新元礦9104綜采工作面防塵技術研究

要天富

(山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400)

1 工程概況

陽煤集團新元煤礦9104綜采工作面位于9號煤一水平一采區，工作面標高474.4～559.8 m，地面標高1 058.0～1 130.6 m，埋藏深度520～650.6 m。工作面走向長1 217.4 m，傾斜長230.8 m，開采9號煤層，煤層平均厚度為3.36 m，平均傾角為2°，煤層中含2～3層泥質夾矸，均厚為0.5 m左右。煤層頂板以泥巖、砂質泥巖為主；底板為粉砂巖。工作面采用綜合機械化一次采全高采煤方法，全部垮落法處理采空區頂板，循環進度為0.8 m。

根據礦井地質資料，9號煤層絕對瓦斯涌出量為44.52 m3/min，相對瓦斯涌出量為13.18 m3/t，屬于煤與瓦斯突出煤層，煤塵具有爆炸危險性，無自然發火傾向。為有效治理工作面回采期間的粉塵含量，采用噴霧降塵技術降低工作面區域的粉塵。

2 噴霧降塵技術原理

2.1 水霧活塞噴霧降塵原理

水霧活塞主要是通過噴嘴由管內向管外進行噴霧，當水霧的擴散半徑大于管徑時，此時會形成水霧活塞，這便能夠推動水霧前方的空氣向前推出，進而會在噴嘴后方形成真空，使得噴口位置處出現負壓區，含塵氣流被吸入到噴射裝置的噴管內部，在噴管的管腔內部粉塵會與水霧反復撞擊，進行使粉塵與霧滴相結合，當其被噴出管腔時，會很快沉降，且隨著霧滴與粉塵組成的氣體噴出，其會在噴出端形成一定的負壓場，從而達到良好的降塵效果[1-2]。具體水霧活塞機理如圖1所示。

圖1 水霧活塞降塵機理示意

2.2 水射流卷吸機理

當含有霧滴的氣流從噴嘴中噴出后，在形成的速度不連續間斷面上失穩進而產生渦流，渦旋會卷吸周圍含有粉塵的氣體進入到射流中，進而影響其由內向外逐漸發展形成自由紊動的混合層，使得氣流中的粉塵逐漸與氣體中的液滴發生碰撞，以此達到除塵和降塵的目的；另一方面，射流中的霧化液滴會由于失去動能而出現速度降低的現象，在混合層中逐漸產生速度梯度，從而出現剪切應力的現象[3]。在卷吸和混合作用下，射流斷面會不斷擴大，使得水射流的流速出現不斷的降低現象，具體水射流卷吸機理示意如圖2所示。

圖2 噴射端卷吸機理示意

當噴出的水射流大于空氣的密度時，此時可將其視為非淹沒性的射流，基于此可得出噴射端出口處的動壓表達式為：

(1)

式中：P為噴射端出口處的動壓；V0為噴射出口處的速度；ρ0為霧水混合物的密度。

文獻[4]表明，非淹沒性射流在各個截面上的動壓分布特征如圖3所示，分布規律表達式為：

圖3 射流面上動壓分布曲線

(2)

式中：P為射流截面上任一點的動壓；Pm為射流軸線上的動壓；Y為任一點至射流軸線間的徑向距離；R為射流截面的半徑；K為相關系數，基于現場實踐結果得出K=0.5。

進一步推導出噴射端射流各個斷面上任何一點處的動壓表達式為：

(3)

噴霧管噴射卷吸形成的負壓場對于降塵裝置效率起到關鍵作用，由于氣流和霧流在能夠凈化吸筒內粉塵的同時還能對滾筒端面處的粉塵起到阻擋和除塵的作用，故為降低工作面的粉塵濃度，應盡可能地擴大噴射端的卷吸作用，基于上述分析知可通過增大噴射端霧氣射流出口速度V、增加水的霧化率及增加液氣量來提高噴管噴射端的卷吸作用，形成引射風流，進而將水進一步霧化，以實現更高的降塵效果。

3 工作面防塵方案及效果

3.1 防塵方案設計

噴霧降塵技術是目前回采工作面最常采用的降塵措施，現結合上述噴霧降塵技術原理，在工作面采煤機和支架上均安設噴霧降塵裝置，并在工作面合理的位置處設置擋塵簾，以有效解決工作面回采期間粉塵含量大的問題。

1) 采煤機噴霧。基于9104工作面具體特征，將采煤機負壓噴霧系統降塵裝置安設在采煤機兩端頭的電箱及外側，共計設置4個噴嘴，噴嘴呈一字排列，安設角度分別為向上22°、向上15°、水平布置和向下30°布置，設置吸塵口為1個，設置噴霧壓力為6 MPa，耗水量17.95 L/min，吸風量為28.36 m3/min，氣液比為1.58，平均負壓為-63 Pa，具體采煤機噴霧負壓降塵裝置如圖4所示。

圖4 采煤機噴霧降塵裝置示意

2) 液壓支架除塵裝置。根據工作面回采期間的粉塵分布形態可知，工作面回采作業致使的粉塵濃度升高會使得溜子道和人行道區域的粉塵濃度較大，另外在液壓支架移架期間產生的粉塵會與采煤機割煤作業時產生的粉塵在采煤機的下部區域處相疊加，為有效控制采煤機割煤作業時產生的粉塵和液壓支架移架過程中產生的粉塵，在液壓支架上布置噴霧系統。

液壓支架處的噴霧系統由噴嘴和供水管組成，噴霧水通過供水管進入到噴嘴中，進而在液壓支架和煤壁的位置處形成全斷面的霧場，工作面內每臺支架上均安裝噴霧系統，液壓支架噴霧系統上安設3個噴嘴，噴嘴的直徑為2.4 mm，噴嘴型號為含有X形導流芯混合噴嘴，3個噴嘴與水平方向上的夾角分別為0°、40°和80°，另外在噴霧系統裝置側部設置吸塵口，以實現將粉塵由側部有效吸入，側部吸塵口為矩形，其長×寬=0.1 m×0.08 m，具體液壓支架噴霧系統如圖5，液壓支架噴霧的噴水壓設置為4 MPa，氣液比為1.9，吸風量為18.4 m3/min。

圖5 液壓支架噴霧系統布置示意

3) 工作面擋風簾。回采工作面內的粉塵由于濃度較高、且其具有影響范圍大、持續時間長的特征，故在采用液壓支架噴霧降塵和采煤機處降塵的基礎上，在工作面設置濕式擋塵簾，由于濕式擋塵簾中水的表面張力作用會在簾上形成濾膜，進而增大工作面粉塵與其接觸碰撞的幾率，能夠有效提升呼吸性粉塵的降塵效果。

結合9104工作面的特征，擋塵簾的噴嘴選用直徑為1.4 mm的錐形直射式噴嘴，擋塵簾采用長×寬=8 m×4 m的卷簾式擋塵簾，其由水幕、濾網和卷簾軸組成，其中水幕采用液壓支架間的噴霧，噴頭方向與風流成45°，濾網采用2 mm×2 mm的篩網，擋塵簾布置在距離底板1 m的位置處，濕式擋塵簾在工作面共計安設3處，分別在56號支架、96號支架和146號支架處安設，具體濕式擋塵簾的布置形式如圖6所示。

圖6 工作面擋塵簾布置方式示意

3.2 防塵效果分析

為有效驗證9104工作面除塵方案的應用效果，分別在除塵措施實施前后進行了粉塵濃度的測試，測點分別在采煤機司機處、液壓支架移架時、多道工序較叉時、前部溜頭處、破碎機處、轉載機處和回風巷內。測試結果如圖7所示。

由圖7可知，在9104工作面采用上述防塵措施后，工作面回采作業區域的各個位置的全塵濃度和呼塵濃度均在23～50 mg/m3區域，通過對粉塵方案實施前后的對比可知，工作面防塵措施實施后，各個測試區域位置的全塵降塵率達到了91.84%，呼塵的降塵率達到90.63%，降塵效果顯著。

圖7 工作面防塵方案實施前后粉塵濃度曲線