基于氣水霧化的采煤工作面多塵源聯(lián)控降塵技術(shù)研究

司俊鴻，邵意添，霍小泉，趙法森，侯佳音，李澤荃

(1.華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，北京 101601；2.陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司，陜西 銅川 727000；3.中國國際工程咨詢有限公司，北京 100048；4.華北科技學(xué)院 經(jīng)濟管理學(xué)院，北京 101601)

礦井生產(chǎn)性粉塵是威脅井下作業(yè)人員安全健康的重要因素之一。我國煤礦265萬接塵人員中，每年新增塵肺病5.7萬人，死亡6000余人[1]。井下采掘工作面、轉(zhuǎn)載破碎機等是主要的產(chǎn)塵點，采煤工作面作為主要的工作空間，具有產(chǎn)塵量大、空間范圍較大、工作人員密集等特點，隨著礦井綜合機械化開采技術(shù)的發(fā)展，采煤工作面粉塵濃度超限問題更加突出[2]，頻繁引發(fā)塵肺病、職業(yè)中毒和煤塵爆炸等事故[3，4]。井下常用的防降塵技術(shù)包括煤層注水、通風(fēng)除塵、除塵器除塵、噴霧降塵和化學(xué)泡沫抑塵等[5-7]，各技術(shù)均有優(yōu)缺點。然而，噴霧降塵技術(shù)因其操作簡單、成本適中等優(yōu)勢被廣泛使用。針對噴霧降塵的研究目前多局限在單一塵源降塵技術(shù)方面，對于多塵源條件下粉塵擴散規(guī)律的研究較少[8-20]。論文以玉華煤礦柴家溝井42222采煤工作面為研究對象，研究采煤工作面多塵源點粉塵擴散規(guī)律，在氣水霧化技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，提出采煤機高效氣水霧化外噴霧、轉(zhuǎn)載破碎機防塵和巷道全斷面氣水霧捕塵的多塵源聯(lián)控降塵技術(shù)，為采煤工作面粉塵防治提供技術(shù)保障。

1 測定工作面概況

玉華煤礦柴家溝井為低瓦斯礦井，相對涌出量為6.5m3/t，絕對涌出量為12.17m3/min。礦井總回風(fēng)量3966m3/min，采用中央分列式“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式，抽出式通風(fēng)方法。柴家溝井42222工作面傾向長度165m，開采4-2煤層，煤層厚度3.60～13.60m，為 Ⅰ 類易自燃煤層，自然發(fā)火期3～6個月，最短自然發(fā)火期為28d。煤塵具有爆炸性，火焰長度大于400mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉量為85%。4-2煤層全水分含量占比為5.15%，大于4%，為不可注水煤層，采用綜合機械化放頂煤開采工藝，傾斜走向長壁后退式采煤方法，全部垮落法管理頂板。主要開采設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 工作面主要開采設(shè)備

2 采煤工作面粉塵擴散規(guī)律實測分析

2.1 測點布置

為了研究各區(qū)域粉塵濃度分布情況，在采煤工作面布置6個測點，對測點位置的全塵和呼塵濃度進(jìn)行采樣分析。其中，全塵是總粉塵，常指粒徑在1mm以下的所有塵粒，可以進(jìn)入整個呼吸道，包括鼻、咽、喉、胸腔支氣管、細(xì)支氣管和肺泡的大粉塵。呼吸性粉塵(簡稱“呼塵”)指的是粒徑在5μm以下、能進(jìn)入人體肺泡區(qū)的顆粒物，是導(dǎo)致塵肺病的病因。以工作面進(jìn)風(fēng)巷端口為0點，測點A和測點B分別布置在270m和770m處，測點D在采煤機上風(fēng)側(cè)(1335m)，測點E在采煤機下風(fēng)側(cè)(1355m)，測點D和測點E均距機身中部10m，在轉(zhuǎn)載破碎機入口布置測點C(1200m)，測點F布置在2500m處，測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置(m)

此外，割煤過程中產(chǎn)生的粉塵是采煤工作面粉塵防治的重點，其塵源主要來自于采煤機截割碎煤、落煤破碎及其與氣流碰撞產(chǎn)生的粉塵。在采煤機附近60m范圍內(nèi)布置7個測點對該區(qū)域粉塵濃度進(jìn)行測定，測點布置如圖1所示，其中，測點4位于采煤機機身中部，順風(fēng)(逆風(fēng))割煤時測點3為采煤機后(前)滾筒處，測點5為采煤機前(后)滾筒。以測點4為原點，測點1和測點2分別距原點30m和10m。測點6與測點2以及測點7與測點1以原點為中心對稱布置。

2.2 測試方法及儀器

測試方法為質(zhì)量法，其工作原理是利用干燥濾膜在采樣前后的質(zhì)量增加量以及單位時間氣體的體積流量，計算單位體積空氣中粉塵的質(zhì)量濃度，計算公式為：

式中，C為空氣中粉塵質(zhì)量濃度，mg/m3；m2為采樣后濾膜質(zhì)量，mg；m1為采樣前濾膜質(zhì)量，mg；Q為采樣流量，L/min；t為采樣時間，min。

測試儀器為礦用AKFC-92A型粉塵采樣器，采樣流量設(shè)定20L/min，時間間隔為5min，測點高度約1.5m，基本保持在人體呼吸帶高度，配套使用全塵式預(yù)捕集器(全塵采樣頭)測定全塵，呼吸性粉塵測定配套使用沖擊式預(yù)捕集器(呼塵采樣頭)，各測點均測定全塵和呼塵濃度，并進(jìn)行3次測試，計算均值。為避免在礦井工作面實測時大顆粒粉塵進(jìn)入濾膜干擾測試結(jié)果，入礦前預(yù)先在呼塵采樣頭前端均勻涂抹硅油。采樣時采樣頭進(jìn)風(fēng)口與風(fēng)源相對，且應(yīng)保證每次稱重前后在相同條件下烘干濾膜。

2.3 采煤工作面沿程粉塵擴散規(guī)律

實測得出42222工作面沿程粉塵濃度的變化曲線，如圖2所示。由圖2可知，采煤工作面粉塵濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，采煤機工作區(qū)域粉塵濃度急劇上升，轉(zhuǎn)載點濃度較采煤機區(qū)域低。采煤工作面塵源點主要是轉(zhuǎn)載塵源點和采煤機割煤塵源點，新鮮風(fēng)從進(jìn)風(fēng)巷流入，回風(fēng)巷流出，風(fēng)流先經(jīng)過轉(zhuǎn)載塵源點而后經(jīng)過采煤機割煤塵源點，在采煤機割煤塵源點粉塵濃度疊加。此外，進(jìn)風(fēng)巷塵量較小，回風(fēng)巷里粉塵與風(fēng)流充分混合，濃度降低，但其濃度高于進(jìn)風(fēng)巷。因此，應(yīng)重點關(guān)注采煤機區(qū)域粉塵濃度分布規(guī)律。

圖2 采煤工作面粉塵濃度分布

2.4 采煤機區(qū)域粉塵濃度分布規(guī)律

采煤機順風(fēng)割煤與逆風(fēng)割煤時60m范圍內(nèi)粉塵濃度分布如圖3所示。由圖3可知，采煤機進(jìn)行割煤作業(yè)時，前滾筒和后滾筒區(qū)域的粉塵濃度較大。采煤機機身在割煤過程中占據(jù)巷道空間，風(fēng)流從機身上部區(qū)域繞流，采煤機上部和前后滾筒間風(fēng)速較大，落煤撞擊破碎與巷道風(fēng)流沖擊，擾動了粉塵濃度場和風(fēng)流場的穩(wěn)定性，不利于粉塵顆粒沉降。

圖3 采煤機區(qū)域粉塵濃度分布

順風(fēng)割煤時，沿風(fēng)流方向粉塵濃度總體呈增加趨勢，與逆風(fēng)割煤粉塵濃度分布規(guī)律基本一致。在采煤機下風(fēng)側(cè)10m出現(xiàn)全塵濃度最大值，逆風(fēng)割煤時全塵濃度均值為615.6mg/m3，大于順風(fēng)割煤時的全塵濃度均值579.4mg/m3，且順風(fēng)割煤時前滾筒區(qū)域產(chǎn)塵量較大，全塵濃度上升較快。呼塵濃度雖比全塵濃度小，但整體變化趨勢趨于一致，且變化幅度小于全塵濃度。

采煤機區(qū)域有前滾筒塵源點和后滾筒塵源點兩個塵源點，風(fēng)流每經(jīng)過1個塵源點，粉塵濃度均明顯增加。因此，粉塵濃度在塵源點存在疊加效應(yīng)，防降塵過程中必須采用單點和多點塵源聯(lián)控措施。

3 采煤工作面多塵源聯(lián)控降塵技術(shù)

采煤機區(qū)域和轉(zhuǎn)載破碎機區(qū)域是采煤工作面兩個主要產(chǎn)塵區(qū)域。以采煤機高效氣水霧化外噴霧為主要降塵措施，以轉(zhuǎn)載破碎機防塵和巷道全斷面氣水霧捕塵為輔助降塵措施，提出了基于氣水霧化的采煤工作面多塵源聯(lián)控降塵技術(shù)。

3.1 氣水噴霧裝置參數(shù)優(yōu)化

噴霧降塵效果與出口滴液的粒徑密切相關(guān)，在相同流量下，液滴直徑越小越有利于捕獲粉塵。選用壓力扇形噴嘴，研制了平均粒徑分布在23～42μm范圍內(nèi)的氣水霧化裝置。噴嘴基本參數(shù)為：扇形噴嘴，扇面角度60°，霧譜范圍10～50μm，有效射程1.2～1.5m，適宜水壓不小于0.3MPa，適宜氣壓不小于0.3MPa。

轉(zhuǎn)載破碎機處安裝多組氣水噴霧裝置，單組氣水噴霧裝置如圖4所示，巷道中安裝全斷面氣水噴霧裝置，由多組噴嘴構(gòu)成水霧保護屏障，捕捉巷道風(fēng)流中攜帶的粉塵，如圖5所示。風(fēng)水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)噴嘴的出水量，可以增大霧化效果，減小水霧水滴粒徑，提高氣水噴霧裝置的降塵效率，凈化礦井空氣，其耗水量為4～5L/min，耗風(fēng)量為0.3～0.4m3/min。此外，配套安裝紅外熱感應(yīng)啟停器、反沖洗水質(zhì)過濾器及壓風(fēng)過濾器，實現(xiàn)自動控制。

圖4 破碎機單組氣水噴霧(mm)

圖5 巷道全斷面噴霧(mm)

3.2 采煤機防砸式外噴霧參數(shù)優(yōu)化

采煤機防砸式外噴霧由防護網(wǎng)、固定孔、接水口和廣角噴頭組成，如圖6所示。5個不銹鋼廣角噴頭嵌入防護網(wǎng)內(nèi)，采用陣列式分布，分別連接主進(jìn)水口。結(jié)構(gòu)件均采用厚底為10mm的鋼板澆筑，作為噴霧設(shè)施的外層保護，阻擋大重量煤塊撞擊，表面經(jīng)防腐處理，噴涂兩邊底漆三遍面漆。采煤機正常工作時，輸出信號至水閥，水閥自動放水，二次負(fù)壓降塵。當(dāng)采煤機停止工作時，水閥自動關(guān)閉，防砸噴霧設(shè)施停止噴水。

圖6 采煤機防砸式外噴霧設(shè)計(mm)

利用小型柱塞泵模擬井下水壓，在地面進(jìn)行采煤機防砸外噴霧的噴射覆蓋范圍試驗，選擇最佳工藝參數(shù)。現(xiàn)場試驗測試數(shù)據(jù)見表2。結(jié)果表明，與采煤機機身豎直方向成114°安置防砸式外噴霧噴頭，水壓0.4MPa，噴射流量4.1L/min。

表2 測試數(shù)據(jù)

4 效果檢驗

在柴家溝井42222工作面采煤機機身與懸臂附近安設(shè)采煤機防砸式外噴霧，在轉(zhuǎn)載破碎機區(qū)域安裝3組氣水噴霧裝置，在進(jìn)風(fēng)巷道250m和750m處以及回風(fēng)巷道150m處分別安裝1組全斷面氣水噴霧裝置輔助降塵，如圖7所示，并分別配有反沖洗水質(zhì)過濾器1臺，壓風(fēng)過濾器1臺。

多塵源聯(lián)控降塵技術(shù)應(yīng)用前后，采煤工作面沿程粉塵濃度測試數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，所設(shè)計的噴霧降塵系統(tǒng)安裝使用后，進(jìn)回風(fēng)巷道、轉(zhuǎn)載點附近以及采煤機區(qū)域粉塵濃度顯著降低，其中轉(zhuǎn)載點附近全塵和呼塵濃度分別由258.0mg/m3和85.7mg/m3降低至32.4mg/m3和9.2mg/m3，全塵降塵率為87.44%，呼塵降塵率為89.26%；采煤機下風(fēng)側(cè)10m處全塵和呼塵濃度分別由555.3mg/m3和192.6mg/m3降低到74.4mg/m3和21.9mg/m3，全塵降塵率為86.60%，呼塵降塵率為88.63%。采煤工作面多塵源聯(lián)控降塵技術(shù)具有良好的降塵效果，降塵率均在80%以上。

表3 多塵源聯(lián)控降塵技術(shù)使用前后濃度測試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

1)42222采煤工作面沿程粉塵濃度及采煤機區(qū)域粉塵濃度實測結(jié)果顯示，采煤機工作區(qū)域粉塵濃度急劇上升，轉(zhuǎn)載點濃度次之，粉塵濃度在采煤機割煤塵源點附近疊加，回風(fēng)巷濃度降低，但仍高于進(jìn)風(fēng)巷。采煤機區(qū)域順風(fēng)割煤與逆風(fēng)割煤時采煤機附近區(qū)域粉塵濃度均沿風(fēng)流方向呈增加趨勢，在采煤機下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)全塵濃度最大值，逆風(fēng)割煤時全塵濃度大于順風(fēng)割煤。

2)以采煤機高效氣水霧化外噴霧為主要降塵措施，以轉(zhuǎn)載破碎機防塵和巷道全斷面氣水霧捕塵為輔助降塵措施，提出了基于氣水霧化的采煤工作面多塵源聯(lián)控降塵技術(shù)。

3)研制了平均粒徑分布在23～42μm范圍內(nèi)的氣水霧化裝置，設(shè)計了轉(zhuǎn)載破碎機及全斷面氣水噴霧裝置，分析了氣水噴嘴的霧化效果，得出了采煤機防砸式外噴霧噴頭最佳工藝參數(shù)為水壓0.4MPa，噴射流量4.1L/min，安裝角度與采煤機機身豎直方向成114°。

4)應(yīng)用結(jié)果表明，采煤工作面多塵源聯(lián)控降塵技術(shù)降塵效果顯著，平均降塵率可達(dá)到80%以上。