粉塵是煤礦開采所面臨的主要災(zāi)害之一，嚴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，尤其是對粒徑小、疏水性強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，增強水溶液和粉塵(尤其是呼吸性粉塵)間的濕潤凝并性能，基于活性添加劑與磁場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制及技術(shù)，采用理論分析、實驗研究、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法系統(tǒng)開展了活性添加劑與磁化協(xié)同增效改善溶液濕潤性能作用機理、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:采用動力學(xué)模擬與實驗相結(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濕粉塵機理。研究表明:磁化能改變水分子徑向分布函數(shù)增強水分子擴散系數(shù)，破壞水分子間的氫鍵結(jié)構(gòu)，使得大分子團簇破裂為更多小分子集團，降低了溶液內(nèi)聚力，進而使得水溶液濕潤粉塵能力得到加強。此外，活性添加劑(含有陰離子、非離子活性劑)通過自身所具有的活性基團大幅改善了水溶液濕潤性能，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也增加了溶液濕潤性能。

活性磁化水通過磁化(物理方法)與活性添加劑(化學(xué)方法)間有機結(jié)合，大幅增強了降塵霧滴濕潤凝并粉塵的能力。基于磁化與活性添加劑在改善溶液濕潤性能方面的協(xié)同增效作用機理，并結(jié)合陰離子、非離子活性劑間復(fù)配增效作用機制，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間為基礎(chǔ)評價參數(shù)，溶液鋪展功、浸入功、發(fā)泡性及濕潤性能增長率為輔助性能參數(shù)的溶液濕潤性能評價體系，系統(tǒng)分析了不同單體及復(fù)配表面活性劑對溶液濕潤性能的作用效果，同時研究了磁化對復(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性能相對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)濕潤性能最強且與磁化協(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%時與陰離子活性劑C復(fù)配得到的，其井下降塵使用量僅為0.03%。利用構(gòu)建的活性添加劑溶液小型磁化實驗系統(tǒng)，研究了磁化方式、磁場強度、磁程及穿過磁場的水流速度對活性磁化水濕潤性能的作用效率，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的速度穿過磁場強度為300-350 mT的脈動切割與螺旋擾流耦合磁場(磁程為8 m)，所制備得到的活性磁化水濕潤性能最佳，其接觸角相對于原有活性添加劑溶液減少了29.93%，降低到23.97°;同時，其表面張力有了進一步的降低，達到了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)噴霧霧化降塵測試系統(tǒng)，開展了活性磁化水高效霧化方法及降塵特性實驗研究，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時所形成的降塵噴霧場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，同時活性磁化水對不同粒徑區(qū)間呼塵具有高效降塵效率，對于0~2.5μm粒徑區(qū)間的煤塵，其降塵效率相對于純水有了31.46%的提高。此外，基于對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，以互補式的噴霧方法排布噴嘴，顯著提高了霧場對主要產(chǎn)塵源的覆蓋面積。

現(xiàn)場應(yīng)用證實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。鄭煤集團鄒莊煤礦3109掘進工作面現(xiàn)場應(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;同時經(jīng)山東魯泰控股集團鹿洼煤礦采煤工作面現(xiàn)場應(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到了89.1%、87.6%，相對于水噴霧降塵，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)場應(yīng)用進一步證實了磁化與活性添加劑溶液間的協(xié)同增效降塵作用。