綜掘工作面噴霧降塵技術(shù)與應(yīng)用

仝瑞剛

（1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.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）

煤礦粉塵是礦山五大災(zāi)害之一，不但影響安全生產(chǎn)，而且危害從業(yè)人員的健康和造成環(huán)境污染。綜掘工作面是煤礦粉塵治理的重要作業(yè)場(chǎng)所。

1 綜掘工作面概況及產(chǎn)塵機(jī)理

1.1 工作面概況

蔣莊煤礦3下610煤巷綜掘面斷面形狀為矩形，巷道寬、高分別為4m、3.1m，斷面積為12.4m2，主要服務(wù)于3下610工作面生產(chǎn)系統(tǒng)和采煤工作面回采時(shí)通風(fēng)、行人、運(yùn)輸、管線敷設(shè)的需要。3下610煤巷位于3下煤中，3下煤在本區(qū)內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定，全區(qū)可采，煤層厚度在1.85～6.17m，平均4.01m。結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且局部含夾石，煤層傾角在0～15°之間，平均7°。

測(cè)定綜掘面粉塵濃度時(shí)，先要關(guān)閉綜掘面所有的抑塵設(shè)備，然后測(cè)出現(xiàn)場(chǎng)各工序的原始粉塵濃度，主要是迎頭處、司機(jī)處，距迎頭不同距離處的粉塵濃度，得到不同測(cè)點(diǎn)的粉塵測(cè)定表，如表1所示。

表1 不同測(cè)點(diǎn)處粉塵濃度表

1.2 產(chǎn)塵機(jī)理

綜掘面產(chǎn)生粉塵的機(jī)理：當(dāng)比較尖的截割齒截割煤時(shí)，在截割齒與煤巖接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力會(huì)讓接觸點(diǎn)的煤巖首先產(chǎn)生破碎[1]。受應(yīng)力作用在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)會(huì)發(fā)生破碎，同時(shí)由破碎產(chǎn)生的破碎物比較小，并且在截割齒與煤巖的接觸點(diǎn)及其附近煤巖一般都會(huì)受三項(xiàng)壓應(yīng)力，所以被破壞的這部分破碎體一般很難被排除到刀外，隨著截齒向前行進(jìn)，剛被破壞的那部分破碎體會(huì)再次遇到破壞，一直到最后形成堅(jiān)實(shí)的煤粉核，伴隨著截割力度的增加，一些不太穩(wěn)定的裂隙便會(huì)開(kāi)始失去穩(wěn)定性，向四周擴(kuò)展，當(dāng)截割齒的載荷達(dá)到其臨界值時(shí)，裂隙便開(kāi)始失穩(wěn)擴(kuò)展，很快到達(dá)自由面，與此同時(shí)釋放出剩余的能量，使煤塊與煤體分離崩出，解除煤粉核的約束狀態(tài)，其自身集聚的能量也會(huì)釋放出來(lái)，這樣就會(huì)造成工作面粉塵的飛揚(yáng)[2]。

2 噴霧試驗(yàn)

本次試驗(yàn)運(yùn)用噴霧降塵試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行降塵試驗(yàn)，該模型裝置可以模擬綜掘面不同通風(fēng)風(fēng)速的封閉性試驗(yàn)，它是通過(guò)低負(fù)壓、高風(fēng)量的風(fēng)機(jī)特制的煤粉揚(yáng)起，同時(shí)利用安裝在噴霧儀器上的不同噴嘴進(jìn)行噴霧降塵，并在出口處架設(shè)全自動(dòng)的粉塵測(cè)定儀，對(duì)煤塵濃度進(jìn)行測(cè)定，粉塵濃度測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。在噴霧降塵的過(guò)程中，利用安設(shè)在模型外的Winner312工業(yè)噴霧激光粒度分析儀測(cè)定液滴與粉塵顆粒的耦合情況[3]。

圖1 粉塵濃度測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程示意圖

2.1 試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)采用的噴嘴是廣角旋口X芯式實(shí)心圓錐噴嘴，其霧化類型為含X形導(dǎo)流芯混合式，噴孔直徑為1.6mm、2.0mm和2.4mm，編號(hào)為1#、2#和3#，分別進(jìn)行以下步驟：

（1）選取1#噴嘴。

（2）啟動(dòng)風(fēng)機(jī)和供水系統(tǒng)，等到風(fēng)速和供水均穩(wěn)定時(shí)，慢慢開(kāi)始改變噴霧的壓力，與此同時(shí)啟動(dòng)截止閥，待其穩(wěn)定之后觀測(cè)記錄供水管路上的壓力表、流量表和高壓泵壓力指示計(jì)讀數(shù)。

（3）利用觀測(cè)的數(shù)據(jù)，噴嘴的流量和霧化結(jié)構(gòu)都穩(wěn)定后，啟動(dòng)揚(yáng)塵風(fēng)機(jī)開(kāi)始發(fā)射煤粉來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。經(jīng)過(guò)計(jì)算，通過(guò)與煤粉發(fā)射器相連的塑膠管的煤粉量應(yīng)該控制在250g/min，噴霧前煤塵發(fā)射器的產(chǎn)生粉塵濃度是：全塵265mg/m3，呼吸性粉塵118mg/m3。

（4）通過(guò)分體式噴霧激光粒度分析儀Winner313測(cè)定不同壓力時(shí)水霧粒徑分布的情況，再根據(jù)分布情況分析得到整個(gè)噴霧場(chǎng)水霧滴分散分布的情況[4]。

（5）等到煤粉發(fā)射器發(fā)塵穩(wěn)定和噴霧設(shè)備工作穩(wěn)定后啟動(dòng)位于模型出口的測(cè)塵儀設(shè)備（AKFC-92A型），然后采集粉塵，需要保證氣體流量控制在20L/min，采樣時(shí)間2min。

（6）重復(fù)以上步驟，對(duì)另外的噴嘴再進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

此次試驗(yàn)測(cè)得了三種噴嘴在不同的噴霧壓力和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為100r/min的情況下煤塵霧場(chǎng)耦合后的顆粒粒徑分布規(guī)律，測(cè)得霧場(chǎng)的塵霧顆粒粒徑數(shù)據(jù)如表2所示。

通過(guò)表中測(cè)得的數(shù)據(jù)可知：所測(cè)得的霧滴粒徑與只進(jìn)行噴霧不釋放煤塵時(shí)相比有所增大，這種情況說(shuō)明了霧滴與煤塵發(fā)生了碰撞、凝結(jié)等作用，從而導(dǎo)致了霧滴的粒徑有所增大；隨著霧滴粒徑的增大，與其對(duì)應(yīng)捕獲的煤塵粒徑基本上也同樣會(huì)呈現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì)[5]。

煤塵濃度及計(jì)算所得的噴霧降塵效率如表3所示。

表3 3種噴嘴不同壓力下的噴霧降塵效率

由表3可知：（1）在4MPa噴霧壓力下，噴嘴孔徑為2.4mm的3#噴嘴，全塵和呼吸性粉塵沉降效率不同，全塵的沉降效率是65.8%，呼吸性粉塵的降塵率是61.7%，由表中數(shù)據(jù)可以明顯看出在此次噴霧降塵試驗(yàn)中全塵降塵率和呼塵的降塵率都是最高的，這說(shuō)明在此次試驗(yàn)中3#噴嘴在4MPa壓力下降塵效果是最明顯的；（2）同樣在4MPa的壓力下1#噴嘴也具有較好的降塵率，而且單位時(shí)間消耗的水量也較小。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3下610綜掘工作面凈斷面達(dá)12.4m2，工作面風(fēng)速較高。3下610煤巷綜掘面采用最大截煤巖硬度為8.5的EBZ220型掘進(jìn)機(jī)，在掘進(jìn)機(jī)搖臂左右側(cè)分別布置3個(gè)廣角旋口X芯式實(shí)心圓錐噴嘴，噴嘴直徑為2.4mm。噴霧裝置設(shè)計(jì)圖如圖2所示，噴霧后的粉塵濃度如表3所示。

圖2 噴霧裝置設(shè)計(jì)圖

表4 降塵后不同測(cè)點(diǎn)處粉塵濃度表

工作面現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度大大降低，全塵和呼塵的平均降塵率分別高達(dá)96.0%和95.2%，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處，全塵和呼塵濃度也分別降至14.8mg/m3和8.3mg/m3，這表明，綜掘面的粉塵抑制系統(tǒng)有效降低了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度，并且改善了井下綜掘面的作業(yè)環(huán)境，對(duì)工人的身體健康和礦井的安全高效開(kāi)采起到了保障作用[6]。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)研究綜掘面產(chǎn)塵機(jī)理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)3下610煤巷綜掘面進(jìn)行測(cè)試，主要是迎頭處、司機(jī)處、距迎頭不同距離處的粉塵濃度。

（2）采用噴霧降塵試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用不同孔徑的噴嘴，大小分別為1.6mm、2.0mm以及2.4mm，根據(jù)通水壓力的不同，研究霧滴粒徑與粉塵的耦合情況，進(jìn)而得到其降塵效果。

（3）對(duì)3下610煤巷進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)采用噴孔直徑為2.4mm的廣角實(shí)心噴嘴，對(duì)迎頭處、司機(jī)處、距迎頭不同距離處的粉塵濃度進(jìn)行測(cè)定，其中迎頭處全塵濃度為195.7mg/m3，降塵效率達(dá)到69.3%，呼塵濃度為81.5mg/m3，降塵效率達(dá)到67.9%。