综掘工作面喷雾降尘技术与应用

仝瑞刚

（1.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590）

煤矿粉尘是矿山五大灾害之一，不但影响安全生产，而且危害从业人员的健康和造成环境污染。综掘工作面是煤矿粉尘治理的重要作业场所。

1 综掘工作面概况及产尘机理

1.1 工作面概况

蒋庄煤矿3下610煤巷综掘面断面形状为矩形，巷道宽、高分别为4m、3.1m，断面积为12.4m2，主要服务于3下610工作面生产系统和采煤工作面回采时通风、行人、运输、管线敷设的需要。3下610煤巷位于3下煤中，3下煤在本区内发育稳定，全区可采，煤层厚度在1.85～6.17m，平均4.01m。结构比较复杂，并且局部含夹石，煤层倾角在0～15°之间，平均7°。

测定综掘面粉尘浓度时，先要关闭综掘面所有的抑尘设备，然后测出现场各工序的原始粉尘浓度，主要是迎头处、司机处，距迎头不同距离处的粉尘浓度，得到不同测点的粉尘测定表，如表1所示。

表1 不同测点处粉尘浓度表

1.2 产尘机理

综掘面产生粉尘的机理：当比较尖的截割齿截割煤时，在截割齿与煤岩接触点会产生很大的接触应力，这个应力会让接触点的煤岩首先产生破碎[1]。受应力作用在一个很小的区域内会发生破碎，同时由破碎产生的破碎物比较小，并且在截割齿与煤岩的接触点及其附近煤岩一般都会受三项压应力，所以被破坏的这部分破碎体一般很难被排除到刀外，随着截齿向前行进，刚被破坏的那部分破碎体会再次遇到破坏，一直到最后形成坚实的煤粉核，伴随着截割力度的增加，一些不太稳定的裂隙便会开始失去稳定性，向四周扩展，当截割齿的载荷达到其临界值时，裂隙便开始失稳扩展，很快到达自由面，与此同时释放出剩余的能量，使煤块与煤体分离崩出，解除煤粉核的约束状态，其自身集聚的能量也会释放出来，这样就会造成工作面粉尘的飞扬[2]。

2 喷雾试验

本次试验运用喷雾降尘试验模型进行降尘试验，该模型装置可以模拟综掘面不同通风风速的封闭性试验，它是通过低负压、高风量的风机特制的煤粉扬起，同时利用安装在喷雾仪器上的不同喷嘴进行喷雾降尘，并在出口处架设全自动的粉尘测定仪，对煤尘浓度进行测定，粉尘浓度测定试验过程如图1所示。在喷雾降尘的过程中，利用安设在模型外的Winner312工业喷雾激光粒度分析仪测定液滴与粉尘颗粒的耦合情况[3]。

图1 粉尘浓度测定试验过程示意图

2.1 试验步骤

本次试验采用的喷嘴是广角旋口X芯式实心圆锥喷嘴，其雾化类型为含X形导流芯混合式，喷孔直径为1.6mm、2.0mm和2.4mm，编号为1#、2#和3#，分别进行以下步骤：

（1）选取1#喷嘴。

（2）启动风机和供水系统，等到风速和供水均稳定时，慢慢开始改变喷雾的压力，与此同时启动截止阀，待其稳定之后观测记录供水管路上的压力表、流量表和高压泵压力指示计读数。

（3）利用观测的数据，喷嘴的流量和雾化结构都稳定后，启动扬尘风机开始发射煤粉来模拟现场环境。经过计算，通过与煤粉发射器相连的塑胶管的煤粉量应该控制在250g/min，喷雾前煤尘发射器的产生粉尘浓度是：全尘265mg/m3，呼吸性粉尘118mg/m3。

（4）通过分体式喷雾激光粒度分析仪Winner313测定不同压力时水雾粒径分布的情况，再根据分布情况分析得到整个喷雾场水雾滴分散分布的情况[4]。

（5）等到煤粉发射器发尘稳定和喷雾设备工作稳定后启动位于模型出口的测尘仪设备（AKFC-92A型），然后采集粉尘，需要保证气体流量控制在20L/min，采样时间2min。

（6）重复以上步骤，对另外的喷嘴再进行试验。

2.2 试验结果分析

此次试验测得了三种喷嘴在不同的喷雾压力和风机转速为100r/min的情况下煤尘雾场耦合后的颗粒粒径分布规律，测得雾场的尘雾颗粒粒径数据如表2所示。

通过表中测得的数据可知：所测得的雾滴粒径与只进行喷雾不释放煤尘时相比有所增大，这种情况说明了雾滴与煤尘发生了碰撞、凝结等作用，从而导致了雾滴的粒径有所增大；随着雾滴粒径的增大，与其对应捕获的煤尘粒径基本上也同样会呈现出线性增加的趋势[5]。

煤尘浓度及计算所得的喷雾降尘效率如表3所示。

表3 3种喷嘴不同压力下的喷雾降尘效率

由表3可知：（1）在4MPa喷雾压力下，喷嘴孔径为2.4mm的3#喷嘴，全尘和呼吸性粉尘沉降效率不同，全尘的沉降效率是65.8%，呼吸性粉尘的降尘率是61.7%，由表中数据可以明显看出在此次喷雾降尘试验中全尘降尘率和呼尘的降尘率都是最高的，这说明在此次试验中3#喷嘴在4MPa压力下降尘效果是最明显的；（2）同样在4MPa的压力下1#喷嘴也具有较好的降尘率，而且单位时间消耗的水量也较小。

3 现场应用

3下610综掘工作面净断面达12.4m2，工作面风速较高。3下610煤巷综掘面采用最大截煤岩硬度为8.5的EBZ220型掘进机，在掘进机摇臂左右侧分别布置3个广角旋口X芯式实心圆锥喷嘴，喷嘴直径为2.4mm。喷雾装置设计图如图2所示，喷雾后的粉尘浓度如表3所示。

图2 喷雾装置设计图

表4 降尘后不同测点处粉尘浓度表

工作面现场的粉尘浓度大大降低，全尘和呼尘的平均降尘率分别高达96.0%和95.2%，掘进机司机处，全尘和呼尘浓度也分别降至14.8mg/m3和8.3mg/m3，这表明，综掘面的粉尘抑制系统有效降低了生产现场的粉尘浓度，并且改善了井下综掘面的作业环境，对工人的身体健康和矿井的安全高效开采起到了保障作用[6]。

4 结论

（1）通过研究综掘面产尘机理，对现场3下610煤巷综掘面进行测试，主要是迎头处、司机处、距迎头不同距离处的粉尘浓度。

（2）采用喷雾降尘试验模型，采用不同孔径的喷嘴，大小分别为1.6mm、2.0mm以及2.4mm，根据通水压力的不同，研究雾滴粒径与粉尘的耦合情况，进而得到其降尘效果。

（3）对3下610煤巷进行测试，现场采用喷孔直径为2.4mm的广角实心喷嘴，对迎头处、司机处、距迎头不同距离处的粉尘浓度进行测定，其中迎头处全尘浓度为195.7mg/m3，降尘效率达到69.3%，呼尘浓度为81.5mg/m3，降尘效率达到67.9%。