粉塵是煤礦開(kāi)采所面臨的主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著井下職工的身心健康及企業(yè)的安全生產(chǎn)。水噴霧作為煤礦井下應(yīng)用最為廣泛的粉塵防治方法，但降塵效果不佳，尤其是對(duì)粒徑小、疏水性強(qiáng)的呼吸性粉塵降塵效率更低，難以滿足礦塵防治要求。為高效防治煤礦井下粉塵，增強(qiáng)水溶液和粉塵(尤其是呼吸性粉塵)間的濕潤(rùn)凝并性能，基于活性添加劑與磁場(chǎng)磁化在水溶液理化性能方面的協(xié)同增效作用，本論文提出了活性磁化水降塵的新思路。

并圍繞煤礦井下活性磁化水降塵機(jī)制及技術(shù)，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法系統(tǒng)開(kāi)展了活性添加劑與磁化協(xié)同增效改善溶液濕潤(rùn)性能作用機(jī)理、活性磁化水高效磁化理論、煤礦井下高效霧化降塵方法等方面的研究，取得了以下研究成果:采用動(dòng)力學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法從分子結(jié)構(gòu)層面揭示了磁化與活性添加劑協(xié)同增效的活性磁化水潤(rùn)濕粉塵機(jī)理。研究表明:磁化能改變水分子徑向分布函數(shù)增強(qiáng)水分子擴(kuò)散系數(shù)，破壞水分子間的氫鍵結(jié)構(gòu)，使得大分子團(tuán)簇破裂為更多小分子集團(tuán)，降低了溶液內(nèi)聚力，進(jìn)而使得水溶液濕潤(rùn)粉塵能力得到加強(qiáng)。此外，活性添加劑(含有陰離子、非離子活性劑)通過(guò)自身所具有的活性基團(tuán)大幅改善了水溶液濕潤(rùn)性能，并在磁化作用下陰離子、非離子活性劑在水溶液表面形成更為緊密的隔離層，促使活性添加劑臨界膠束濃度降低的同時(shí)也增加了溶液濕潤(rùn)性能。

活性磁化水通過(guò)磁化(物理方法)與活性添加劑(化學(xué)方法)間有機(jī)結(jié)合，大幅增強(qiáng)了降塵霧滴濕潤(rùn)凝并粉塵的能力。基于磁化與活性添加劑在改善溶液濕潤(rùn)性能方面的協(xié)同增效作用機(jī)理，并結(jié)合陰離子、非離子活性劑間復(fù)配增效作用機(jī)制，研發(fā)了制備活性磁化水的高效活性劑。構(gòu)建了以表面張力、接觸角及粉塵沉降時(shí)間為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)參數(shù)，溶液鋪展功、浸入功、發(fā)泡性及濕潤(rùn)性能增長(zhǎng)率為輔助性能參數(shù)的溶液濕潤(rùn)性能評(píng)價(jià)體系，系統(tǒng)分析了不同單體及復(fù)配表面活性劑對(duì)溶液濕潤(rùn)性能的作用效果，同時(shí)研究了磁化對(duì)復(fù)配活性劑溶液性能的影響，結(jié)果表明:在磁化作用下陰離子活性劑溶液濕潤(rùn)性能相對(duì)于非離子活性劑更易于得到改善，相同復(fù)配條件下活性添加劑(F+C)濕潤(rùn)性能最強(qiáng)且與磁化協(xié)同作用最好。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了能與磁化具有較強(qiáng)協(xié)同增效作用的低成本活性磁化水添加劑，即在非離子活性劑F含量15%時(shí)與陰離子活性劑C復(fù)配得到的，其井下降塵使用量?jī)H為0.03%。利用構(gòu)建的活性添加劑溶液小型磁化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了磁化方式、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁程及穿過(guò)磁場(chǎng)的水流速度對(duì)活性磁化水濕潤(rùn)性能的作用效率，探明了高效制備活性磁化水所需的最佳磁化參數(shù)，并提出了基于脈動(dòng)切割與螺旋擾流耦合作用的高效磁化方法。

結(jié)果表明:含有0.03%活性添加劑的溶液以4 m/s的速度穿過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度為300-350 mT的脈動(dòng)切割與螺旋擾流耦合磁場(chǎng)(磁程為8 m)，所制備得到的活性磁化水濕潤(rùn)性能最佳，其接觸角相對(duì)于原有活性添加劑溶液減少了29.93%，降低到23.97°;同時(shí)，其表面張力有了進(jìn)一步的降低，達(dá)到了26.37 mN/m。在此基礎(chǔ)上，研究并確立了磁化裝置高效制備活性磁化水所需的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及內(nèi)外磁鐵分布方式，成功研發(fā)了活性磁化水高效磁化裝置。基于所搭建的水基介質(zhì)噴霧霧化降塵測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)展了活性磁化水高效霧化方法及降塵特性實(shí)驗(yàn)研究，并據(jù)此構(gòu)建了適用于煤礦井下粉塵防治的活性磁化水噴霧霧化技術(shù)體系。

研究表明:噴霧壓力及噴嘴孔徑是影響活性磁化水降塵霧場(chǎng)霧化特性的關(guān)鍵，所選孔徑1.5 mm的噴嘴在噴霧壓力5 MPa時(shí)所形成的降塵噴霧場(chǎng)霧化效果趨于最大化;活性磁化水降塵效率與噴霧壓力間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其擬合函數(shù)方程為:η=-151.51*exp(-P/1.24)+80.07，同時(shí)活性磁化水對(duì)不同粒徑區(qū)間呼塵具有高效降塵效率，對(duì)于0~2.5μm粒徑區(qū)間的煤塵，其降塵效率相對(duì)于純水有了31.46%的提高。此外，基于對(duì)不同噴嘴排布方式與活性磁化水霧化特性關(guān)系的研究，研制出了一種噴嘴排布裝置，以互補(bǔ)式的噴霧方法排布噴嘴，顯著提高了霧場(chǎng)對(duì)主要產(chǎn)塵源的覆蓋面積。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證實(shí)了煤礦井下活性磁化水降塵技術(shù)能高效防治井下懸浮粉塵，特別是呼吸性粉塵。鄭煤集團(tuán)鄒莊煤礦3109掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明:活性磁化水降塵技術(shù)能有效降低煤礦井下粉塵濃度，全塵、呼塵濃度分別降至11.94 mg/m~3、7.74 mg/m~3;同時(shí)經(jīng)山東魯泰控股集團(tuán)鹿洼煤礦采煤工作面現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明:活性磁化水降塵技術(shù)能高效捕捉井下粉塵，其全塵、呼塵降塵效率分別達(dá)到了89.1%、87.6%，相對(duì)于水噴霧降塵，其全塵、呼塵降塵效率分別提高了34%、46.29%，大幅改善了煤礦井下職工的工作環(huán)境，保障了企業(yè)的安全生產(chǎn)。此外，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)一步證實(shí)了磁化與活性添加劑溶液間的協(xié)同增效降塵作用。