噴霧降塵技術在煤礦井下的應用研究

秦國樂

（同煤集團永定莊煤礦， 山西 大同 037024）

引言

由于煤炭開采環境惡劣，煤礦企業以及作業人員面臨的透水事故、瓦斯爆炸等安全風險越來越多。除此之外，一線作業人員長期性地吸入煤炭顆粒粉塵容易造成塵肺病[1]，通過資料調查分析，可知塵肺病在煤炭行業的發病率居第一位。此外，煤炭粉塵在空氣中漂浮，容易附著在機械設備上面，在機器運轉過程中容易將粉塵帶入，造成機械設備的磨損以及各類精密儀器損壞[2]。更為嚴重的是，礦井粉塵在礦井巷道內漂浮形成一定濃度，遇火花易引發爆炸，造成嚴重的安全生產事故。因此，應采用切實有效的降塵技術應用于開采作業過程當中，使煤炭粉塵濃度數值保持在安全范圍內，保障一線作業人員的健康安全，確保煤礦企業生產效率高效[3]。通過實地走訪和查閱相關資料，設計出高速射水負壓降塵噴霧裝置應用于現場作業，通過現場試驗表明，該裝置降塵范圍廣、降塵效果優異，并且能夠在開采面形成水霧墻阻擋粉塵漫延。

1 粉塵擴散規律分析

1.1 粉塵來源

整個煤炭開采及運輸工作包含有五個工序，包括落煤、放煤、移架、裝煤和運煤。每一個工序的作業機制均不相同，通過對現場觀察調研，煤炭粉塵的產生主要來自于開采、運輸和錨噴等工序環節，其中在開采煤炭時所產生的粉塵量最大，可以占到整個礦井產生粉塵量的85%以上[4]。因此對開采工序進行優化，減小粉塵來源。

1.2 粉塵凝聚機理

粉塵在空氣擴散運動過程中受到物理或者化學作用下會改變自身狀態，當粉塵粒子再受到物理或者化學作用進行相互接觸，融合之后就會形成更大的顆粒，這種現象叫做粒子的凝聚。當粒子顆粒變大之后，就有利于對粉塵粒子進行處理。因此可利用粉塵粒子的該機理屬性開展降塵工作，提高對微細粒子的捕集效率。

1.3 粉塵分布規律

為了解粉塵分布規律，采用專業礦井粉塵采樣器放置于礦井各個關鍵部位及工序，對擴散后的粉塵濃度進行采集分析。通過對某地礦井的進風巷、司機處、割煤處、回風巷、破碎機處等位置的煤炭粉塵濃度進行采集，并分析其各個部位的全塵濃度和呼塵濃度，其中在司機處、割煤和移架等工序處的粉塵濃度較高[5]，最高的地方為司機處，最低濃度位置在回風巷。雖然回風巷的粉塵濃度有所降低，但仍然不滿足行業標準，會對一線作業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，但是對于作業面的各個位置降塵沒有達到預期的效果，通過專業粉塵設備的測量指明了降塵技術裝置合理應用范圍，為開發研究專業除塵裝置提供了依據。

2 降塵技術及裝置設計

2.1 應用現場概況

某地煤礦8242 工作面為本次的研究現場試驗基地，該工作面的標高為-142.35～-194.01 m。整個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，煤層結構簡單，直接頂為再生頂板，為上分層回采冒落后形成的再生頂板，膠結松散易冒落。該礦井的地層瓦斯濃度較低，但是在煤層容易發生自燃現象，煤礦粉塵的爆炸指數為39.22%[6]。

2.2 割煤工序產生粉塵擴散機理

煤礦企業常采用滾筒式采煤機對煤炭層進行開采，通過采煤機上的葉片高速旋轉與煤炭進行接觸并發生切割作用，在切割的時候會有一定的排風量，對周圍的粉塵產生擾動。在滾筒采煤機的高速旋轉作用下會加劇粉塵在空氣中的彌漫。由于旋轉處產生的風量運動場不均勻，并且風速較大會造成粉塵向礦道內人行道加速擴散，此外在滾筒附近也會產生渦流。

2.3 負壓降塵機理

負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而形成渦旋。渦旋可以帶動粉塵不斷由內向外進行運動，形成內外兩個不穩定的作用混合層。當噴霧的水珠與懸浮在空氣中的煤炭顆粒進行結合時就會以另一種狀態進行沉降，從而達到降塵除塵的效果。

通過將連續噴射的粉塵顆粒與噴霧進行不斷噴出結合，在噴口噴射的方向形成了負壓效果，達到不斷連續降塵的效果，具體原理圖如圖2 所示。

圖2 負壓降塵機理示意圖

2.4 負壓除塵裝置設計

根據上述除塵原理分析并結合粉塵濃度最高的三個位置來設計負壓除塵裝置，使其可通過噴射形成水霧墻來阻擋粉塵的漫延。負壓除塵裝置的關鍵設計步驟應首先設定裝置的吸風量，選取為85 m3/min；其次應考慮裝置噴嘴的噴射方向及裝置噴嘴的數量，根據實際情況設計5 個噴嘴并裝配1 個噴管，直接噴向滾筒采煤機與煤層接觸部位，具體設計示意圖如圖3 所示。

圖3 高速負壓降塵裝置設計示意圖

3 負壓噴霧除塵效果對比分析

將研制出的負壓噴霧除塵裝置在工作面進行安裝，對巷道內全塵濃度及呼吸性粉塵濃度兩個數據進行對比分析，判斷負壓噴霧除塵裝置的有效性，如圖4、圖5 所示。

圖4 安裝負壓除塵裝置使用前后全塵濃度對比分析圖

圖5 安裝負壓除塵裝置使用前后呼吸性粉塵濃度對比分析圖

1）從噴霧除塵裝置安裝前后的工作面粉塵分布情況對比來看，所設計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。采煤過程中采煤機附近降塵率能達到70%～85%左右，全塵的降塵率高于呼塵的降塵率，說明所設計的裝置在一定程度上降低了綜采工作面的粉塵濃度，并能夠在采煤機搖臂與刮板運輸機之間形成“水霧墻”，阻止粉塵向人行道擴散的效果，保護綜采工作面作業人員的工作環境。

2）通過對工作面各個測試點的對比分析表明，所設計的噴霧除塵裝置，在很大程度上抑制了滾筒位置處的揚塵，滾筒前方的粉塵濃度也明顯降低；沿程各個測點的粉塵濃度均有所下降，特別是采煤機司機處粉塵下降尤為明顯。

4 結語

目前，針對于礦井粉塵濃度下降的技術措施還存在一定的缺陷，通過對某煤礦工作面粉塵濃度分布規律及粉塵擴散規律的研究，設計出了一種高速負壓噴霧降塵技術的裝置，并在煤礦中開展現場試驗，確保實際應用效果的真實性。試驗結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數據指標方面有較好的體現。高速負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行無規律的擴散，保障了煤炭開采過程中的安全性。高速負壓噴霧降塵裝置的研制為煤礦降塵技術裝置的研發提供了思路。