楊柳煤礦干霧抑塵裝備研制及現(xiàn)場應用研究

丁 堯 張 生 郜光輝

（淮北礦業(yè)集團楊柳煤業(yè)有限公司，安徽 淮北 235119）

煤礦開采過程中產(chǎn)生的粉塵對人體健康危害極大，尤其是粒徑小于7.07μm 的呼吸性粉塵，其分散度高，粒徑小，比表面積大，吸附能力強，不易沉降，在氣流的擾動下，長期懸浮于空氣中。這類粉塵被作業(yè)人員吸入肺中時絕大部分會滯留在肺泡中，進而引發(fā)塵肺病?；幢钡V業(yè)集團楊柳煤礦的主要產(chǎn)塵源包括綜采工作面采煤機割煤、降柱移架、煤炭破碎，掘進工作面綜掘機割煤、落煤、爆破落巖，以及運輸過程中皮帶運輸和轉(zhuǎn)載等，產(chǎn)塵量大，嚴重危害井下的工作環(huán)境和作業(yè)人員的身體健康。目前雖已采取了一定的粉塵防治措施，但對于呼吸性粉塵仍難以起到較好的防治效果。

濕式除塵是煤礦井下經(jīng)濟有效的除塵手段之一，但是傳統(tǒng)濕式除塵技術(shù)存在阻力大、能耗高且對呼吸性粉塵除塵效率較低的缺點。干霧抑塵技術(shù)作為一種新型濕式除塵技術(shù)，其原理是利用超聲霧化噴嘴產(chǎn)生粒徑與呼吸性粉塵顆粒粒徑相近的微小霧滴，當水霧顆粒直徑在10μm以下，達到干霧級別時，會很容易捕捉到空氣中飄散的呼吸性粉塵，通過相互結(jié)合，粒子體積和質(zhì)量逐漸增大，最終在重力的影響下實現(xiàn)沉降，從而達到除塵目的。

為解決粉塵問題，本文結(jié)合楊柳煤礦的現(xiàn)場實際情況，研制適用于井下主要產(chǎn)塵源的干霧抑塵裝備，進而大幅降低粉塵濃度，并為該技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的推廣應用提供重要依據(jù)和經(jīng)驗借鑒。

1 楊柳煤礦干霧抑塵裝備研制

結(jié)合楊柳煤礦現(xiàn)場實際情況，采取模塊化設計的原則研制出了適于井下的干霧抑塵裝備。該裝備主要由水氣凈化模塊以及干霧發(fā)生模塊組成，具體包括水源處理器、氣源處理器、干霧發(fā)生器、噴嘴以及連接管路等部分。

1.1 水氣凈化模塊

水氣凈化模塊主要由水源處理器以及氣源處理器兩部分組成。

水源處理器具有兩級過濾的功能。一級水源處理器主要選擇800目的不銹鋼濾網(wǎng)作為水源的一級過濾材料，經(jīng)雙層疊加使用，主要過濾水質(zhì)中的較大顆粒物質(zhì)。經(jīng)一級過濾后水內(nèi)顆粒物直徑可下降至10μm以下，之后接水源二級處理裝置，可將水中顆粒物降到5μm以下。水源一、二級處理器均具有反沖洗功能，并且可對單一部件進行拆卸維護，提高了其耐用性。

氣源處理器與水源處理器具有相似的設計，均為兩級過濾結(jié)構(gòu)。氣源的過濾精度將顆粒物大小控制在8μm以下。此外，由于井上、井下溫度與壓力的差異性，壓風中的水蒸氣會變?yōu)橐后w水，影響噴霧效果，因此氣源處理器加裝了氣液分離處理功能。

為提高水氣凈化模塊的便捷性，研發(fā)裝備控制柜將水源處理器和氣源處理器進行集成處理，如圖1所示。采用不銹鋼柜體，氣、水源處理器間采用鍍鋅不銹鋼DN15鋼管硬連接，控制柜進氣、進水口設置耐壓閘閥，用氣可調(diào)節(jié)氣、水壓力比?？刂乒駜?nèi)部設置有氣、水壓力表，量程大于井下風壓、水壓最大值，滿足現(xiàn)場應用需求。

圖1 水氣凈化模塊控制柜實物圖

1.2 干霧發(fā)生模塊

干霧發(fā)生模塊主要由干霧發(fā)生器以及干霧噴嘴兩部分組成。如圖2所示。

干霧發(fā)生器的主要功能是確定噴霧位置、安裝噴嘴、布設氣、水管路以及設置干霧噴射角度。干霧發(fā)生器內(nèi)氣路、水路布設采用并列式雙排布設，如圖2（a）所示。主管路采用12mm氣管，支路采用8mm氣管，采用三通快接接頭。每支路接噴嘴少于10只，以減少氣-水壓力損失。干霧發(fā)生器根據(jù)井下不同產(chǎn)塵源的實際情況進行優(yōu)化設計。

干霧抑塵裝備的核心在于干霧噴嘴。本文選用如圖2（b）所示的氣-水聯(lián)動超聲霧化噴嘴。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別為氣動霧芯、氣水分流腔，采用304不銹鋼材料，進水、進氣采用8mm內(nèi)絲快接。為提高高壓氣體對水體的破碎效果，在噴嘴出口5mm處增設氣、水共振腔，使氣體對一次破碎后的霧滴進行二次振動沖擊，以增加霧化效果。

圖2 干霧發(fā)生模塊實物圖

2 干霧抑塵裝備井下現(xiàn)場應用

為進一步研究干霧抑塵裝備對井下煤塵的抑制性能，本文選取楊柳煤礦綜掘煤巷、轉(zhuǎn)載點以及回風巷作為主要應用地點開展現(xiàn)場試驗，驗證干霧抑塵裝備的現(xiàn)場應用效果。

2.1 綜掘煤巷干霧抑塵裝備現(xiàn)場應用

綜掘煤巷的現(xiàn)場試驗地點選在楊柳煤礦1074機巷。干霧抑塵裝備具體放置位置及監(jiān)測點如圖3所示。本次試驗采用CCZ-1000直讀式粉塵濃度測定儀（濾膜式），單次測試時間3min，測試后裝入采樣袋，帶到地面在100℃干燥箱中恒溫干燥2h，采用稱重方式對其濃度進行換算。為提高測試準確性，所有測點均測定兩次，時間間隔1h。

圖3 1074機巷干霧抑塵裝備放置位置及監(jiān)測點布置

測試結(jié)果如表1所示。由表可知，干霧具有較大的飄散性，距離水幕簾越遠，其抑塵效果越顯著，抑塵率由測點2處的62.11%，提高到了測點3處的83.75%。經(jīng)過觀察可知，煤巷掘進風速與云霧飄散速度匹配度良好，噴霧對巷道內(nèi)清晰度影響較小。

表1 干霧抑塵裝備抑塵率現(xiàn)場測試表

2.2 轉(zhuǎn)載點干霧抑塵裝備現(xiàn)場應用

選取楊柳煤礦井下1075工作面機巷二級皮帶轉(zhuǎn)載點以及皮帶-溜煤眼的轉(zhuǎn)載點為試驗地點，分別設計研制了兩套干霧抑塵裝備進行現(xiàn)場應用。

1075 工作面機巷二級皮帶轉(zhuǎn)載點干霧抑塵裝備由干霧抑塵裝置、封閉木板、高壓汽水管路、支撐鐵架四部分組成。轉(zhuǎn)載點位于上皮帶和下皮帶之間，將封閉木板安裝在上皮帶和下皮帶之間，形成一個封閉空間，在下皮帶機底部安裝支撐鐵架，將干霧抑塵裝置放置在支撐鐵架上。干霧抑塵裝置由三組高壓干霧噴頭組成，每組三個，一組噴頭朝向皮帶機運動方向，兩組噴頭朝向封閉木板空間，形成對落塵的全方位濕潤。由于干霧粒徑可以達到10μm左右，且在封閉空間中可以讓霧滴不斷進行碰撞，不斷對粉塵進行包裹，從而最大程度降低粉塵。

皮帶-溜煤眼轉(zhuǎn)載點的干霧抑塵系統(tǒng)由干霧抑塵裝置、鐵架、高壓氣、水管路、濾網(wǎng)四部分組成。該轉(zhuǎn)載點的主要產(chǎn)塵位置是皮帶溜向溜煤眼的區(qū)域以及落煤落進溜煤眼處，因此將兩個矩形鐵架十字交叉安裝在溜煤眼上部，然后將干霧抑塵裝置懸掛在鐵架上，利用500目濾網(wǎng)對鐵架進行包裹，只留出粉塵溜向溜煤眼的孔，即對溜煤眼的上部空間進行封閉，提高干霧除塵裝置的除塵效率。干霧抑塵裝置共設置三組高壓干霧噴頭，每組三個，一組噴頭朝向皮帶機運動方向，兩組噴頭朝向濾網(wǎng)封閉空間，在封閉空間中霧滴與粉塵充分接觸，迅速凝結(jié)，形成對落塵的全方位沉降，最大限度降低溜煤眼轉(zhuǎn)載點的粉塵危害。

通過測定1075工作面機巷二級轉(zhuǎn)載點和皮帶-溜煤眼轉(zhuǎn)載點加入干霧抑塵裝置前后的粉塵濃度變化，得到抑塵效果如表2所示。由表可知，1075工作面二級轉(zhuǎn)載點的降塵效率為80.61%，溜煤眼轉(zhuǎn)載點的降塵效率為82.05%，抑塵效果顯著。

表2 轉(zhuǎn)載點抑塵率現(xiàn)場測試表

2.3 回風巷干霧抑塵裝備現(xiàn)場應用

《煤礦安全規(guī)程》第六百四十八條規(guī)定“井工煤礦采煤工作面回風巷應當安設風流凈化水幕?！币虼嗽O計回風巷干霧抑塵裝備為自動控制的全斷面雙層干霧水幕簾裝置。該裝置可根據(jù)粉塵濃度的高低自動開啟噴霧，并在有人通過時自動關(guān)閉延時，然后自動重新開啟工作，實現(xiàn)自動監(jiān)測工作。將其安裝在距離1075綜采工作面上隅角50m處，通過實時監(jiān)測水幕簾后的粉塵濃度，對比得出全斷面雙層干霧水幕簾在采煤工作面回風巷中的抑塵效果。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出，由于楊柳礦長期利用密集順層孔抽采瓦斯，致使煤體干燥，固而不開水幕簾時粉塵濃度在750 mg/m3左右，而開啟水幕簾后粉塵濃度立刻降低，平均在180mg/m3，降低了3.9倍，抑塵效果顯著。此外，通過現(xiàn)場應用發(fā)現(xiàn)，水氣凈化模塊的應用使得噴嘴堵塞的幾率大幅度降低，噴嘴堵塞現(xiàn)象和噴嘴報廢現(xiàn)象均得到了很好的改善。

4 結(jié)論

（1）研發(fā)出適用于楊柳煤礦的干霧抑塵裝備。該裝備主要由水氣凈化模塊以及干霧發(fā)生模塊組成，具體包括水源處理器、氣源處理器、干霧發(fā)生器、噴嘴以及連接管路等部分。

（2）在1074綜掘煤巷開展干霧抑塵裝備的現(xiàn)場應用，得出干霧距離水幕簾越遠，抑塵效果越顯著。30m內(nèi)平均抑塵率為62.11%，200m內(nèi)平均抑塵率為83.75%，且干霧對巷道內(nèi)清晰度影響較小。

（3）開展了1075工作面二級轉(zhuǎn)載點以及溜煤眼轉(zhuǎn)載點干霧抑塵裝備的研制，并通過現(xiàn)場應用得出1075工作面二級轉(zhuǎn)載點的降塵效率為80.61%，溜煤眼轉(zhuǎn)載點的降塵效率為82.05%，抑塵效果顯著。

（4）設計研制了回風巷干霧水幕粉塵凈化裝置，通過現(xiàn)場應用得出1075工作面回風巷粉塵濃度由750mg/m3降低至180mg/m3，抑塵效果顯著。此外水、氣凈化模塊的應用使得干霧噴嘴堵塞的幾率大幅降低，增強了除塵工作的可靠性。現(xiàn)場應用證明干霧抑塵裝備可以在煤礦井下多處區(qū)域推廣應用。