第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着我国矿山工程机械化程度的逐步提高以及开采强度的不断加大，伴随矿山的各类事故也频频发生，其中以煤炭行业最为显著，死亡人数占整个矿难的八成以上[2]。大部分矿难的发生都是由粉尘引起的，粉尘浓度过高不仅会威胁工人的生命安全，而且污染井下工作环境，影响矿井的正常生产。由于煤矿行业的资源整合，中大型矿井越来越多，投入的人力物力也更多，与此同时，大大提高了井下安全事故发生的频率。中国是世界第一大产煤国，近年来，煤矿产量越来越高，随之产生的粉尘量也与日俱增，矿井粉尘还会对井下工作人员带来各种身体危害，严重影响人的肺部功能，使职工患上尘肺病。一般情况下，采煤工作面产尘量最高，占 45%~80%，一直是粉尘治理的重点和难点，掘进工作面占 20%~38%，锚喷及其它作业点产尘量在 15%以下[3]。据了解，在没有任何降尘措施时，综采工作面全尘浓度高达 2000~3500 mg/m3，采煤机截割时煤尘浓度甚至超过 5000 mg/m3，大大超过国家规定的标准，即使采取煤体预先注水、采煤机喷雾等降尘措施，空气中的煤尘浓度依然很高。国内外针对矿井粉尘防治进行了大量的理论研究和现场试验，形成了以水为主的湿式除尘方式，并积累了丰富的煤矿井下防、降尘经验，但是我国大多数煤矿基础相对薄弱，井下除尘系统不完善，对粉尘的治理不是很到位。近几年来，矿井煤尘、瓦斯爆炸事故依然存在，井下工作人员长期受尘肺病的困扰，给家庭带来巨大的损失，严重影响社会的和谐发展，根据煤矿井下环境特点选择合适的除尘方式，是我国煤炭行业丞待解决的难题。矿井粉尘的防治显得尤为重要，对确保矿工身体健康以及现代化矿井建设具有重要意义。如图 1-1所示为 2009-2020 年我国主要能源占能源消费总量的比重情况。
图 1-1 2009-2020 年我国主要能源占能源消费总量的比重(%)
1.2 煤矿粉尘的概述
1.2.1 粉尘的分类
（1）岩尘
岩石中一般将颗粒直径比较小的粉尘称为岩尘，有时也叫矽尘，在此类粉尘的测定中游离二氧化硅含量占比通常在 10%以上。
（2）煤尘
煤尘是指煤矿开采过程中产生的最主要的粉尘，一般颗粒直径很小，矿井在对煤尘的定义中比较广泛，煤尘主要评定标准分为施工地点和员工接触性两类，前者二氧化硅含量在 10%以下，后者二氧化硅含量在 5%以下。
（3）水泥粉尘
煤矿井下某些场地需要用到水泥，因此在井下工作过程中有时会出现水泥粉尘。
（4）全尘和呼吸性粉尘
全尘是指矿井开采产生的所有粉尘的总称，呼吸性粉尘指粒径在 5 μm 以下的粉尘，肉眼难以察觉，这类粉尘通过人体呼吸可直接到达肺部，影响身体健康，对人体危害极大。
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第 2 章 高压喷雾除尘理论基础
2.1 高压喷雾技术
高压喷雾是在高压泵的作用下将液态水进行加压，通过喷嘴喷出细小雾粒的过程，即流体介质的压力能向动能转化的过程。常规压力喷雾喷出的水雾主要有两个作用阶段，第一阶段为有效作用段，此喷雾段射流速度大，受重力影响较小；第二阶段为雾流衰减段，此喷雾段雾流速度较小，受自身重力影响较大，主要表现为雾滴的扩散与沉降。低压喷雾（如图 2-1 所示）时入射压力较低，流体经喷嘴喷出的射流较为集中，由于受到空气的阻力射流缓慢分散为细小的水雾，水雾喷出一段距离后速度减小，迅速进入射流衰减阶段，雾粒开始扩散、沉降。低压喷雾不能确保水雾的均匀分布，由于压力较低，雾流没有到达有效衰减区，进入衰减区的雾化颗粒较大，雾化效果不均匀，由于受到重力影响较早，雾化颗粒与粉尘结合效率较低，捕尘效果不好。
高压喷雾（如图 2-2 所示）没有明显的衰减阶段，喷出的水雾较为均匀，雾化粒径小，涡流强度大，且高压喷雾时，流体与喷嘴摩擦剧烈，具有电荷性的雾化颗粒与粉尘更容易凝结，因此高压喷雾更高效，除尘效果也更好[38-39]。大量研究表明，煤矿井下高压喷雾除尘时喷雾压力在 7.5 MPa~15 MPa 范围内，雾粒捕集粉尘能力显著提升，除尘效率较高，雾化效果也较好。
图 2-1 低压喷雾 图 2-2 高压喷雾
2.2 雾化机理
从上世纪三十年代开始，相关学者对流体射流雾化理论进行算了大量研究，雾化是指在外部压力的作用下，流体经过喷嘴使液滴破碎的过程。张元坤指出对于不同类型的喷嘴雾化形式基本一样，即在流体雾化过程中会形成细微的射流或薄状的液膜，之后在表面张力以及周围气动力的作用下完成雾化[40]。本研究对象为压力式喷嘴，液体雾化过程由于受到喷嘴结构等因素的影响，其破碎过程具有较大的不确定性和复杂性，研究表明最具代表性的形式为液膜破碎和射流破碎。
2.2.1 液膜破碎机理
液膜破碎是在内力和外力共同作用下发生的破碎过程，由于受到较多外界因素的影响，其表面会出现一定程度的浮动，当振动程度变大时，液膜将与液滴本身产生分离而变成一系列细微的液态颗粒，从而完成液膜的破碎过程。
2.2.2 射流破碎机理
射流技术广泛应用于我国工程领域等各行各业中，如射流喷雾、射流切割以及航空发动机等，由于射流雾化机理形式较为复杂，因此很难建立高压射流破碎相关理论模型。张玉荣等认为射流雾化开始阶段仍有未破碎的液滴颗粒，工况相同时，环境结构和环境反压对射流破碎有较大影响[41]；赵子行对旋流喷嘴射流破碎特点进行了研究，结果表明，当入射压力和喷嘴旋流直径增大时，射流表面波越密，射流破碎时间越早[42]。
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第 3 章 高压喷雾雾化特性实验研究..................................25
3.1 高压喷嘴及雾化参数................................25
3.2 搭建实验台...............................26
第 4 章 基于 CFD 的旋流喷嘴数值模拟研究.............................31
4.1 喷嘴数值模拟理论基础....................31
4.1.1 CFD 理论简介..............................31
4.1.2 流体流动基本特性...............................32
第 5 章 矿井综采工作面喷雾除尘系统设计...................................47
5.1 概况.......................................47
5.1.1 铺龙湾矿井概况..............................47
5.1.2 综采工作面概况...............................47
第 5 章 矿井综采工作面喷雾除尘系统设计
5.1 概况
5.1.1 铺龙湾矿井概况
山煤集团铺龙湾煤业有限公司位于山西省大同市左云县兴云镇东南约 22 km处的施家窑村，主要生产气煤，工业用煤、动力用煤及民用，2012 年 11 月 14 日同意开采 1-8 号煤层，开采方式为地下开采，生产规模 120 万 t/a，井田面积为 4.8649km2，开采深度为+1175~+990m 标高，有效期为 30 年，2019 年 12 月 17 日同意开采 1 号、5 号煤层，2019 年 11 月 29 日，山西铺龙湾煤业有限公司生产能力为 120万 t/a，5 号煤层位于太原组中下部，上距 4 号煤层 30.64~60.97 m，平均 45.02 m，中间夹有 5 上和 4 下号不稳定的局部可采煤层。
5.1.2 综采工作面概况
5102 工作面位于一采区西部，南面为已采 5106 工作面，北面为断层保安煤柱，西面为矿区边线，东面为盘区大巷，5102 工作面上方为重叠布置 4 号煤 4207 工作面，层间距为 56.4-78.8 m，下方为 8 号未开采煤区。经检测，5 号煤层具有爆炸性，自燃倾向性等级为 II 类，自燃倾向性性质为自燃，煤的吸氧量为 0.56 cm3/g，绝对瓦斯涌出量为 1.55 m3/min。
5102 工作面可采长度为 1441.5 m；工作面分为三段，第一段走向长 215 m，倾向长 145 m；第二段走向长 605.5 m，倾向长 179.5 m；第三段走向长 621 m，倾向长 106 m；可采储量为 242.2 万吨，已开采煤量为 225.2 万吨；51022 巷为轨道运输巷，运输长度为 1656.8 m，巷道内布置钢轨 3313.6 m，负责工作面物料运输任务，轨枕采用长 1200 mm 的枕木，枕木间距为 700 mm；51021 巷长 1643.6 m（顺槽皮带巷），51022 巷长 1670 m（回风巷），采用胶轮车运输，辅运队负责运进工作面。图 5-1 为 5102 综采工作面示意图。
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第 6 章 总结与展望
6.1 论文总结
本文以目前煤矿井下综采工作面产尘特点和喷雾除尘情况为背景，通过查阅国内外相关研究现状，分析了综采工作面喷雾除尘存在的问题。首先从喷雾除尘理论方面进行探究，介绍了高压喷雾技术，并对雾化机理、除尘机理以及喷雾除尘影响因素进行了分析，并对纵向旋流喷嘴进行了数值模拟研究，设计了喷雾除尘系统，主要内容及成果如下：
（1）在河北工程大学流体实验室搭建高压喷雾实验台，对矿井除尘常用的两种喷嘴（直射式和离心式）雾化特性进行实验研究，探究不同进口压力下喷雾有效射程和雾化角变化情况以及同一进口压力下不同喷口直径的离心式喷嘴雾化特性，实验表明，同一喷嘴在喷雾压力增大时，有效射程逐渐增大，雾化角逐渐减小；喷雾压力为 8 MPa 时，随着离心式喷嘴出口直径的增大，雾化角和有效射程均随之增大，但有效射程变化不明显。
（2）利用 SOLIDWORKS 软件完成对旋流喷嘴的三维几何建模工作，在ICEM-CFD 中划分了高质量的网格，利用 FLUENT 软件对喷嘴流场进行数值模拟研究，旋流芯不同螺旋角度对出口速度影响较大，在一定范围内适当增大螺旋角有利于提高喷嘴出口速度和湍流动能；喷嘴收缩段与旋流段长度比对喷雾效果有一定影响，比值过大过小都不利于流体雾化，当收缩段与旋流段长度相近时喷雾效果较好。
（3）以山煤集团铺龙湾矿一采区 5102 综采工作面为研究背景，分析了该工作面的粉尘特性、产尘特点以及粉尘运移规律，探究了 5102 工作面喷雾除尘存在的问题，设计出组合式喷雾除尘系统，现场应用除尘效果好，并对采煤机内、外喷雾进行了优化，改进后的内喷雾喷嘴布置方式对单个截齿均实现全覆盖，每个摇臂布置三个外喷雾喷嘴，分别指向滚筒中心及两侧截齿进行喷雾，大大增加了雾场与粉尘的接触面积。
参考文献（略）