煤礦綜放工作面高壓霧化降塵對(duì)粉塵顆粒微觀參數(shù)影響規(guī)律分析

周 剛,聶 文,程衛(wèi)民,王 昊

(1．山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,山東青島 266590;2．遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧阜新 123000;3．澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織能源研究分院,昆士蘭布里斯班 4069)

煤礦綜放工作面高壓霧化降塵對(duì)粉塵顆粒微觀參數(shù)影響規(guī)律分析

周 剛1,2,3,聶 文1,程衛(wèi)民1,王 昊1

(1．山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,山東青島 266590;2．遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧阜新 123000;3．澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織能源研究分院,昆士蘭布里斯班 4069)

噴嘴高壓霧化降塵是綜放工作面首要防塵方法。對(duì)于噴霧前后粉塵濃度的降低情況研究較多,而忽視了噴霧前后塵粒的粒度、粒徑分布、形狀系數(shù)、比表面積等顆粒微觀參數(shù)的變化情況。采用顯微顆粒圖像分析法對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)噴霧降塵前后各主要作業(yè)地點(diǎn)的粉塵進(jìn)行了微觀參數(shù)測(cè)定。結(jié)果表明：噴霧降塵前后,各采樣點(diǎn)的D10,D25,D50,DP,XNL,XNS一般在1．0～7．0 μm之間小幅度變化,但D75,D90,D100,XNV,XLS,XLV,XSV,XPV卻在3．3～56．8 μm之間大范圍變化;粉塵粒度變化與噴嘴霧化效果的關(guān)系為霧化效果越好,粉塵粒度則變得越大,反之亦然;噴霧降塵對(duì)粉塵的形狀系數(shù)和比表面積影響較小;霧化降塵前后,工人主要作業(yè)區(qū)域呼塵所占比例及其4種粒級(jí)頻率分布、累計(jì)分布較大幅度降低;除粉塵濃度外,還應(yīng)將粉塵粒度及不同粒徑粉塵顆粒的頻率分布與累計(jì)分布的變化情況作為考核噴嘴霧化降塵效果的重要依據(jù)。

霧化粉塵;綜放工作面;粒度;粒徑分布;形狀系數(shù);顯微顆粒圖像分析

綜放工藝雖高產(chǎn)高效,但工作面生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度卻嚴(yán)重超標(biāo)。根據(jù)測(cè)定[1-2],在沒(méi)有任何防塵措施的情況下,綜放工作面采煤、移架、放煤等多工序并行作業(yè)時(shí)最大粉塵濃度可達(dá)3 000～5 000 mg/m3。現(xiàn)階段中國(guó)在綜放工作面采取的防塵措施主要有煤體預(yù)注水防塵、噴霧降塵、引射除塵器除塵、通風(fēng)排塵和封閉控塵5類,其中噴霧降塵仍是首要的防塵方法[3-5]。多年來(lái),測(cè)定噴霧前后的粉塵濃度變化情況是考察噴嘴霧化降塵效果的主要依據(jù),針對(duì)霧化降塵對(duì)粉塵顆粒微觀參數(shù)影響規(guī)律的研究卻很少。但是研究表明粉塵濃度并不是影響塵肺病的惟一因素,塵肺病與粉塵顆粒微觀參數(shù)亦密切相關(guān)[6-8]。因此,本文的研究目的就是對(duì)噴霧前后粉塵粒度、頻率分布、累計(jì)分布、形狀系數(shù)、比表面積等微觀參數(shù)變化情況進(jìn)行研究,從而為全面考察霧化降塵效果提供理論依據(jù)。

1 新型噴嘴高壓噴霧激光測(cè)粒試驗(yàn)

基于噴嘴霧化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用Winner312分體式噴霧激光粒度分析儀對(duì)兗礦集團(tuán)東灘煤礦1303綜放工作面所用新型噴嘴在8．0 MPa噴霧壓力下的霧滴粒度情況進(jìn)行了測(cè)定[2,9-11]。該噴嘴類型為廣角旋口X芯式,霧化型式為含X形導(dǎo)流芯混合式,噴孔直徑為2．4 mm,霧流形狀為實(shí)心圓錐。此新型噴嘴實(shí)物及其布設(shè)位置示意分別如圖1,2所示。噴嘴高壓噴霧霧滴粒度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。由表1可知,高壓噴霧情況下,霧滴的D50平均值為54．893 μm,D90平均值為88．418 μm,該噴霧的霧化效果較好。

圖1 新型噴嘴實(shí)物Fig．1 Physical picture of the new nozzle

圖2 噴嘴布設(shè)位置示意Fig．2 Schematic layout of the nozzle’s position

表1 噴嘴高壓噴霧霧滴粒度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of droplet size in high-pressure spray of nozzle

2 粉塵采樣方法、顯微顆粒圖像測(cè)定原理及測(cè)試指標(biāo)選擇

2.1 粉塵采樣方法

粉塵采樣采用濾膜取樣法。使用AKFC-92A型礦用粉塵采樣器和直徑為40 mm的有機(jī)濾膜進(jìn)行采樣,采樣流量控制在20 L/min。綜放工作面的粉塵采樣點(diǎn)為以下10個(gè)點(diǎn)[12-13]：采煤機(jī)司機(jī)處(1號(hào))、采煤機(jī)割落煤處(采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m)(2號(hào))、放煤口處(放煤工處)(3號(hào))、多工序處(前部溜頭上風(fēng)側(cè)10 m)(4號(hào))、移架處(移架工處)(5號(hào))、后部溜頭處(6號(hào))、前部溜頭處(7號(hào))、破碎機(jī)處(破碎機(jī)下風(fēng)側(cè)5 m)(8號(hào))、轉(zhuǎn)載機(jī)處(轉(zhuǎn)載機(jī)下風(fēng)側(cè)5 m)(9號(hào))、回風(fēng)巷處(回風(fēng)巷距工作面50 m) (10號(hào))。

2.2 顯微顆粒圖像測(cè)試原理

顯微顆粒圖像分析儀主要由三目顯微鏡、CCD圖像采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件處理等3部分組成。該儀器通過(guò)光學(xué)顯微鏡和攝像頭獲取顆粒信息;使用計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而測(cè)定顆粒粒度大小及其分布、顆粒形狀系數(shù)等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用濾膜涂片法。

2.3 測(cè)試過(guò)程

以兗礦集團(tuán)東灘煤礦年產(chǎn)600萬(wàn)t 1303綜放工作面為例說(shuō)明。1303工作面各類噴霧降塵裝置(采煤機(jī)內(nèi)外噴霧、液壓支架噴霧、煤流系統(tǒng)轉(zhuǎn)載噴霧)開啟前后,1～10號(hào)采樣點(diǎn)的粉塵顆粒原始圖像分別如圖3,4所示。

圖3 各類噴霧降塵裝置開啟前1～10號(hào)采樣點(diǎn)的粉塵顆粒原始圖像Fig．3 Original images of dust particles produced in No．1-10 sampling point before spraying

圖4 各類噴霧降塵裝置開啟后1～10號(hào)采樣點(diǎn)的粉塵顆粒原始圖像Fig．4 Original images of dust particles produced in No．1-10 sampling point after spraying

2.4 測(cè)試指標(biāo)選擇

與礦工塵肺病密切相關(guān)的粉塵顆粒微觀參數(shù)主要包括粒度、粒徑分布、比表面積、形狀等。在粉體顆粒學(xué)中,一般采用D10,D25,D50,D75,D90,D100,DP等指標(biāo)表示顆粒的特征粒度;采用XNL,XNS,XNV,XLS,XLV, XSV,XPV等指標(biāo)表示統(tǒng)計(jì)平均粒度[14-17]。此外,還采用球形度、長(zhǎng)寬比、龐大率、表面率等指標(biāo)表征顆粒的形狀系數(shù),其分別表征顆粒接近球形的程度、顆粒接近柱形的程度、顆粒填充最小外接矩形空間的程度以及顆粒表面積的相對(duì)大小[18-19]。而顆粒的粒徑分布則有頻率分布、累計(jì)分布兩種表示方法。所以,為全面考慮塵肺病相關(guān)塵粒微觀參數(shù)的變化情況,本文對(duì)霧化降塵前后的上述指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。

3 噴霧前各采樣點(diǎn)粉塵顯微顆粒圖像測(cè)定數(shù)據(jù)分析

3.1 粉塵粒度分析

噴霧前1～10號(hào)采樣點(diǎn)粉塵粒度測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 噴霧前1～10號(hào)采樣點(diǎn)粉塵粒度測(cè)定結(jié)果Table 2 Measurement results of dust particle size of No.1-10 sampling point before sprayingμm

由表2可知,D10,D25,D50,DP,XNL,XNS等指標(biāo)隨不同地點(diǎn)的變化較小,一般在1．0～6．7 μm之間變化;而D75,D90,D100,XNV,XLS,XLV,XSV,XPV隨不同地點(diǎn)的變化較大,一般在3．3～38．2 μm之間變化。說(shuō)明試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果與各指標(biāo)所代表物理意義比較吻合,數(shù)據(jù)可信度較高。

3.2 粉塵形狀系數(shù)和比表面積分析

各采樣點(diǎn)粉塵形狀系數(shù)、比表面積測(cè)定結(jié)果如圖5所示。

從圖5可明顯看出,比表面積在4 205．049～11 370．809 cm2/g之間大幅度變化;而球形度、長(zhǎng)寬比、龐大率、表面率等形狀系數(shù)數(shù)值均變化不大,如球形度在0．721～0．816之間變化,長(zhǎng)寬比在0．797～1．021之間變化,龐大率在0．661～0．754之間變化,表面率在1．555～2．286之間變化。

圖5 噴霧前各采樣點(diǎn)粉塵形狀系數(shù)測(cè)定結(jié)果Fig．5 Measurement results of shape factors of each sampling point before spraying

3.3 粉塵粒徑頻率分布、累計(jì)分布分析

以礦工經(jīng)常作業(yè)區(qū)域的1,3,5,6,9,10號(hào)此6個(gè)采樣點(diǎn)的粉塵顆粒粒徑頻率分布和累計(jì)分布為例說(shuō)明,噴霧前頻率、累計(jì)分布如圖6所示。其中柱狀圖為頻率分布,曲線圖為累計(jì)分布。

從圖6可知,①各采樣點(diǎn)的粒徑頻率分布基本符合正態(tài)函數(shù);②呼吸性粉塵4種粒級(jí)：0～1,1～2, 2～4,4～8 μm所對(duì)應(yīng)的頻率分布平均值分別為： 4．92%,17．75%,23．27%,29．72%,而且,除3號(hào)采樣點(diǎn)外,其他幾個(gè)采樣點(diǎn)的峰值粒徑范圍均為4～8 μm,說(shuō)明采樣具有代表性;③粒徑小于8 μm的粉塵累計(jì)分布均接近或大于80%,其中,采煤機(jī)司機(jī)處高達(dá)93．7%;相比而言,粒徑大于8 μm粉塵所占比例則較少,各采樣點(diǎn)8～16,16～32,32～64 μm塵粒所占比例的平均值只有13．63%,6．32%和0．48%,可見,綜放工作面內(nèi)主要產(chǎn)塵點(diǎn)呼吸性粉塵比例相當(dāng)高,對(duì)礦工的身心健康危害較大;④噴霧降塵前,人員經(jīng)常作業(yè)地點(diǎn)呼塵累計(jì)從大到小排序?yàn)椋?號(hào)＞10號(hào)＞9號(hào)＞5號(hào)＞6號(hào)＞3號(hào)。

圖6 噴霧前礦工經(jīng)常作業(yè)區(qū)域的粉塵顆粒粒徑頻率分布和累計(jì)分布Fig．6 Frequency distribution and cumulative distribution of dust particle size in miners’often work area before spraying

4 噴霧后各采樣點(diǎn)粉塵顯微顆粒圖像測(cè)定數(shù)據(jù)分析

4.1 粉塵粒度分析

各類噴霧降塵裝置開啟后1～10號(hào)采樣點(diǎn)粉塵粒度數(shù)據(jù)見表3。從表3可知,噴霧后D10,D25,D50, DP,XNL,XNS等指標(biāo)在1．1～7．0 μm之間變化;而D75, D90,D100,XNV,XLS,XLV,XSV,XPV則在4．1～56．8 μm之間變化,對(duì)比噴霧前的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)各采樣點(diǎn)粉塵粒度普遍增大,說(shuō)明部分小粒徑粉塵已被霧滴捕獲。

表3 噴霧后1～10號(hào)采樣點(diǎn)粉塵粒度測(cè)定結(jié)果Table 3 Measurement results of dust particle size of No.1-10 sampling point after sprayingμm

4.2 粉塵形狀系數(shù)和比表面積分析

噴霧后各采樣點(diǎn)粉塵形狀系數(shù)、比表面積測(cè)定結(jié)果如圖7所示。

對(duì)圖7分析可知,與噴霧降塵前類似,比表面積在4 088．979～11 306．358 cm2/g之間變化,雖變化幅度較大,但變化范圍和變化趨勢(shì)與噴霧前基本一致;形狀系數(shù)4指標(biāo)數(shù)值亦變化不大,如球形度在0．759～0．817之間變化,長(zhǎng)寬比在0．954～1．035之間變化,龐大率在0．681～0．765之間變化,表面率在1．585～1．888之間變化。

圖7 噴霧后各采樣點(diǎn)粉塵形狀系數(shù)測(cè)定結(jié)果Fig．7 Measurement results of shape factors of each sampling point after spraying

4.3 粉塵粒徑頻率分布、累計(jì)分布分析

噴霧后礦工經(jīng)常作業(yè)區(qū)域的粉塵顆粒粒徑頻率分布和累計(jì)分布如圖8所示。

圖8 噴霧后礦工經(jīng)常作業(yè)區(qū)域的粉塵顆粒粒徑頻率分布和累計(jì)分布Fig．8 Frequency distribution and cumulative distribution of dust particle size in miners’often work area after spraying

從圖8可知,①各采樣點(diǎn)的粒徑頻率分布仍符合正態(tài)函數(shù),而且全部采樣點(diǎn)的峰值粒徑范圍均為4～8 μm,進(jìn)一步驗(yàn)證了采樣和試驗(yàn)方法的正確性;②粒徑小于8 μm的粉塵累計(jì)分布平均值已由79．57%降至66．03%,降低率達(dá)到17．02%;其中,對(duì)人體危害最大的1～2 μm粒級(jí)的粉塵頻率分布平均值已由17．75%降至12．03%,降低率高達(dá)32．23%;③各采樣點(diǎn)呼塵4種粒級(jí)范圍所對(duì)應(yīng)的頻率分布明顯降低,比如：轉(zhuǎn)載機(jī)司機(jī)處0～1,1～2,2～4,4～8 μm的粉塵所占比例分別由3．1%,16．1%,29．9%, 36．1%降至1．5%,10%,19．3%,26．5%,降低率分別為51．61%,37．89%,35．45%,26．59%;④粒徑大于8 μm粉塵所占比例明顯增大,各采樣點(diǎn)8～16, 16～32,32～64 μm塵粒所占比例的平均值增至21．73%,9．10%和3．08%,可見,綜放工作面內(nèi)主要產(chǎn)塵點(diǎn)呼吸性粉塵比例降低顯著,進(jìn)一步保障了工人的職業(yè)健康;⑤噴霧降塵后,人員經(jīng)常作業(yè)地點(diǎn)呼塵累計(jì)從大到小排序?yàn)椋?0號(hào)＞1號(hào)＞5號(hào)＞6號(hào)＞9號(hào)＞3號(hào)。

5 結(jié) 論

(1)噴霧降塵前后,D10,D25,D50,DP,XNL,XNS隨不同采樣點(diǎn)的變化較小,一般在1．0～7．0 μm之間變化,但D75,D90,D100,XNV,XLS,XLV,XSV,XPV隨不同采樣點(diǎn)的變化較大,一般在3．3～56．8 μm之間變化。噴霧后各采樣點(diǎn)粉塵粒度比噴霧前變大,說(shuō)明可將粉塵粒度變化情況作為霧化效果優(yōu)劣的考核依據(jù),即霧化效果越好,受液滴捕獲較多小粒度粉塵影響,則小顆粒粉塵降低效果越明顯,粉塵粒度增大程度越顯著。

(2)雖然各采樣點(diǎn)間的比表面積相差較大,但霧化降塵前后其變化范圍和變化趨勢(shì)基本一致;而且噴霧降塵對(duì)粉塵球形度、長(zhǎng)寬比、龐大率、表面率等形狀系數(shù)影響較小;說(shuō)明形狀系數(shù)和比表面積不能作為霧化降塵的考核指標(biāo)。

(3)噴霧降塵前后各采樣點(diǎn)的粒徑頻率分布基本符合正態(tài)函數(shù),而且峰值粒徑范圍均為4～8 μm,試驗(yàn)數(shù)據(jù)信度較高。噴霧前,工人主要作業(yè)區(qū)域呼塵所占比例及其4種粒級(jí)頻率分布均較高,其中呼塵比例接近或大于80%,對(duì)礦工的身心健康危害較大;噴霧后呼塵所占比例降至66．03%,降低率為17．02%;與此同時(shí),呼塵4種粒級(jí)的頻率分布亦明顯降低,其中對(duì)塵肺病威脅最大的1～2 μm粒級(jí)的粉塵頻率分布平均值由17．75%降至12．03%,降低率達(dá)到32．23%;但粒徑大于8 μm粉塵所占比例則明顯增大,其平均值由噴霧前的6．81%增至噴霧后的11．30%,增大率為65．93%。說(shuō)明從職業(yè)健康角度出發(fā)以分級(jí)粒徑變化率作為粉塵尤其是呼塵的降塵指標(biāo)既必要又可行。

(4)從噴霧前后各采樣點(diǎn)呼塵累計(jì)分布大小變化來(lái)看,采煤機(jī)司機(jī)處、移架工處和回風(fēng)巷內(nèi)為粉塵防范的重點(diǎn)區(qū)域。

(5)除粉塵濃度外,還應(yīng)將粉塵粒度及不同粒級(jí)的頻率分布與累計(jì)分布的變化情況作為考核噴嘴霧化降塵效果的重要依據(jù)。這對(duì)于目前只將濃度降低率作為評(píng)價(jià)噴霧效果優(yōu)劣的唯一方法來(lái)說(shuō),具有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

感謝山東科技大學(xué)杰出青年科技人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014JQJH106)、礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(JSK200208)在本文理論和試驗(yàn)研究過(guò)程中給予的支持。

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Influence regulations analysis of high-pressure atomization dust-settling to dust particle’s microscopic parameters in fully mechanized caving coal face

ZHOU Gang1,2,3,NIE Wen1,CHENG Wei-min1,WANG Hao1

(1.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.Key Laboratory of Mine Thermo-motive Disaster and Prevention,Ministry of Education,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;3.Energy Flagship,Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation,Brisbane QLD 4069, Australia)

Fully mechanized caving face is a main dust producing place in a coal mine．Currently,high-pressure nozzle atomization is the most important dust-settling method in fully mechanized caving faces．However,for a long time,it is only concerned about the reduction of dust concentration before and after spray,while the changes of particle parameters are ignored,such as particle size,size distribution,shape factor,and specific surface area,etc．Hence,the microscopic parameters of dust at all major working locations before and after spray were measured through microscopic particle image analysis．The results show that before and after spray,D10,D25,D50,DP,XNL,XNShave relatively little variation in each sampling point,generally between 1．0-7．0 μm,however,D75,D90,D100,XNV,XLS,XLV,XSV,XPVvary sharply,usually between 3．3-56．8 μm．The relationship between the dust granularity change and the nozzle atomiza-tion effect is that the better atomization can be,the larger dust particle size will become,and vice verse．The spray affects the dust shape factor and the specific surface area to a small degree．Before and after spray,in the main working locations the proportion of respirable dust and the frequency distribution,cumulative distribution of four size fractions of respirable dust particle sizes decrease to a large degree．Except for the dust concentration,the dust granularity and the changes of frequency distribution and cumulative distribution of dust with different particle size should also be regarded as an important basis for assessing the dust-settling effect of nozzle atomization．

atomization dust-settling;fully mechanized top coal caving face;granularity;particle size distribution; shape factor;microscopic particle image analysis

TD714．4

A

0253-9993(2014)10-2053-07

2013-09-12 責(zé)任編輯：許書閣

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1261205);國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51474139);國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51204103)

周 剛(1979—),男,安徽阜南人,副教授,博士后。Tel：0532-86057359,E-mail：ahsdzhougang@163．com。通訊作者：聶 文(1985—),男,山東泰安人,講師。Tel：0532-86057351,E-mail：sdniewen@163．com

周 剛,聶 文,程衛(wèi)民,等．煤礦綜放工作面高壓霧化降塵對(duì)粉塵顆粒微觀參數(shù)影響規(guī)律分析[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(10)：2053 -2059．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1311

Zhou Gang,Nie Wen,Cheng Weimin,et al．Influence regulations analysis of high-pressure atomization dust-settling to dust particle’s microscopic parameters in fully mechanized caving coal face[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：2053-2059．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1311