綜采工作面高壓霧化降塵技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要：為了解決常規(guī)噴霧降塵降塵效果有限的問題，基于對高壓霧化過程的分析，結(jié)合噴霧降塵捕塵機理，對綜采工作面高壓霧化降塵技術(shù)進行了研究，最終確定了旋轉(zhuǎn)壓力式噴嘴在8MPa壓力下霧化效果較好。通過在賽爾三礦A4007工作面現(xiàn)場應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，高壓霧化降塵較常規(guī)噴霧降塵的降塵率高20%以上，工作面粉塵濃度明顯降低。

關(guān)鍵詞：常規(guī)噴霧；高壓霧化；捕塵機理；壓力式噴嘴

中圖分類號：TD714 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）06-0114-03

礦井粉塵是煤礦生產(chǎn)過程中的五大災(zāi)害之一，粉塵主要危害表現(xiàn)在兩個方面：一是煤塵具有可燃性，可使高濃度煤塵瞬間發(fā)生爆炸性燃燒，繼而引起煤塵爆炸，如果在高瓦斯礦井及在瓦斯富集區(qū)，煤塵爆炸還可能引起瓦斯爆炸，形成煤塵瓦斯爆炸，造成嚴重的煤礦安全生產(chǎn)事故；二是高濃度的粉塵，尤其是呼吸性粉塵（一般將粒徑小于5μm的粉塵視為呼吸性粉塵），可穿透肺泡，產(chǎn)生粉塵沉積，使肺部發(fā)生病理改變，出現(xiàn)不同程度的彌漫性間質(zhì)纖維化，造成塵肺病。因此為保證煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)及煤礦職工的身心健康，亟需對井下粉塵進行治理。然而，目前大部分煤礦使用的常規(guī)的噴霧降塵技術(shù)降塵效果有限，因此，本文對高壓霧化降塵技術(shù)進行了研究，以期降低工作面粉塵濃度，改善工作面條件。

1 賽爾三礦A4007工作面概況

賽爾三礦A400工作面布置在三礦+700水平東翼采區(qū)A4煤層第四個工作面，開采位置：上限+775.3m水平、下限+718.7m水平。地面為戈壁沙灘，無任何建筑物。工作面東鄰井田邊界，西鄰東翼軌道上山、南鄰井田未開采區(qū)，北為A4005采空區(qū)。A4煤層位于下侏羅統(tǒng)八道灣上段下部，根據(jù)掘進期間觀測煤層厚度變化在2.35m-2.45m之間，平均厚度為2.4m，煤層厚度變化不大。據(jù)其發(fā)育程度，該煤層應(yīng)屬全區(qū)可采的較穩(wěn)定中厚煤層。煤層傾角14°～16°，平均15°。A4007工作面運輸巷掘進到556米遇見斷層，經(jīng)公司有關(guān)部門和領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場會審決定沿斷層走向開切眼，A4007工作面回風(fēng)巷掘進至580米處開始做工作面切眼。該工作面實際長度為568米，切眼長160m。

根據(jù)工作面設(shè)計、地質(zhì)條件及生產(chǎn)技術(shù)條件，確定A4007工作面采用走向長壁綜合機械化采煤法回采，全部垮落法管理頂板。工作面布置MG160/375-WDl型可調(diào)高雙滾筒采煤機沿工作面雙向割煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤。由于采煤機功率較大，工作面回采期間產(chǎn)塵量大，煤機割煤時尤為突出，造成工作面生產(chǎn)時可見度低，勞動衛(wèi)生條件較差。此外，經(jīng)烏魯木齊煤安采礦專用設(shè)備測試技術(shù)服務(wù)有限公司鑒定發(fā)現(xiàn)，A4煤爆炸性實驗火焰長度≥600mm，具有爆炸性。所以，工作面回采過程中需做好防塵工作。

2 高壓霧化過程分析

噴霧降塵是慣性碰撞、截留、布朗擴散、靜電和重力等多種機理綜合作用的結(jié)果，如圖1所示。

圖1 霧滴捕集粉塵的機理示意圖

而液體霧化過程實際上就是將連續(xù)的液體介質(zhì)分散形成細小液滴的過程。隨著人們對高壓噴霧霧化過程認識的加深，依據(jù)氣體在高壓霧化過程中所起的作用，將此霧化過程分為兩個階段，分為初次破碎和二次破碎兩個階段。

高壓噴霧時，產(chǎn)生的高速射流在離開噴嘴的過程中，受到空氣阻力的作用，由于射流高壓作用產(chǎn)生強湍流，并在噴嘴射流端部及噴霧近噴嘴部分產(chǎn)生大量空穴氣泡（如圖2所示），氣泡的發(fā)展、潰滅以及強湍流導(dǎo)致液體不再穩(wěn)定而進行了初次破碎。普遍認為是由于液體和氣體相互作用引起液體表面不穩(wěn)定波的增長而導(dǎo)致射流的初次破碎。

圖2 初次破碎示意圖

高速射流液體自身湍流運動效應(yīng)及空穴氣泡潰滅帶來的能量為液體初次破碎帶來了能量，提供了高速液體初次破碎的表面能，并產(chǎn)生了徑向速度分量，引起噴口處射流的迅速擴散，而且在湍流中擁有了能量足夠大的空穴氣泡，使液滴能在運動中擺脫表面張力的影響，脫離連續(xù)的液體相，形成大量的液滴或液絲。

二次破碎是初次破碎產(chǎn)生的液滴在空氣動力作用下減速、變形和破碎的過程，發(fā)生在氣液混合區(qū)，初次破碎形成的高速液滴，與氣體間存在較高的相對速度，在空氣動力和液滴表面張力相互作用下，發(fā)生變形破碎，分裂形成更小的液滴，液體顆粒的尺寸通常在幾微米到幾百微米。它直接影響到最終霧化液滴的尺寸分布。

3 高壓霧化降塵技術(shù)設(shè)計

目前，在煤礦現(xiàn)場應(yīng)用較多的噴嘴為壓力轉(zhuǎn)化型噴嘴及旋轉(zhuǎn)壓力式噴嘴，試驗研究表明，噴嘴的霧化質(zhì)量主要取決于噴嘴的轉(zhuǎn)化原理和結(jié)構(gòu)。壓力轉(zhuǎn)化型霧化噴嘴的壓力水轉(zhuǎn)化成噴霧水僅有一次轉(zhuǎn)化過程，故也稱為一次霧化型噴嘴。這類型噴嘴的霧化效果一般不是十分理想。而旋轉(zhuǎn)壓力式噴嘴的霧化質(zhì)量分布比較均勻，流量大且霧化角也大。噴霧通量在霧錐中心處最大，隨著壓力增大，鄰近霧錐中心的區(qū)域噴霧通量變大，在霧錐邊緣處噴霧通量變小。根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)及類似煤礦現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合賽爾三礦高壓霧化降塵對噴嘴的要求，噴嘴采用旋轉(zhuǎn)壓力式噴嘴。

綜合考慮噴嘴直徑、噴霧壓力、噴射流量的參數(shù)對噴嘴霧化效果的影響，在實驗室條件下對各項參數(shù)進行測定，結(jié)果表明，選用噴嘴直徑為1.2mm，霧化類型為含X形導(dǎo)流芯混合式，霧流形狀為實心圓錐形的不銹鋼壓力式噴嘴，在噴霧壓力為5Mpa壓力下時，D0.1為17.432?m、D0.5為37.619?m、D0.9為61.826?m，主要粒徑分布在17.432?m～61.826?m，是最適合用于采煤機外噴霧及支架噴霧的噴嘴。

根據(jù)A4007工作面實際情況，對A4007工作面高壓噴霧降塵系統(tǒng)進行設(shè)計。將采煤機外噴霧及支架噴霧所用更換為所選定噴嘴。由于高壓噴霧需水壓較大，設(shè)計在A4007工作面布置2臺BPW250/6.3型高壓噴霧泵，其中1臺備用。由于工作面條件限制，設(shè)計將高壓噴霧泵距工作面大概150m進風(fēng)巷內(nèi)。采煤機割煤時開啟噴霧降塵裝置，其中內(nèi)噴霧壓力不得小于2MPa，外噴霧壓力及支架噴霧壓力不得小于5MPa，噴霧要覆蓋全滾筒。工作面停水或噴霧裝置損壞時必須停止生產(chǎn)。endprint

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為檢驗高壓霧化降塵應(yīng)用效果，在A4007工作面布置粉塵測點，對不使用任何降塵措施情況下的粉塵濃度、使用改進之前的噴霧系統(tǒng)后的粉塵濃度以及使用高壓霧化降塵系統(tǒng)后的粉塵濃度進行測定，測定結(jié)果如表1所示。

由上表數(shù)據(jù)可以看出，A4007工作面在不使用任何降塵措施條件下，各測點粉塵濃度較大，其中落煤處粉塵濃度最高，可達509.13mg/m-3，移架次之，為423.72mg/m-3，司機處粉塵濃度為177.35mg/m-3，高濃度粉塵對采煤機司機以及移架工影響較大。使用原有噴霧降塵措施式，各測點粉塵濃度有所降低，其中呼吸性粉塵平均降塵率為65.32%，全塵平均降塵率為68.32%，工作面衛(wèi)生條件有所改善。使用高壓噴霧降塵技術(shù)后，各測點粉塵濃度有明顯降低，其中采煤機司機處粉塵濃度降到10.48mg/m-3，開啟高壓噴霧后呼吸性粉塵平均降塵率為87.84%，全塵平均降塵率為88.71%，較之前采用的噴霧降塵系統(tǒng)降塵率提高20%以上，工作面衛(wèi)生條件明顯改善。

5 結(jié)語

通過對高壓霧化過程的分析，得出噴霧降塵是慣性碰撞、截留、布朗擴散、靜電和重力等多種機理綜合作用的結(jié)果，明確了高壓霧化過程存在兩個階段，即初次破碎和二次破碎兩個階段。在此基礎(chǔ)上，對賽爾三礦A4007工作面高壓霧化降塵技術(shù)進行了設(shè)計，最終選定了霧化效果較好的噴嘴及噴霧壓力。通過在A4007工作面現(xiàn)場應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，使用高壓霧化降塵技術(shù)后，工作面粉塵濃度明顯降低，平均降塵率達85%以上，較A4007之前采用的噴霧降塵系統(tǒng)降塵率提高20%以上，改善了工作環(huán)境，保證了工作面礦工的身心健康。

參考文獻

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[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2005，1（1）：

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[4] 衛(wèi)生部.工作場所空氣中粉塵測定第三部分：粉塵

分散度（GBZ/T192.3-2007）[S].北京：中國標

準出版社，2007.

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炭技術(shù)，2005，12（3）：19-21.

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西安：西安科技大學(xué)，2010.

[7] 劉毅，蔣仲安，蔡衛(wèi).綜采工作面粉塵運動規(guī)律的

數(shù)值模擬[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2007，29

（4）：321-323.

作者簡介：李其明（1972—），江蘇泗陽人，徐礦集團新疆賽爾能源有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部副部長，采礦助理工程師，研究方向：礦井通風(fēng)管理。endprint

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為檢驗高壓霧化降塵應(yīng)用效果，在A4007工作面布置粉塵測點，對不使用任何降塵措施情況下的粉塵濃度、使用改進之前的噴霧系統(tǒng)后的粉塵濃度以及使用高壓霧化降塵系統(tǒng)后的粉塵濃度進行測定，測定結(jié)果如表1所示。

由上表數(shù)據(jù)可以看出，A4007工作面在不使用任何降塵措施條件下，各測點粉塵濃度較大，其中落煤處粉塵濃度最高，可達509.13mg/m-3，移架次之，為423.72mg/m-3，司機處粉塵濃度為177.35mg/m-3，高濃度粉塵對采煤機司機以及移架工影響較大。使用原有噴霧降塵措施式，各測點粉塵濃度有所降低，其中呼吸性粉塵平均降塵率為65.32%，全塵平均降塵率為68.32%，工作面衛(wèi)生條件有所改善。使用高壓噴霧降塵技術(shù)后，各測點粉塵濃度有明顯降低，其中采煤機司機處粉塵濃度降到10.48mg/m-3，開啟高壓噴霧后呼吸性粉塵平均降塵率為87.84%，全塵平均降塵率為88.71%，較之前采用的噴霧降塵系統(tǒng)降塵率提高20%以上，工作面衛(wèi)生條件明顯改善。

5 結(jié)語

通過對高壓霧化過程的分析，得出噴霧降塵是慣性碰撞、截留、布朗擴散、靜電和重力等多種機理綜合作用的結(jié)果，明確了高壓霧化過程存在兩個階段，即初次破碎和二次破碎兩個階段。在此基礎(chǔ)上，對賽爾三礦A4007工作面高壓霧化降塵技術(shù)進行了設(shè)計，最終選定了霧化效果較好的噴嘴及噴霧壓力。通過在A4007工作面現(xiàn)場應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，使用高壓霧化降塵技術(shù)后，工作面粉塵濃度明顯降低，平均降塵率達85%以上，較A4007之前采用的噴霧降塵系統(tǒng)降塵率提高20%以上，改善了工作環(huán)境，保證了工作面礦工的身心健康。

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作者簡介：李其明（1972—），江蘇泗陽人，徐礦集團新疆賽爾能源有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部副部長，采礦助理工程師，研究方向：礦井通風(fēng)管理。endprint

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為檢驗高壓霧化降塵應(yīng)用效果，在A4007工作面布置粉塵測點，對不使用任何降塵措施情況下的粉塵濃度、使用改進之前的噴霧系統(tǒng)后的粉塵濃度以及使用高壓霧化降塵系統(tǒng)后的粉塵濃度進行測定，測定結(jié)果如表1所示。

由上表數(shù)據(jù)可以看出，A4007工作面在不使用任何降塵措施條件下，各測點粉塵濃度較大，其中落煤處粉塵濃度最高，可達509.13mg/m-3，移架次之，為423.72mg/m-3，司機處粉塵濃度為177.35mg/m-3，高濃度粉塵對采煤機司機以及移架工影響較大。使用原有噴霧降塵措施式，各測點粉塵濃度有所降低，其中呼吸性粉塵平均降塵率為65.32%，全塵平均降塵率為68.32%，工作面衛(wèi)生條件有所改善。使用高壓噴霧降塵技術(shù)后，各測點粉塵濃度有明顯降低，其中采煤機司機處粉塵濃度降到10.48mg/m-3，開啟高壓噴霧后呼吸性粉塵平均降塵率為87.84%，全塵平均降塵率為88.71%，較之前采用的噴霧降塵系統(tǒng)降塵率提高20%以上，工作面衛(wèi)生條件明顯改善。

5 結(jié)語

通過對高壓霧化過程的分析，得出噴霧降塵是慣性碰撞、截留、布朗擴散、靜電和重力等多種機理綜合作用的結(jié)果，明確了高壓霧化過程存在兩個階段，即初次破碎和二次破碎兩個階段。在此基礎(chǔ)上，對賽爾三礦A4007工作面高壓霧化降塵技術(shù)進行了設(shè)計，最終選定了霧化效果較好的噴嘴及噴霧壓力。通過在A4007工作面現(xiàn)場應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，使用高壓霧化降塵技術(shù)后，工作面粉塵濃度明顯降低，平均降塵率達85%以上，較A4007之前采用的噴霧降塵系統(tǒng)降塵率提高20%以上，改善了工作環(huán)境，保證了工作面礦工的身心健康。

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（4）：321-323.

作者簡介：李其明（1972—），江蘇泗陽人，徐礦集團新疆賽爾能源有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部副部長，采礦助理工程師，研究方向：礦井通風(fēng)管理。endprint