對沖式降塵技術(shù)在煤礦現(xiàn)場的應用研究

周玉軍

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學院 資源環(huán)境系,河南 焦作 454000)

隨著我國煤炭資源的整合以及機械化程度的逐步提高，高強度的煤炭開采給煤礦企業(yè)帶來了經(jīng)濟效益，同時也使煤礦安全、高產(chǎn)高效的生產(chǎn)面臨一系列的難題。煤塵作為煤礦五大自然災害之一，在生產(chǎn)過程中會給我們帶來諸多不便[1]。部分煤塵具有爆炸危險性[2]，在一定范圍內(nèi)(45～2000g/m3)遇到高溫火源以及充足的氧氣會發(fā)生爆炸；煤塵(粉塵)小粒徑顆粒物由于風流等因素長期懸浮于巷道和工作面內(nèi)，極易進入人體呼吸道，且煤塵顆粒越小沉積體內(nèi)越靠內(nèi)部。煤礦工人長期處于高濃度粉塵作業(yè)場所，易患上職業(yè)?。幻簤m阻擋了工人在正常作業(yè)過程中的有效視線，增加了事故發(fā)生率；煤塵細小顆粒也能進入機電設備內(nèi)部，使設備腐蝕及防爆性能降低。

我國在長期生產(chǎn)實踐中形成了多種煤塵防治技術(shù)[3-4]，目前，煤塵防治技術(shù)呈現(xiàn)多樣性，按照是否利用水介質(zhì)，可將防塵技術(shù)分為濕式除塵技術(shù)和干式除塵技術(shù)。干式除塵的實質(zhì)是采用集塵器收集粉塵[5]，然后進行清除，但只能應用于特定的環(huán)境中，難以推廣使用。濕式除塵主要有煤層注水[6-7]、沖洗巷幫、水炮泥以及噴霧降塵等方法，在煤礦應用較為廣泛，且往往多種降塵措施同時使用形成綜合降塵技術(shù)。

1 工作面概況

12110采煤工作面可采走向長度300m，工作面切巷可采傾向長度108m，平均煤厚為8.14m；偽頂為灰黑色碳質(zhì)泥巖，直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，基本頂為大占砂巖、香炭砂巖；工作面采用走向長壁后退式采煤方法、炮采放頂煤工藝，懸移支架支護，兩端頭使用單體液壓支柱配合π型鋼梁支護，全部垮落法管理頂板；12110采煤工作面最大煤層瓦斯含量為4.88m3/t，最大瓦斯壓力為0.26MPa，工作面相對瓦斯涌出量為3.11m3/t，沒有突出危險。煤塵具有爆炸危險性，尤其是在打眼、放頂煤及輸送機運煤等工序作業(yè)時，煤塵量較大，需按規(guī)定采取降塵措施。

2 礦井常規(guī)的降塵技術(shù)

寶雨山煤礦傳統(tǒng)的井下噴霧降塵技術(shù)一般采用圓桶噴嘴形式，圓桶為主體結(jié)構(gòu)，圓桶外安設有一圈圓柱形銅制噴頭，噴頭方向朝向巷道斷面四周，即噴霧初始方向垂直于含有礦塵的風流。圓桶式降塵水幕示意如圖1。

圖1 圓桶式降塵水幕

該種降塵噴霧存在著一定程度上的缺點：噴霧圓桶管質(zhì)量大、易生銹，造成噴嘴經(jīng)常堵塞；并且不便于攜帶；噴霧霧滴較大，霧化效果較差，噴霧噴射方向一般垂直于粉塵流經(jīng)方向，不利于細小水霧與塵粒充分接觸，降塵效果不夠理想。

在工作面以及工作面兩巷煤壁采用煤層注水方式進行降塵工作，用風煤鉆在煤層中打注水孔，利用封孔器進行封孔并注水。巷道注水孔深度不少于3m，封孔長度為1.0m；采用動壓注水，每孔注水時間不得少于2h。在工作面布置注水鉆孔，每隔3m打1個孔，采用單排眼布孔，鉆孔深度為6m，垂直于煤壁方向，封孔深度不小于3m，注水壓力為2～6MPa，在檢修班進行注水至注水鉆孔或煤壁滲水為止。通過滲水降低開采過程中煤塵量以及瓦斯量[8]。此外，還通過加強通風，確保風量、風速合理；爆破防塵：使用水炮泥，打開防塵水幕；灑水防塵：出煤時打開各轉(zhuǎn)載點的噴霧設施；個體防塵：個人佩戴防塵口罩；打眼防塵：使用濕式打眼，防止煤塵飛揚；工作面設專職人員進行灑水降塵，工作面注水降塵。

在使用噴霧降塵[9-10]前工作面上下區(qū)段平巷距工作面20m處的煤塵濃度分別達到36.6g/m3和30.1g/m3。通過工作面回風巷布置圓筒式噴霧降塵水幕，煤塵濃度有一定量的降低，降塵后濃度分別達到21.6g/m3和19.3g/m3。煤塵濃度依然較高，對工人健康依舊會帶來一定量的不利影響。因此，需要對降塵技術(shù)進行重新思考和改進。

3 對沖式降塵水幕裝置結(jié)構(gòu)及參數(shù)

3.1 降塵水幕裝置結(jié)構(gòu)

礦井常規(guī)性的噴嘴由于噴水量及角度不可調(diào)，以及容易堵塞噴嘴等缺點使降塵效果也大大降低。高壓可調(diào)霧化軸流噴頭，如圖2所示，其大多應用于林場噴灑農(nóng)藥、園林灑水等領(lǐng)域。利用該種噴頭噴出霧滴細小、用水量小等優(yōu)勢研究了對沖式降塵水幕裝置，用于井下噴霧降塵。

圖2 高壓可調(diào)霧化軸流噴頭

圖3 對沖式降塵水幕裝置結(jié)構(gòu)

該裝置主體結(jié)構(gòu)為φ25mm鋼管和高壓可調(diào)霧化軸流噴頭為主要材料。主要結(jié)構(gòu)為長桿型狀，長型鋼管均勻焊接3個噴頭基座(圖3)，噴頭能夠通過自帶內(nèi)絲旋鈕在基座上，目的是使得噴頭能夠拆卸，方便清理，同時在水幕控制開關(guān)加裝過濾閥可以防止雜物進入出水孔，避免噴頭堵塞。該裝置噴頭能夠調(diào)整角度，安裝時將噴頭逆向風流流經(jīng)方向，將風流與噴霧形成對沖形式。一方面，塵粒與水霧粒相對速度較高，提高了兩者之間的慣性碰撞概率；另一方面該種噴頭噴出的水霧粒非常細小，形成的水霧粒攔截捕塵、凝集、布朗擴散的能力強；因此能夠顯著提高對呼吸塵性粉塵和全塵的沉降率。

3.2 降塵水幕裝置參數(shù)

3.2.1 噴嘴數(shù)量的選取

通過實驗表明，按照巷道寬度一般為4m時，在鋼管上均勻安裝3個噴頭既能使噴霧覆蓋全斷面，當超過3個以上噴頭時因壓力分解造成降塵效果差，考慮成本等綜合因素，選取2～3個噴頭最符合經(jīng)濟效益要求。

3.2.2 鋼管長度的選取

鋼管長度依據(jù)巷道寬度而定，一般鋼管橫置于巷道斷面內(nèi)時距離巷道兩幫不超過200mm為準。

3.2.3 鋼管高度的設置

經(jīng)現(xiàn)場實驗表明，一般在梯形斷面或方形斷面巷道中，鋼管橫置于巷道上方距離頂板300mm時，噴霧能夠覆蓋全斷面；在半圓形或橢圓形巷道安裝時，鋼管橫置于巷道上方距離頂板最高處400mm時，噴霧能夠覆蓋全斷面。

3.2.4 鋼管直徑的選取

通過實驗表明，鋼管直徑小于25mm時降塵效果隨鋼管直徑的減小而降低明顯，當鋼管直徑大于25mm時降塵效果隨鋼管直徑的增大而僅有略微提升，綜上選取直徑為25mm的鋼管。

3.2.5 噴嘴方向的設置

噴嘴結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的圓柱形噴嘴，傳統(tǒng)的圓柱形噴嘴噴出的水霧霧滴較大，不能調(diào)節(jié)角度，這些較大霧滴垂直于風流方向噴出與相對噴出除塵效果明顯存在不足。由表1及圖4可以看出，使用噴霧降塵期間，噴頭角度與粉塵測定結(jié)果可以看出，當噴頭角度與風流方向相對，即呈180°角時，降塵效果最明顯；當噴頭角度與風流方向一致，即呈0°角時，降塵效果最差；當噴頭角度垂直于風流方向時，即呈90°角時，降塵效果一般；當大于180°時噴霧噴到頂板上方，造成水霧流失，不再驗證。由以上實驗結(jié)果分析，當噴頭角度與風流方向相對，即呈180°角時，為噴頭正確的安裝角度。

表1 噴頭角度與降塵效果對比

圖4 噴頭與風流方向角度差異與降塵率的關(guān)系曲線

3.3 安裝水幕技術(shù)要求

該裝置安裝在工作面上、下安全出口以外20m一組，50m一組共2組；安裝在掘進工作面迎頭往外20m一組，50m一組共2組；安裝在膠帶運輸巷轉(zhuǎn)載機頭以里5～10m一組。半圓形巷道安裝高度距離頂板400mm，梯形、方形斷面巷道安裝高度距離頂板300mm。鋼管距離兩幫不超過200mm。鋼管一端連接φ16mm高壓軟管，并設置閥門。

4 井下應用效果檢驗

對沖式降塵水幕在寶雨山煤礦12110工作面上、下區(qū)段平巷20m與50m處進行了實驗。為了考察降塵效果，將常規(guī)的圓桶式降塵水幕與對沖式降塵水幕進行對比，選用上下區(qū)段平巷20m 2個測點進行效果比較，對正在生產(chǎn)期間的膠帶運輸巷分別在2種降塵水幕使用期間進行了粉塵濃度測定，其結(jié)果見表2、表3所示。從表中結(jié)果可以看出，對沖式降塵水幕比普通圓桶式降塵水幕降塵效果有較大幅度提高，同時它對呼吸性粉塵有較高的降塵效果。

通過2個測點的試驗效果對比，對沖式降塵率分別達到79.51%與80.73%，平均降塵率為80%；圓筒式水幕降塵率為40.98%與35.88%，平均降塵率為38%，對沖式降塵比圓筒式降塵效果高2倍多。使煤塵濃度大幅度降低，給礦工營造了良好的作業(yè)環(huán)境。另外，對沖式噴頭具有可調(diào)節(jié)角度、噴霧量更細以及可拆卸等優(yōu)點，使設備壽命更長，且隨著工作面的推進，噴霧設備遷移可以不用搬遷笨重的圓筒，大大降低了工人的勞動強度，優(yōu)越性遠超于水桶式噴霧降塵技術(shù)。

表2 圓桶式水幕降塵效果

表3 對沖式水幕降塵效果

5 結(jié) 論

高濃度的煤塵給煤礦安全生產(chǎn)帶來了極大的威脅，采用常規(guī)性的水桶噴霧降塵水幕技術(shù)具有噴頭固定、設備笨重、易生銹以及噴霧顆粒大等缺點，針對上述問題提出了對沖式降塵水幕技術(shù)，可以有效地解決這些問題。該設備具有霧滴細小、霧滴分布均勻、噴射面積大、結(jié)構(gòu)簡單、材料節(jié)約等優(yōu)點。由于降塵效果好，對井下避免煤塵燃燒或者爆炸、杜絕塵肺病、減少對環(huán)境和設備的破壞有非常好的防治作用。

通過效果對比，對沖式降塵率達到79.51%，而圓筒式水幕降塵率為47.26%，降塵效果更加優(yōu)越，使煤塵濃度大幅度降低，給礦工營造了良好的作業(yè)環(huán)境。

對沖式降塵水幕已經(jīng)被應用于寶雨山礦井各采掘工作面及運煤轉(zhuǎn)載點噴霧灑水，具有很廣泛的推廣價值。