提高到6.2 MPa，调整雾化场轴向横截面与诱导气流方向之间呈30°夹角，现场实践表明：相对于改进前，转载点全尘浓度和呼吸性粉尘浓度分别降低了88.60%和78.96%。     

同忻矿综放工作面转载点粉尘分布特征及治理措施

为有效治理同忻矿综放工作面在高强度采掘作业中转载点产生的粉尘,经现场观察发现水喷雾在布置和喷雾效果方面均显不足,采用实测与数值模拟方法,对综放工作面的粉尘空间分布与运移规律进行了详细分析,发现风流在转载点处发生90°偏转后形成的折返风流和粉尘扩散规律,得出高浓度粉尘的聚集位置,并有针对性地布置了气水喷雾装置进行粉尘控制,成效显著,可供类似矿山参考。     

采煤机外喷雾系统数值模拟研究

为提高采煤机外喷雾系统性能,改善工作面作业环境,基于Pro/E与GAMBIT联合建立了采煤工作面模型,选用标准k-ε湍流模型构造采煤机外流场数学模型,并通过FLUENT仿真得到巷道内风流平均速度为1.8 m/s左右,符合《煤矿安全规程》的规定;对采煤机外喷雾系统进行了数值模拟,通过改变喷嘴口径、喷雾压力和扩散角等参数,得到了不同喷雾参数下的雾滴粒径和雾化浓度的变化规律:随着喷雾压力的增大,雾滴粒径减小,喷雾浓度分布更加均匀;小口径喷嘴雾化浓度较高,大口径喷嘴雾化区域浓度均匀、捕集面积大;小雾化扩散角下的雾粒速度相对较大,大扩散角下的雾流浓度分布均匀,但其穿透力差。分析结果为提高采煤机喷雾降尘效率,降低采煤工作面粉尘浓度提供了依据。     

掘进机外喷雾负压二次降尘装置的研制与应用

为了有效喷雾沉降综掘工作面掘进机截割产尘,数值模拟确定了喷雾负压二次吸风装置吸风及内部风流场的运移规律,研制了可形成完全覆盖截割产尘的水雾幕及对截割臂周围粉尘有效吸入净化的新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置,并对其性能进行了测定实验,结果表明:喷雾压力由2 MPa增大至8 MPa过程中,选用喷嘴在4 MPa压力时,喷雾场雾化角及距喷口1.5 m处雾滴群的索特平均直径D32分别为87.6°及56.295μm,综合雾化性能最优,新型装置的气液比先增大后减小,4 MPa时达到最大值1.269,因此,选定4 MPa为最佳喷雾压力;新型装置的现场试验结果表明:相对于原有方式,对全尘和呼尘的平均降尘率分别提高了19.4%和20.1%,其中,负压二次降尘分别提高了6.0%和6.5%。     

基于多普勒技术的气水喷嘴雾场粒度速度实验研究

为了分析供气供水压力对煤矿井下气水喷雾粒度速度的影响,针对粉尘的性质特点以及危害类型,成功地设计并进行气水雾化喷嘴雾化特性实验。实验运用全新一代的相位多普勒干涉仪(PDI),从喷嘴所成雾场的宏观特性和微观特性2个方面对喷嘴的雾化效果进行了分析,确定了不同条件下喷嘴所成雾场中雾滴粒径及速度分布规律。通过对实验数据的分析,得出在水压不变的情况下,随着气压的增加,雾滴粒径逐渐减小;沿雾场的轴线方向,随着测点与喷嘴间距离的增大,雾滴粒径呈增大趋势,雾滴轴向分速度及径向分速度都随之减小。     

供气压力对流体型超声喷嘴雾化特性及降尘效率的影响

为了掌握供气压力对流体型超声雾化喷嘴雾化特性及降尘性能的影响,借助自主研发的煤矿井下喷雾降尘实验平台,对流体型超声雾化喷嘴流量、雾化特性及降尘性能进行了实测。实验所涉及的喷嘴雾化特性参数包括雾化角、射程、雾滴粒径等,降尘性能采用全尘降尘效率和呼吸性粉尘降尘效率进行评价。实验结果表明:随着供气压力的增大,喷嘴空气流量呈幂函数形式增大,而水流量呈指数函数形式下降,气液体积流量比不断增大;喷嘴雾化角和雾滴粒径随着供气压力的增大而逐渐缩小,而雾滴速度和射程则表现为随供气压力增大而逐渐增大的趋势;对于本次实验所选取的供水压力,供气压力由0.2 MPa增加至0.7 MPa,喷嘴空气流量约增加100 L/min,水流量约降低1.3 L/min,雾化角和雾滴粒径分别约减小75°和60μm,而雾滴速度和射程分别约增加7.5 m/s和210 cm。喷嘴全尘降尘效率和呼吸性粉尘降尘效率均随着供气压力的增大呈现先增加后减小的变化规律,并在某一个供气压力下获得最高值。供水压力p_L不同,获得最高降尘效率所对应的供气压力p_(air)亦不同,喷雾降尘效果较优的气水压力组合有1号(p_L=0.2 MPa,p_(air)=0.3 MPa),2号(p_L=0.3 MPa,p_(air)=0.4 MPa)和3号(p_L=0.4 MPa,p_(air)=0.5 MPa)。煤矿现场应采用以上气水压力组合,既可获得较为理想的雾滴粒径,同时能以较低的耗水量获得较高的降尘效率。     

旋涡离心混合式喷嘴雾化特性实验研究

为提高旋涡离心混合式喷嘴工况场所降尘效果,基于现有的喷雾降尘模拟实验系统,采用实验手段系统研究了该喷嘴雾化场中的雾滴粒径的空间分布以及雾化参数的各影响因素。研究表明:在喷嘴轴线方向,因距喷嘴距离的增加,雾滴粒径不断增大;在距喷嘴一定距离纵断面方向上,雾滴粒径由外向内逐渐减小,但减小幅度较缓慢;由于供水压力的增加,喷嘴流量逐渐加大,雾滴粒径不断减小。在相同的供水压力下,喷嘴流量因喷嘴直径的增加不断增大;喷雾场中的雾滴粒径随着喷嘴直径的增加也逐渐增大,且增幅较大。在相同供水量条件下,由于喷嘴直径的增加,喷雾压力逐渐减小,雾滴粒径逐渐增大。     

高压喷雾雾化特性及降尘效率实验研究

为了研究喷嘴的雾化特性和高压喷雾降尘效果,在模拟井下巷道降尘装置性能实验平台上开展了喷雾降尘实验.利用Spraytec马尔文粒径分析仪对孔径为1.0 mm的压力型雾化喷嘴进行了5种不同压力下的雾化粒径测量实验,得到了该喷嘴在不同压力下的雾滴粒径数据;通过对巷道喷雾段前断面和喷雾段后断面的粉尘浓度同步测量,得到了不同喷雾压力下喷雾降尘效率数据.实验结果表明:对于该型号的喷嘴,随着喷雾压力增加,喷嘴流量增加,雾化粒径减小,当压力达到一定值后,继续增加喷雾压力,雾粒减小的幅度减缓;在风速和发尘浓度一定时,全尘和呼吸性粉尘降尘效率随着压力的增加而增加,达到一定的压力值后增加的幅度减小;对于孔径为1.0 mm的喷嘴,降尘效果最佳的喷雾压力为8 MPa.     

矿井综合防尘技术研究

针对矿井采掘工作面工作特点,提出了矿井综合防尘技术,研究出一套针对于综放工作面、综掘工作面、普掘工作面的防尘工艺,有效解决矿井采掘工作面粉尘防治问题,改善了作业条件,保证了安全生产。     

顺风流扰动下喷雾场粒度-速度分布规律实验

为研究在顺风流扰动下的喷雾场粒度-速度分布规律,建立了基于相位多普勒激光干涉仪的喷嘴高压雾化实验平台。根据井下喷雾除尘的实际情况,同时结合现有的实验条件,设计了实验测点以及实验风速,并选取了以孔径为2.0 mm含X型导流芯混合喷嘴为主要喷嘴进行实验。得到了在顺风条件下,整个雾场的雾滴速度整体增加,而雾滴粒径整体减小但分布更加均匀。通过数据的比较,得知在4 MPa喷雾压力下,雾场的宏观、微观特性已经足以满足井下降尘的需求。     

煤自燃防治气溶胶制备的试验

基于二流体超音速雾化技术原理,设计了二流体超音速雾化气溶胶制备系统和胶体粒度分布分析系统,应用该系统对雾化胶体粒度分布进行研究,测试了不同压力、不同型号雾化喷嘴在不同位置的雾化粒度参数。试验结果表明:供气压力为0.6MPa,水压力分别为0.6、0.8、1.0、1.2MPa时,沿喷雾轴向距喷头300、500、700 mm处随着轴向距离的增加,雾化粒径先变小后趋于稳定;在同一大气压和水压下,随着喷嘴孔径的变大,流量变大,雾滴平均粒径变小;液体压力为1.2MPa、气压为0.6MPa条件下MAL1130B1喷嘴雾化粒度最佳。