綜采工作面綜合防塵技術(shù)研究

劉鵬

（晉能控股集團(tuán) 煤炭產(chǎn)業(yè)部，山西 太原 030000）

0 引 言

煤塵為煤礦五大自然災(zāi)害之一，不但對(duì)礦井安全生產(chǎn)和機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響，同時(shí)也對(duì)職工的身體健康造成嚴(yán)重威脅。我國(guó)目前已經(jīng)普及綜合機(jī)械化采煤，綜采工作面在不采取任何防塵措施的情況下，回風(fēng)流中粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)3 000 mg/m3[1-2]，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。目前我國(guó)煤礦主要采用的防塵措施包括主動(dòng)降塵措施和被動(dòng)降塵措施，其中采用水力除塵是目前最為常用和有效的除塵手段。煤礦采、掘、開(kāi)作業(yè)往往采用濕式作業(yè)，并在回風(fēng)流中設(shè)置除塵噴霧，就是為有效降低回風(fēng)流中的粉塵濃度。但噴霧除塵效果受到水壓、噴霧形態(tài)、粉塵濃度和顆粒大小等多種因素控制[3-5]，因此，想要提高除塵效果，還需要對(duì)其進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化?；诖?，本文以同發(fā)東周窯煤礦4106 綜采工作面為例，對(duì)噴霧降塵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，形成1 套行之有效的綜合防塵技術(shù)，取得良好的效果。

1 工作面概況

同發(fā)東周窯煤礦采用立井開(kāi)拓，中央并列式通風(fēng)，綜合機(jī)械化采煤工藝，走向長(zhǎng)壁回采方法，全部垮落法管理頂板，礦井瓦斯等級(jí)為低瓦斯礦井。目前主采山4 號(hào)煤層，山4 號(hào)煤層為Ⅱ類(lèi)易自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。井田內(nèi)煤層整體為一單斜構(gòu)造，傾向310°，傾角1°～4°，平均2.5°。山4 號(hào)煤層平均厚度為5.66 m，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸1 ～5 層，最大厚度為0.93 m，夾矸巖性多為砂質(zhì)泥巖、泥巖。頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 山4 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r石情況Table 1 Mountain 4 coal seam roof and floor rock table

4106 工作面走向長(zhǎng)度約1 150 m，傾斜長(zhǎng)度220 m，平均埋深約525 m。工作面回采山4 號(hào)煤層，平均厚度6.01 m，普遍含夾矸2 層，局部含夾矸4 層，最大夾矸厚度0.73 m。山4 號(hào)煤層內(nèi)生裂隙較發(fā)育，且普遍存在夾矸，在正常生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵濃度較高且成分復(fù)雜。為對(duì)工作面生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行有效治理，需采取綜合防塵技術(shù)。

2 噴霧降塵技術(shù)原理分析

2.1 文丘里式噴霧降塵原理

文丘里式噴霧降塵裝置，主要包含1 根文丘里管和高壓噴頭。其運(yùn)行原理為在文丘里管的孔喉處安裝高壓噴頭，高壓噴頭由管內(nèi)向外噴射噴霧，噴霧在管內(nèi)部分受到管壁的約束，形成柱狀噴霧，柱狀噴霧稱(chēng)為水霧活塞。水霧活塞能夠?qū)⒐軆?nèi)空氣壓縮并向外推動(dòng)，水霧在管外加速擴(kuò)散，同時(shí)可以在管內(nèi)形成真空，含有粉塵的空氣在負(fù)壓的作用下進(jìn)入噴管，粉塵與水霧在噴管內(nèi)反復(fù)碰撞并結(jié)合，形成高比重的濕潤(rùn)粉塵，噴出管外后會(huì)快速沉降。噴出的噴霧在孔口也會(huì)形成負(fù)壓，帶動(dòng)周邊攜裹粉塵的氣流運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步促進(jìn)水霧和粉塵的有效結(jié)合，提高噴霧降塵效果。文丘里式噴霧降塵原理如圖1所示。

圖1 文丘里式噴霧降塵原理Fig.1 Venturi spray dust principle

2.2 水射流卷吸機(jī)理文丘里式噴霧降塵原理

水流在高壓氣體的作用下噴出后，在速度間斷面上失穩(wěn)，從而形成渦流，在渦流作用的影響下，攜裹粉塵的氣流會(huì)不斷被吸入水霧中，水霧自?xún)?nèi)而外形成混合層，層內(nèi)作紊流運(yùn)動(dòng)，則粉塵與霧滴會(huì)發(fā)生多次碰撞，實(shí)現(xiàn)降塵效果。水射流卷吸機(jī)理如圖2 所示。

圖2 水射流卷吸機(jī)理Fig.2 Mechanism of water jet entrainment

在水射流的密度高于空氣時(shí)，其為非淹沒(méi)性射流，噴口處動(dòng)壓為：

式中：P 為噴口處動(dòng)壓；V0為噴口速度；ρ0為射流密度。

非淹沒(méi)性射流各截面動(dòng)壓特征如圖3 所示，其分布規(guī)律可由下式計(jì)算：

圖3 射流截面動(dòng)壓分布規(guī)律Fig.3 Dynamic pressure distribution of jet cross section

式中：P 為截面任意點(diǎn)動(dòng)壓；Pm為射流軸線上的動(dòng)壓；Y 為任意點(diǎn)至射流軸線徑向距離；R 為射流截面半徑；K 為相關(guān)系數(shù)，試驗(yàn)可知K=0.5。

則可計(jì)算射流各斷面任意點(diǎn)的動(dòng)壓：

2.3 降塵噴霧設(shè)計(jì)關(guān)鍵

根據(jù)以上分析，噴霧降塵中水射流卷吸負(fù)壓對(duì)降塵效率影響顯著，特別是針對(duì)采煤機(jī)而言，混合噴射流能夠阻擋和吸收滾筒端面處產(chǎn)生的粉塵，因此為盡量提高除塵效果，應(yīng)增加噴射端卷吸效果，則可以提高噴霧速度V、霧化率和液氣量，提高卷吸效果，最終提高噴霧除塵效率。

3 工作面綜合防塵技術(shù)方案

根據(jù)上述降塵技術(shù)原理分析，在4106 回采工作面綜采設(shè)備及支架設(shè)置噴霧降塵系統(tǒng)，并擇優(yōu)安裝擋塵簾，以降低生產(chǎn)性粉塵濃度。

（1） 采煤機(jī)噴霧。根據(jù)4106 回采工作面的生產(chǎn)情況，采煤機(jī)的吸塵噴霧裝置安裝于機(jī)體上下端頭電箱處和外側(cè)，共有高壓噴嘴4 個(gè)，噴射角度分別為上23°、上16°、水平、下25°，共用1 個(gè)吸塵口，噴霧壓力8 MPa，水量消耗約18 L/min，吸風(fēng)量26.63 m3/min，孔口負(fù)壓-65 Pa，氣液比1.59，采煤機(jī)噴霧降塵裝置如圖4 所示。

圖4 采煤機(jī)噴霧降塵裝置Fig.4 Coal mining machine spray dust device

（2） 支架?chē)婌F。

工作面回采過(guò)程中風(fēng)流主要在工作空間中流動(dòng)，綜采設(shè)備作業(yè)產(chǎn)生的粉塵和支架移架時(shí)產(chǎn)生的粉塵會(huì)在溜子道、行人道處混合，形成較高的粉塵濃度，為進(jìn)一步降低粉塵濃度，對(duì)采煤機(jī)剩余粉塵和移架粉塵進(jìn)行有效控制，需要在支架上安裝噴霧。支架?chē)婌F主要由水管、吸塵管、噴嘴構(gòu)成，水流通過(guò)高壓噴嘴噴射而出，在支架下方產(chǎn)生全斷面噴霧，每臺(tái)支架上均設(shè)置3 個(gè)直徑為2.4 mm 的噴嘴，噴嘴內(nèi)設(shè)計(jì)X 形導(dǎo)流芯。除塵裝置設(shè)計(jì)有矩形吸塵口，規(guī)格0.1 m×0.1 m，可將攜裹粉塵的氣體由后部吸入，噴霧壓力為4 MPa，吸風(fēng)量18.8 m3/min，支架?chē)婌F裝置如圖5 所示。

圖5 支架?chē)婌F裝置Fig.5 Bracket spray device

（3） 工作面擋風(fēng)簾。

工作面生產(chǎn)過(guò)程中粉塵濃度高、粉塵粒徑懸殊、容易產(chǎn)生次生粉塵、影響范圍廣，在采用采煤機(jī)噴霧和支架?chē)婌F后仍然存在較高粉塵，因此，在工作面設(shè)置濕式擋風(fēng)簾。濕式擋風(fēng)簾上的水受到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的張力可形成水膜，能夠有效增加捕塵效率。對(duì)4106 工作面各部位粉塵濃度進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果在工作面內(nèi)共設(shè)計(jì)3 道濕式擋風(fēng)簾，位置分別為146 架、96 架和56 架處。擋風(fēng)簾包含水幕、捕塵網(wǎng)及卷簾軸，捕塵網(wǎng)規(guī)格8 m×4 m，濾網(wǎng)間距2 mm×2 mm，擋風(fēng)簾下端距離底板約1 m。擋風(fēng)簾結(jié)構(gòu)和布置形式如圖6 所示。

圖6 工作面擋風(fēng)簾結(jié)構(gòu)與布置形式Fig.6 Structure and layout of wind curtain in working face

4 綜合防塵技術(shù)應(yīng)用效果分析

為了對(duì)4106 工作面綜合除塵技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，在采用綜合除塵系統(tǒng)前后分別在工作面的7 個(gè)重點(diǎn)區(qū)域?qū)諝庵腥珘m和呼塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知，4106 工作面在應(yīng)用綜合風(fēng)塵裝置后，各重點(diǎn)區(qū)域的全塵及呼塵濃度均降低至20～50 mg/m3，全塵除塵效率高達(dá)92.03%，呼塵除塵效率高達(dá)91.12%，除塵效果較好。

圖7 綜合防塵系統(tǒng)應(yīng)用前后粉塵濃度變化情況Fig.7 Changes of dust concentration before and after the application of comprehensive dust control system

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的噴霧降塵系統(tǒng)對(duì)粉塵的覆蓋和吸收效率較差，為提高除塵效果，根據(jù)文丘里式噴霧和水射流卷吸機(jī)理對(duì)工作面噴霧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，設(shè)置采煤機(jī)噴霧+支架?chē)婌F+工作面擋風(fēng)簾的多點(diǎn)位、多形式綜合除塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用后除塵效果顯著，可在類(lèi)似生產(chǎn)條件工作面進(jìn)行推廣。