綜掘工作面噴霧降塵技術與應用

仝瑞剛

（1.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590）

煤礦粉塵是礦山五大災害之一，不但影響安全生產，而且危害從業人員的健康和造成環境污染。綜掘工作面是煤礦粉塵治理的重要作業場所。

1 綜掘工作面概況及產塵機理

1.1 工作面概況

蔣莊煤礦3下610煤巷綜掘面斷面形狀為矩形，巷道寬、高分別為4m、3.1m，斷面積為12.4m2，主要服務于3下610工作面生產系統和采煤工作面回采時通風、行人、運輸、管線敷設的需要。3下610煤巷位于3下煤中，3下煤在本區內發育穩定，全區可采，煤層厚度在1.85～6.17m，平均4.01m。結構比較復雜，并且局部含夾石，煤層傾角在0～15°之間，平均7°。

測定綜掘面粉塵濃度時，先要關閉綜掘面所有的抑塵設備，然后測出現場各工序的原始粉塵濃度，主要是迎頭處、司機處，距迎頭不同距離處的粉塵濃度，得到不同測點的粉塵測定表，如表1所示。

表1 不同測點處粉塵濃度表

1.2 產塵機理

綜掘面產生粉塵的機理：當比較尖的截割齒截割煤時，在截割齒與煤巖接觸點會產生很大的接觸應力，這個應力會讓接觸點的煤巖首先產生破碎[1]。受應力作用在一個很小的區域內會發生破碎，同時由破碎產生的破碎物比較小，并且在截割齒與煤巖的接觸點及其附近煤巖一般都會受三項壓應力，所以被破壞的這部分破碎體一般很難被排除到刀外，隨著截齒向前行進，剛被破壞的那部分破碎體會再次遇到破壞，一直到最后形成堅實的煤粉核，伴隨著截割力度的增加，一些不太穩定的裂隙便會開始失去穩定性，向四周擴展，當截割齒的載荷達到其臨界值時，裂隙便開始失穩擴展，很快到達自由面，與此同時釋放出剩余的能量，使煤塊與煤體分離崩出，解除煤粉核的約束狀態，其自身集聚的能量也會釋放出來，這樣就會造成工作面粉塵的飛揚[2]。

2 噴霧試驗

本次試驗運用噴霧降塵試驗模型進行降塵試驗，該模型裝置可以模擬綜掘面不同通風風速的封閉性試驗，它是通過低負壓、高風量的風機特制的煤粉揚起，同時利用安裝在噴霧儀器上的不同噴嘴進行噴霧降塵，并在出口處架設全自動的粉塵測定儀，對煤塵濃度進行測定，粉塵濃度測定試驗過程如圖1所示。在噴霧降塵的過程中，利用安設在模型外的Winner312工業噴霧激光粒度分析儀測定液滴與粉塵顆粒的耦合情況[3]。

圖1 粉塵濃度測定試驗過程示意圖

2.1 試驗步驟

本次試驗采用的噴嘴是廣角旋口X芯式實心圓錐噴嘴，其霧化類型為含X形導流芯混合式，噴孔直徑為1.6mm、2.0mm和2.4mm，編號為1#、2#和3#，分別進行以下步驟：

（1）選取1#噴嘴。

（2）啟動風機和供水系統，等到風速和供水均穩定時，慢慢開始改變噴霧的壓力，與此同時啟動截止閥，待其穩定之后觀測記錄供水管路上的壓力表、流量表和高壓泵壓力指示計讀數。

（3）利用觀測的數據，噴嘴的流量和霧化結構都穩定后，啟動揚塵風機開始發射煤粉來模擬現場環境。經過計算，通過與煤粉發射器相連的塑膠管的煤粉量應該控制在250g/min，噴霧前煤塵發射器的產生粉塵濃度是：全塵265mg/m3，呼吸性粉塵118mg/m3。

（4）通過分體式噴霧激光粒度分析儀Winner313測定不同壓力時水霧粒徑分布的情況，再根據分布情況分析得到整個噴霧場水霧滴分散分布的情況[4]。

（5）等到煤粉發射器發塵穩定和噴霧設備工作穩定后啟動位于模型出口的測塵儀設備（AKFC-92A型），然后采集粉塵，需要保證氣體流量控制在20L/min，采樣時間2min。

（6）重復以上步驟，對另外的噴嘴再進行試驗。

2.2 試驗結果分析

此次試驗測得了三種噴嘴在不同的噴霧壓力和風機轉速為100r/min的情況下煤塵霧場耦合后的顆粒粒徑分布規律，測得霧場的塵霧顆粒粒徑數據如表2所示。

通過表中測得的數據可知：所測得的霧滴粒徑與只進行噴霧不釋放煤塵時相比有所增大，這種情況說明了霧滴與煤塵發生了碰撞、凝結等作用，從而導致了霧滴的粒徑有所增大；隨著霧滴粒徑的增大，與其對應捕獲的煤塵粒徑基本上也同樣會呈現出線性增加的趨勢[5]。

煤塵濃度及計算所得的噴霧降塵效率如表3所示。

表3 3種噴嘴不同壓力下的噴霧降塵效率

由表3可知：（1）在4MPa噴霧壓力下，噴嘴孔徑為2.4mm的3#噴嘴，全塵和呼吸性粉塵沉降效率不同，全塵的沉降效率是65.8%，呼吸性粉塵的降塵率是61.7%，由表中數據可以明顯看出在此次噴霧降塵試驗中全塵降塵率和呼塵的降塵率都是最高的，這說明在此次試驗中3#噴嘴在4MPa壓力下降塵效果是最明顯的；（2）同樣在4MPa的壓力下1#噴嘴也具有較好的降塵率，而且單位時間消耗的水量也較小。

3 現場應用

3下610綜掘工作面凈斷面達12.4m2，工作面風速較高。3下610煤巷綜掘面采用最大截煤巖硬度為8.5的EBZ220型掘進機，在掘進機搖臂左右側分別布置3個廣角旋口X芯式實心圓錐噴嘴，噴嘴直徑為2.4mm。噴霧裝置設計圖如圖2所示，噴霧后的粉塵濃度如表3所示。

圖2 噴霧裝置設計圖

表4 降塵后不同測點處粉塵濃度表

工作面現場的粉塵濃度大大降低，全塵和呼塵的平均降塵率分別高達96.0%和95.2%，掘進機司機處，全塵和呼塵濃度也分別降至14.8mg/m3和8.3mg/m3，這表明，綜掘面的粉塵抑制系統有效降低了生產現場的粉塵濃度，并且改善了井下綜掘面的作業環境，對工人的身體健康和礦井的安全高效開采起到了保障作用[6]。

4 結論

（1）通過研究綜掘面產塵機理，對現場3下610煤巷綜掘面進行測試，主要是迎頭處、司機處、距迎頭不同距離處的粉塵濃度。

（2）采用噴霧降塵試驗模型，采用不同孔徑的噴嘴，大小分別為1.6mm、2.0mm以及2.4mm，根據通水壓力的不同，研究霧滴粒徑與粉塵的耦合情況，進而得到其降塵效果。

（3）對3下610煤巷進行測試，現場采用噴孔直徑為2.4mm的廣角實心噴嘴，對迎頭處、司機處、距迎頭不同距離處的粉塵濃度進行測定，其中迎頭處全塵濃度為195.7mg/m3，降塵效率達到69.3%，呼塵濃度為81.5mg/m3，降塵效率達到67.9%。