噴霧降塵技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用研究

秦國樂

（同煤集團(tuán)永定莊煤礦， 山西 大同 037024）

引言

由于煤炭開采環(huán)境惡劣，煤礦企業(yè)以及作業(yè)人員面臨的透水事故、瓦斯爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)越來越多。除此之外，一線作業(yè)人員長期性地吸入煤炭顆粒粉塵容易造成塵肺病[1]，通過資料調(diào)查分析，可知塵肺病在煤炭行業(yè)的發(fā)病率居第一位。此外，煤炭粉塵在空氣中漂浮，容易附著在機(jī)械設(shè)備上面，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容易將粉塵帶入，造成機(jī)械設(shè)備的磨損以及各類精密儀器損壞[2]。更為嚴(yán)重的是，礦井粉塵在礦井巷道內(nèi)漂浮形成一定濃度，遇火花易引發(fā)爆炸，造成嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故。因此，應(yīng)采用切實(shí)有效的降塵技術(shù)應(yīng)用于開采作業(yè)過程當(dāng)中，使煤炭粉塵濃度數(shù)值保持在安全范圍內(nèi)，保障一線作業(yè)人員的健康安全，確保煤礦企業(yè)生產(chǎn)效率高效[3]。通過實(shí)地走訪和查閱相關(guān)資料，設(shè)計(jì)出高速射水負(fù)壓降塵噴霧裝置應(yīng)用于現(xiàn)場作業(yè)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該裝置降塵范圍廣、降塵效果優(yōu)異，并且能夠在開采面形成水霧墻阻擋粉塵漫延。

1 粉塵擴(kuò)散規(guī)律分析

1.1 粉塵來源

整個(gè)煤炭開采及運(yùn)輸工作包含有五個(gè)工序，包括落煤、放煤、移架、裝煤和運(yùn)煤。每一個(gè)工序的作業(yè)機(jī)制均不相同，通過對(duì)現(xiàn)場觀察調(diào)研，煤炭粉塵的產(chǎn)生主要來自于開采、運(yùn)輸和錨噴等工序環(huán)節(jié)，其中在開采煤炭時(shí)所產(chǎn)生的粉塵量最大，可以占到整個(gè)礦井產(chǎn)生粉塵量的85%以上[4]。因此對(duì)開采工序進(jìn)行優(yōu)化，減小粉塵來源。

1.2 粉塵凝聚機(jī)理

粉塵在空氣擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過程中受到物理或者化學(xué)作用下會(huì)改變自身狀態(tài)，當(dāng)粉塵粒子再受到物理或者化學(xué)作用進(jìn)行相互接觸，融合之后就會(huì)形成更大的顆粒，這種現(xiàn)象叫做粒子的凝聚。當(dāng)粒子顆粒變大之后，就有利于對(duì)粉塵粒子進(jìn)行處理。因此可利用粉塵粒子的該機(jī)理屬性開展降塵工作，提高對(duì)微細(xì)粒子的捕集效率。

1.3 粉塵分布規(guī)律

為了解粉塵分布規(guī)律，采用專業(yè)礦井粉塵采樣器放置于礦井各個(gè)關(guān)鍵部位及工序，對(duì)擴(kuò)散后的粉塵濃度進(jìn)行采集分析。通過對(duì)某地礦井的進(jìn)風(fēng)巷、司機(jī)處、割煤處、回風(fēng)巷、破碎機(jī)處等位置的煤炭粉塵濃度進(jìn)行采集，并分析其各個(gè)部位的全塵濃度和呼塵濃度，其中在司機(jī)處、割煤和移架等工序處的粉塵濃度較高[5]，最高的地方為司機(jī)處，最低濃度位置在回風(fēng)巷。雖然回風(fēng)巷的粉塵濃度有所降低，但仍然不滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)對(duì)一線作業(yè)人員的身體造成危害。具體濃度分析如圖1 所示。

圖1 開采工作面粉塵濃度示意圖

如圖1 可以看出，礦井雖然啟用了支架噴霧系統(tǒng)，但是對(duì)于作業(yè)面的各個(gè)位置降塵沒有達(dá)到預(yù)期的效果，通過專業(yè)粉塵設(shè)備的測量指明了降塵技術(shù)裝置合理應(yīng)用范圍，為開發(fā)研究專業(yè)除塵裝置提供了依據(jù)。

2 降塵技術(shù)及裝置設(shè)計(jì)

2.1 應(yīng)用現(xiàn)場概況

某地煤礦8242 工作面為本次的研究現(xiàn)場試驗(yàn)基地，該工作面的標(biāo)高為-142.35～-194.01 m。整個(gè)工作面的延長長度為1 339 m，具有傾向的長度為188.05 m，揭露的煤層兩極厚度為1.40～3.80 m，平均的煤層厚度為2.62 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，直接頂為再生頂板，為上分層回采冒落后形成的再生頂板，膠結(jié)松散易冒落。該礦井的地層瓦斯?jié)舛容^低，但是在煤層容易發(fā)生自燃現(xiàn)象，煤礦粉塵的爆炸指數(shù)為39.22%[6]。

2.2 割煤工序產(chǎn)生粉塵擴(kuò)散機(jī)理

煤礦企業(yè)常采用滾筒式采煤機(jī)對(duì)煤炭層進(jìn)行開采，通過采煤機(jī)上的葉片高速旋轉(zhuǎn)與煤炭進(jìn)行接觸并發(fā)生切割作用，在切割的時(shí)候會(huì)有一定的排風(fēng)量，對(duì)周圍的粉塵產(chǎn)生擾動(dòng)。在滾筒采煤機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)作用下會(huì)加劇粉塵在空氣中的彌漫。由于旋轉(zhuǎn)處產(chǎn)生的風(fēng)量運(yùn)動(dòng)場不均勻，并且風(fēng)速較大會(huì)造成粉塵向礦道內(nèi)人行道加速擴(kuò)散，此外在滾筒附近也會(huì)產(chǎn)生渦流。

2.3 負(fù)壓降塵機(jī)理

負(fù)壓降塵裝置是通過水霧從噴口高速射出，在局部形成速度不連貫的作用面，周圍的空氣在高速噴霧的作用下失去了原有的狀態(tài)而形成渦旋。渦旋可以帶動(dòng)粉塵不斷由內(nèi)向外進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)外兩個(gè)不穩(wěn)定的作用混合層。當(dāng)噴霧的水珠與懸浮在空氣中的煤炭顆粒進(jìn)行結(jié)合時(shí)就會(huì)以另一種狀態(tài)進(jìn)行沉降，從而達(dá)到降塵除塵的效果。

通過將連續(xù)噴射的粉塵顆粒與噴霧進(jìn)行不斷噴出結(jié)合，在噴口噴射的方向形成了負(fù)壓效果，達(dá)到不斷連續(xù)降塵的效果，具體原理圖如圖2 所示。

圖2 負(fù)壓降塵機(jī)理示意圖

2.4 負(fù)壓除塵裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)上述除塵原理分析并結(jié)合粉塵濃度最高的三個(gè)位置來設(shè)計(jì)負(fù)壓除塵裝置，使其可通過噴射形成水霧墻來阻擋粉塵的漫延。負(fù)壓除塵裝置的關(guān)鍵設(shè)計(jì)步驟應(yīng)首先設(shè)定裝置的吸風(fēng)量，選取為85 m3/min；其次應(yīng)考慮裝置噴嘴的噴射方向及裝置噴嘴的數(shù)量，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)5 個(gè)噴嘴并裝配1 個(gè)噴管，直接噴向滾筒采煤機(jī)與煤層接觸部位，具體設(shè)計(jì)示意圖如圖3 所示。

圖3 高速負(fù)壓降塵裝置設(shè)計(jì)示意圖

3 負(fù)壓噴霧除塵效果對(duì)比分析

將研制出的負(fù)壓噴霧除塵裝置在工作面進(jìn)行安裝，對(duì)巷道內(nèi)全塵濃度及呼吸性粉塵濃度兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷負(fù)壓噴霧除塵裝置的有效性，如圖4、圖5 所示。

圖4 安裝負(fù)壓除塵裝置使用前后全塵濃度對(duì)比分析圖

圖5 安裝負(fù)壓除塵裝置使用前后呼吸性粉塵濃度對(duì)比分析圖

1）從噴霧除塵裝置安裝前后的工作面粉塵分布情況對(duì)比來看，所設(shè)計(jì)的噴霧除塵裝置安裝使用后，在割煤過程中，人行道、溜槽沿程的粉塵濃度均有所下降，且效果明顯。采煤過程中采煤機(jī)附近降塵率能達(dá)到70%～85%左右，全塵的降塵率高于呼塵的降塵率，說明所設(shè)計(jì)的裝置在一定程度上降低了綜采工作面的粉塵濃度，并能夠在采煤機(jī)搖臂與刮板運(yùn)輸機(jī)之間形成“水霧墻”，阻止粉塵向人行道擴(kuò)散的效果，保護(hù)綜采工作面作業(yè)人員的工作環(huán)境。

2）通過對(duì)工作面各個(gè)測試點(diǎn)的對(duì)比分析表明，所設(shè)計(jì)的噴霧除塵裝置，在很大程度上抑制了滾筒位置處的揚(yáng)塵，滾筒前方的粉塵濃度也明顯降低；沿程各個(gè)測點(diǎn)的粉塵濃度均有所下降，特別是采煤機(jī)司機(jī)處粉塵下降尤為明顯。

4 結(jié)語

目前，針對(duì)于礦井粉塵濃度下降的技術(shù)措施還存在一定的缺陷，通過對(duì)某煤礦工作面粉塵濃度分布規(guī)律及粉塵擴(kuò)散規(guī)律的研究，設(shè)計(jì)出了一種高速負(fù)壓噴霧降塵技術(shù)的裝置，并在煤礦中開展現(xiàn)場試驗(yàn)，確保實(shí)際應(yīng)用效果的真實(shí)性。試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置能有效降低粉塵濃度，并在全塵濃度及呼吸性粉塵濃度兩個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)方面有較好的體現(xiàn)。高速負(fù)壓噴霧降塵裝置可以通過形成“水霧墻”的方式，阻隔煤炭粉塵向四周進(jìn)行無規(guī)律的擴(kuò)散，保障了煤炭開采過程中的安全性。高速負(fù)壓噴霧降塵裝置的研制為煤礦降塵技術(shù)裝置的研發(fā)提供了思路。