基于粗糙度的煤体表面接触角数值模拟研究

作     者：张健 许博 魏建平 张鹏妍 蔡茂林 张凯旋 ZHANG Jian;XU Bo;WEI Jianping;ZHANG Pengyan;CAI Maolin;ZHANG Kaixuan

作者机构：河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 

出 版 物：《煤炭科学技术》 (Coal Science and Technology)

年 卷 期：2023年第51卷第4期

页      面：96-104页

核心收录：

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(52174171) 河南省高等学校重点科研计划资助项目(22A440012) 河南理工大学安全与能源工程学部“双一流”学科创建工程资助项目(AQ20230741) 

主　　题：煤尘 除尘 煤体润湿 表面粗糙度 接触角 COMSOL模拟 

摘      要：煤尘是煤矿的七大灾害之一,它不仅影响作业人员的身心健康,还能致使发生煤尘爆炸。煤的润湿效果对除尘有很大的影响,已有研究表明煤的润湿效果与煤的润湿性、表面粗糙度和表面活性剂等有关。为了有效地解决井下煤尘问题,选取了亲水性的哈密褐煤、疏水性的安阳焦煤和弱亲水性的赵固二矿无烟煤作为研究对象,使用光学接触角形貌联用仪测量3种煤样的均方粗糙度,测定3种煤样的本征接触角,利用COMSOL数值软件构建二维物理模型,设置模拟条件,调整模拟参数,分析对比试验值和模拟值,验证COMSOL数值模拟的可行性,研究了煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的影响。结果表明:数值模拟的液滴铺展过程、液滴铺展速度及液滴铺展形态和试验情况类似,但模拟接触角值比试验接触角值大;随着煤体表面粗糙度的增加,褐煤接触角从60.7°降低到50.9°,变化范围在10°左右,焦煤接触角从96.5°增加到112.7°,变化范围在16°左右,无烟煤接触角从89.7°降低到78.3°,变化范围在11°左右;同种表面活性剂对3种煤样接触角的模拟值和试验值具有相同的变化趋势,但模拟值比试验值大。采用数值模拟的方法,研究煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的影响具有一定的可行性。煤体表面受粗糙度影响的润湿情况符合Wenzel模型。表面活性剂的存在不改变3种煤样的接触角随表面粗糙度变化的规律。