楊柳煤礦干霧抑塵裝備研制及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

丁 堯 張 生 郜光輝

（淮北礦業(yè)集團(tuán)楊柳煤業(yè)有限公司，安徽 淮北 235119）

煤礦開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵對(duì)人體健康危害極大，尤其是粒徑小于7.07μm 的呼吸性粉塵，其分散度高，粒徑小，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，不易沉降，在氣流的擾動(dòng)下，長(zhǎng)期懸浮于空氣中。這類粉塵被作業(yè)人員吸入肺中時(shí)絕大部分會(huì)滯留在肺泡中，進(jìn)而引發(fā)塵肺病。淮北礦業(yè)集團(tuán)楊柳煤礦的主要產(chǎn)塵源包括綜采工作面采煤機(jī)割煤、降柱移架、煤炭破碎，掘進(jìn)工作面綜掘機(jī)割煤、落煤、爆破落巖，以及運(yùn)輸過(guò)程中皮帶運(yùn)輸和轉(zhuǎn)載等，產(chǎn)塵量大，嚴(yán)重危害井下的工作環(huán)境和作業(yè)人員的身體健康。目前雖已采取了一定的粉塵防治措施，但對(duì)于呼吸性粉塵仍難以起到較好的防治效果。

濕式除塵是煤礦井下經(jīng)濟(jì)有效的除塵手段之一，但是傳統(tǒng)濕式除塵技術(shù)存在阻力大、能耗高且對(duì)呼吸性粉塵除塵效率較低的缺點(diǎn)。干霧抑塵技術(shù)作為一種新型濕式除塵技術(shù)，其原理是利用超聲霧化噴嘴產(chǎn)生粒徑與呼吸性粉塵顆粒粒徑相近的微小霧滴，當(dāng)水霧顆粒直徑在10μm以下，達(dá)到干霧級(jí)別時(shí)，會(huì)很容易捕捉到空氣中飄散的呼吸性粉塵，通過(guò)相互結(jié)合，粒子體積和質(zhì)量逐漸增大，最終在重力的影響下實(shí)現(xiàn)沉降，從而達(dá)到除塵目的。

為解決粉塵問(wèn)題，本文結(jié)合楊柳煤礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，研制適用于井下主要產(chǎn)塵源的干霧抑塵裝備，進(jìn)而大幅降低粉塵濃度，并為該技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供重要依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 楊柳煤礦干霧抑塵裝備研制

結(jié)合楊柳煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取模塊化設(shè)計(jì)的原則研制出了適于井下的干霧抑塵裝備。該裝備主要由水氣凈化模塊以及干霧發(fā)生模塊組成，具體包括水源處理器、氣源處理器、干霧發(fā)生器、噴嘴以及連接管路等部分。

1.1 水氣凈化模塊

水氣凈化模塊主要由水源處理器以及氣源處理器兩部分組成。

水源處理器具有兩級(jí)過(guò)濾的功能。一級(jí)水源處理器主要選擇800目的不銹鋼濾網(wǎng)作為水源的一級(jí)過(guò)濾材料，經(jīng)雙層疊加使用，主要過(guò)濾水質(zhì)中的較大顆粒物質(zhì)。經(jīng)一級(jí)過(guò)濾后水內(nèi)顆粒物直徑可下降至10μm以下，之后接水源二級(jí)處理裝置，可將水中顆粒物降到5μm以下。水源一、二級(jí)處理器均具有反沖洗功能，并且可對(duì)單一部件進(jìn)行拆卸維護(hù)，提高了其耐用性。

氣源處理器與水源處理器具有相似的設(shè)計(jì)，均為兩級(jí)過(guò)濾結(jié)構(gòu)。氣源的過(guò)濾精度將顆粒物大小控制在8μm以下。此外，由于井上、井下溫度與壓力的差異性，壓風(fēng)中的水蒸氣會(huì)變?yōu)橐后w水，影響噴霧效果，因此氣源處理器加裝了氣液分離處理功能。

為提高水氣凈化模塊的便捷性，研發(fā)裝備控制柜將水源處理器和氣源處理器進(jìn)行集成處理，如圖1所示。采用不銹鋼柜體，氣、水源處理器間采用鍍鋅不銹鋼DN15鋼管硬連接，控制柜進(jìn)氣、進(jìn)水口設(shè)置耐壓閘閥，用氣可調(diào)節(jié)氣、水壓力比。控制柜內(nèi)部設(shè)置有氣、水壓力表，量程大于井下風(fēng)壓、水壓最大值，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。

圖1 水氣凈化模塊控制柜實(shí)物圖

1.2 干霧發(fā)生模塊

干霧發(fā)生模塊主要由干霧發(fā)生器以及干霧噴嘴兩部分組成。如圖2所示。

干霧發(fā)生器的主要功能是確定噴霧位置、安裝噴嘴、布設(shè)氣、水管路以及設(shè)置干霧噴射角度。干霧發(fā)生器內(nèi)氣路、水路布設(shè)采用并列式雙排布設(shè)，如圖2（a）所示。主管路采用12mm氣管，支路采用8mm氣管，采用三通快接接頭。每支路接噴嘴少于10只，以減少氣-水壓力損失。干霧發(fā)生器根據(jù)井下不同產(chǎn)塵源的實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

干霧抑塵裝備的核心在于干霧噴嘴。本文選用如圖2（b）所示的氣-水聯(lián)動(dòng)超聲霧化噴嘴。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別為氣動(dòng)霧芯、氣水分流腔，采用304不銹鋼材料，進(jìn)水、進(jìn)氣采用8mm內(nèi)絲快接。為提高高壓氣體對(duì)水體的破碎效果，在噴嘴出口5mm處增設(shè)氣、水共振腔，使氣體對(duì)一次破碎后的霧滴進(jìn)行二次振動(dòng)沖擊，以增加霧化效果。

圖2 干霧發(fā)生模塊實(shí)物圖

2 干霧抑塵裝備井下現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為進(jìn)一步研究干霧抑塵裝備對(duì)井下煤塵的抑制性能，本文選取楊柳煤礦綜掘煤巷、轉(zhuǎn)載點(diǎn)以及回風(fēng)巷作為主要應(yīng)用地點(diǎn)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證干霧抑塵裝備的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

2.1 綜掘煤巷干霧抑塵裝備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

綜掘煤巷的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)選在楊柳煤礦1074機(jī)巷。干霧抑塵裝備具體放置位置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖3所示。本次試驗(yàn)采用CCZ-1000直讀式粉塵濃度測(cè)定儀（濾膜式），單次測(cè)試時(shí)間3min，測(cè)試后裝入采樣袋，帶到地面在100℃干燥箱中恒溫干燥2h，采用稱重方式對(duì)其濃度進(jìn)行換算。為提高測(cè)試準(zhǔn)確性，所有測(cè)點(diǎn)均測(cè)定兩次，時(shí)間間隔1h。

圖3 1074機(jī)巷干霧抑塵裝備放置位置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表可知，干霧具有較大的飄散性，距離水幕簾越遠(yuǎn)，其抑塵效果越顯著，抑塵率由測(cè)點(diǎn)2處的62.11%，提高到了測(cè)點(diǎn)3處的83.75%。經(jīng)過(guò)觀察可知，煤巷掘進(jìn)風(fēng)速與云霧飄散速度匹配度良好，噴霧對(duì)巷道內(nèi)清晰度影響較小。

表1 干霧抑塵裝備抑塵率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表

2.2 轉(zhuǎn)載點(diǎn)干霧抑塵裝備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

選取楊柳煤礦井下1075工作面機(jī)巷二級(jí)皮帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)以及皮帶-溜煤眼的轉(zhuǎn)載點(diǎn)為試驗(yàn)地點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)研制了兩套干霧抑塵裝備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1075 工作面機(jī)巷二級(jí)皮帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)干霧抑塵裝備由干霧抑塵裝置、封閉木板、高壓汽水管路、支撐鐵架四部分組成。轉(zhuǎn)載點(diǎn)位于上皮帶和下皮帶之間，將封閉木板安裝在上皮帶和下皮帶之間，形成一個(gè)封閉空間，在下皮帶機(jī)底部安裝支撐鐵架，將干霧抑塵裝置放置在支撐鐵架上。干霧抑塵裝置由三組高壓干霧噴頭組成，每組三個(gè)，一組噴頭朝向皮帶機(jī)運(yùn)動(dòng)方向，兩組噴頭朝向封閉木板空間，形成對(duì)落塵的全方位濕潤(rùn)。由于干霧粒徑可以達(dá)到10μm左右，且在封閉空間中可以讓霧滴不斷進(jìn)行碰撞，不斷對(duì)粉塵進(jìn)行包裹，從而最大程度降低粉塵。

皮帶-溜煤眼轉(zhuǎn)載點(diǎn)的干霧抑塵系統(tǒng)由干霧抑塵裝置、鐵架、高壓氣、水管路、濾網(wǎng)四部分組成。該轉(zhuǎn)載點(diǎn)的主要產(chǎn)塵位置是皮帶溜向溜煤眼的區(qū)域以及落煤落進(jìn)溜煤眼處，因此將兩個(gè)矩形鐵架十字交叉安裝在溜煤眼上部，然后將干霧抑塵裝置懸掛在鐵架上，利用500目濾網(wǎng)對(duì)鐵架進(jìn)行包裹，只留出粉塵溜向溜煤眼的孔，即對(duì)溜煤眼的上部空間進(jìn)行封閉，提高干霧除塵裝置的除塵效率。干霧抑塵裝置共設(shè)置三組高壓干霧噴頭，每組三個(gè)，一組噴頭朝向皮帶機(jī)運(yùn)動(dòng)方向，兩組噴頭朝向?yàn)V網(wǎng)封閉空間，在封閉空間中霧滴與粉塵充分接觸，迅速凝結(jié)，形成對(duì)落塵的全方位沉降，最大限度降低溜煤眼轉(zhuǎn)載點(diǎn)的粉塵危害。

通過(guò)測(cè)定1075工作面機(jī)巷二級(jí)轉(zhuǎn)載點(diǎn)和皮帶-溜煤眼轉(zhuǎn)載點(diǎn)加入干霧抑塵裝置前后的粉塵濃度變化，得到抑塵效果如表2所示。由表可知，1075工作面二級(jí)轉(zhuǎn)載點(diǎn)的降塵效率為80.61%，溜煤眼轉(zhuǎn)載點(diǎn)的降塵效率為82.05%，抑塵效果顯著。

表2 轉(zhuǎn)載點(diǎn)抑塵率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表

2.3 回風(fēng)巷干霧抑塵裝備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

《煤礦安全規(guī)程》第六百四十八條規(guī)定“井工煤礦采煤工作面回風(fēng)巷應(yīng)當(dāng)安設(shè)風(fēng)流凈化水幕。”因此設(shè)計(jì)回風(fēng)巷干霧抑塵裝備為自動(dòng)控制的全斷面雙層干霧水幕簾裝置。該裝置可根據(jù)粉塵濃度的高低自動(dòng)開(kāi)啟噴霧，并在有人通過(guò)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉延時(shí)，然后自動(dòng)重新開(kāi)啟工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作。將其安裝在距離1075綜采工作面上隅角50m處，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水幕簾后的粉塵濃度，對(duì)比得出全斷面雙層干霧水幕簾在采煤工作面回風(fēng)巷中的抑塵效果。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，由于楊柳礦長(zhǎng)期利用密集順層孔抽采瓦斯，致使煤體干燥，固而不開(kāi)水幕簾時(shí)粉塵濃度在750 mg/m3左右，而開(kāi)啟水幕簾后粉塵濃度立刻降低，平均在180mg/m3，降低了3.9倍，抑塵效果顯著。此外，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，水氣凈化模塊的應(yīng)用使得噴嘴堵塞的幾率大幅度降低，噴嘴堵塞現(xiàn)象和噴嘴報(bào)廢現(xiàn)象均得到了很好的改善。

4 結(jié)論

（1）研發(fā)出適用于楊柳煤礦的干霧抑塵裝備。該裝備主要由水氣凈化模塊以及干霧發(fā)生模塊組成，具體包括水源處理器、氣源處理器、干霧發(fā)生器、噴嘴以及連接管路等部分。

（2）在1074綜掘煤巷開(kāi)展干霧抑塵裝備的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得出干霧距離水幕簾越遠(yuǎn)，抑塵效果越顯著。30m內(nèi)平均抑塵率為62.11%，200m內(nèi)平均抑塵率為83.75%，且干霧對(duì)巷道內(nèi)清晰度影響較小。

（3）開(kāi)展了1075工作面二級(jí)轉(zhuǎn)載點(diǎn)以及溜煤眼轉(zhuǎn)載點(diǎn)干霧抑塵裝備的研制，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得出1075工作面二級(jí)轉(zhuǎn)載點(diǎn)的降塵效率為80.61%，溜煤眼轉(zhuǎn)載點(diǎn)的降塵效率為82.05%，抑塵效果顯著。

（4）設(shè)計(jì)研制了回風(fēng)巷干霧水幕粉塵凈化裝置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得出1075工作面回風(fēng)巷粉塵濃度由750mg/m3降低至180mg/m3，抑塵效果顯著。此外水、氣凈化模塊的應(yīng)用使得干霧噴嘴堵塞的幾率大幅降低，增強(qiáng)了除塵工作的可靠性。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明干霧抑塵裝備可以在煤礦井下多處區(qū)域推廣應(yīng)用。