矿井粉尘不仅会造成爆炸事故,而且会引起施工人员的尘肺病,对施工人员的健康和安全够成了重大威胁。随着我国煤炭开采强度不断提高,迫切需要进一步提升矿井粉尘防治技术的水平。泡沫降尘技术具有湿润性好、覆盖面积大、耗水量低、降尘效果好等优势,近年来在部分掘进工作面取得了良好的效果。然而,在风量大、断面小、水压低的掘进工作面,现有泡沫降尘设备降尘效果不佳,甚至难以正常工作。其原因一方面是现有降尘泡沫遇疏水性粉尘易破裂,持续抑制能力不足;另一方面是现有泡沫降尘设备中发泡剂添加器、发泡器、喷头等部件的阻力过大,泡沫射流难以在风流影响下完全覆盖尘源。为解决上述问题,实现降尘发泡剂和降尘设备两方面性能的提升缺一不可。本论文采用理论分析、实验证明、数值模拟分析、现场工业化实验相结合的研究方法,较深入研究了泡沫在降尘过程中的作用机理与高效泡沫降尘技术,取得的主要成果和结论如下:通过改进发泡剂成分,大幅提高了泡沫捕获高度疏水性粉尘后的稳定性,并通过现场实验证实改善发泡剂成分后明显提高了降尘效果。利用Sheludko液膜仪研究了粉尘颗粒接触对泡沫液膜排液过程的作用关系,得到了粉尘表面湿润特性对降尘泡沫稳定性的影响规律,证实高度疏水性粉尘(前进接触角大于90°)会引起泡沫的瞬间破裂。基于颗粒周围的液膜弯曲形态,得到了矿尘颗粒周围液膜内的拉普拉斯压力分布,揭示了不同类型颗粒影响液膜排液过程的内在的动力学机理。通过向现有发泡剂中添加微量正辛醇,大幅提高了泡沫捕获高度疏水性粉尘后的稳定性。通过发泡器实验和现场降尘实验证明在矿用发泡剂中添加0.001 wt%正辛醇后,泡沫生成量和降尘效率均会发生明显提升。首次将空化射流泵同时作为发泡剂添加器和流量计进行使用,不仅实现了高精度发泡剂添加,而且使压力损失由原来的60%下降至20%。通过实验和数值模拟,得出了射流泵内的湍流和局部低压对空化现象发展的影响规律。提出的新型空化射流泵结构实现了局部低压区与局部强湍流区的重合,促进了空化现象发生,并得出了指导设计的经验曲线。在流量比例低于1.4%时,空化临界压力比高达0.8。此外,通过实验证明空化射流泵的吸液流量比低于4%时,可发挥流量计的功能并具有可靠的测量精度。此研究对于降尘设备减阻、节省空间、使用安全及成本控制等方面均具有重要意义。改进了直立式发泡器,实现了低阻高效发泡。改进的直立式发泡器将传统发泡器中水平流动方向上的气、液混合过程转变为自下而上的流动方向,使得重力对气、液混合过程的负面效应转化为促进效应。当气-液流量比低于临界值时,至少有84.5%的空气被分散在液相中用于发泡,比相同工况状态下的水平螺旋网发泡器提高27.4%。直立式发泡器的内部流动横截面积大且扰流结构阻力小,使得新型发泡器的发泡能力比原有发泡器明显提升并且压力损失大幅下降,不超过0.08MPa。不仅为高效降尘打下了基础也使其在降尘系统内的兼容性得到提升。利用此发泡器还证实矿用发泡剂中加入0.001 wt%的正辛醇后,发泡流量明显提升。开发了新型泡沫喷头,实现了低损耗、高冲击力泡沫喷射。通过对喷头内部流场的数值模拟分析,发现喷头结构缺陷引起的局部湍流以及泡沫射流卷吸周围的空气是引起射流破碎、变形的主要原因。利用3D打印技术设计并制造了符合泡沫流动特性的降尘泡沫喷头。新型泡沫喷头完全避免了横截面积突变和导流体的阻挡,使得泡沫射流在连续性、稳定性、均匀度、泡沫损失率等多个方面均展现出比现有喷头更加优良的性能。单个喷头提供的泡沫覆盖面积为0.4×1.6 m,泡沫射流能在局部风速达到7m/s时不发生偏转,喷头内泡沫损失率降低至15%以下,为高效降尘奠定了基础。开发了新型低损泡沫降尘技术,在实验室构建了模拟降尘测试系统。模拟降尘测试系统在一定程度上能预测某降尘技术在现场可能遇到的情况,且能定量测试降尘技术在极限条件下的工作性能。新型泡沫降尘系统仅需0.87MPa的水入口压力就能在大风量巷道中(560–570 m~3/min)实现高效降尘。这使得泡沫降尘技术可应用于更广泛的粉尘污染地点。在贵州省大湾煤矿120702轨道巷掘进工作面进行了新型泡沫降尘技术的工业性实验,此矿井具有产尘量大、断面小、风量大、水压低的典型特点。在掘进工作面现场,全尘的降尘效率达到86.8%,在长时间跨度内呼吸性粉尘的时间评价浓度被降低至3.9–5.7mg/m~3。经过对比发现矿用发泡剂中加入0.001 wt%的正辛醇后,泡沫的降尘效率明显提高。该论文有图86幅,表32个,参考文献137篇。