高壓噴霧技術在蘇橋煤礦的應用研究

吳國強

（福建省永安煤業有限責任公司 福建大田 366102）

0 引言

煤礦井下作業環境比較惡劣，職業危害因素廣泛，從事井下作業患職業病的人員也較多。據有關資料表明，在所有煤礦職業病中，塵肺病的比重占90%以上，導致塵肺病主要因素是長期吸入粉塵（7.07 μm 以下的粉塵）。另外，井下高溫熱害不僅對勞動生產效率有影響，還對作業人員的身體健康造成危害，容易產生重大的傷亡事故。因此，如何提高除塵降溫效果，是一項重要的研究課題。當前，在諸多的除塵降溫措施中，高壓噴霧技術在經濟性和實效性方面具有顯著優勢。本文介紹一種高壓噴霧技術在蘇橋煤礦中的應用情況。

1 礦井概況

福建省永安煤業有限責任公司蘇橋煤礦于2010 年1 月投產，設計生產能力21 萬t/a。礦井開拓方式采用平硐暗斜井開拓。開采標高為+400 m～-200 m，劃分為±0 m 水平和-200 m水平兩個水平。目前在第二水平（-200m 水平）生產，生產采區為201 采區和202 采區。礦井主要開采煤層有21#、26#、28#、30#、33# 煤層。煤層穩定性差；煤質干燥、松散、易發熱。近年來，隨著開采水平不斷延深，井下采掘工作面地溫逐漸上升，高溫熱害更加突顯，粉塵治理難度也越來越大。雖然多處采用水幕噴霧裝置，但是由于水幕噴霧的霧粒徑較大，噴散的霧流距離較近，對除塵降溫效果未盡人意，粉塵危害及高溫熱害持續困擾著礦井。為此，該礦經過調研后，于2019 年8 月開始引進高壓噴霧技術對除塵降溫系統進行改進。

2 高壓噴霧技術參數研究

2.1 高壓噴霧技術原理

高壓噴霧系統主要由高壓管路、過濾器、水箱、高壓水泵、控制開關和高壓噴嘴組成。其工作原理是水源經過水質凈化后進入高壓水泵進行加壓（一般為3.0 MPa～8.0 MPa），再通過高壓管到達高壓噴嘴，水在高壓作用下通過細孔噴嘴就迅速散開，形成一股強勁的霧流。

據相關資料研究表明［1］，霧粒直徑與粉塵直徑越接近，霧粒更容易吸附粉塵，除塵的效果越好；在霧化狀態下，流動中的水霧在蒸發過程中，吸收了附近空氣中大量的熱量，起到降溫的作用。

2.2 高壓噴霧技術參數

在噴霧除塵降溫過程中，影響噴霧除塵降溫效果的主要因素是噴嘴直徑、噴霧壓力及粉塵顆粒度分布。噴嘴直徑與噴霧壓力決定了噴霧霧粒直徑和霧流長度；而噴霧霧粒和粉塵顆粒度分布是否合理匹配以及與空氣熱濕交換過程決定了噴霧除塵降溫的最終效果。據試驗研究表明，霧粒直徑d1與噴霧壓力P1的關系［2］為：

式中：d1為霧粒直徑，μm；D1為噴嘴直徑，mm；P1為噴霧壓力，MPa。

由以上公式可見，當噴嘴直徑D1不變時，噴霧壓力P1越大，噴霧霧粒直徑d1越??；當噴霧壓力P1不變時，噴嘴直徑D1越小，噴霧霧粒直徑d1也越小。在噴霧壓力為3 MPa、4 MPa、6 MPa 和8 MPa的情況下，分別對噴嘴為Φ0.6 mm、Φ0.8 mm、Φ1.0 mm 和Φ1.5 mm的噴嘴噴出的霧粒直徑按上述公式進行計算，結果詳見表1。

表1 霧粒直徑與噴霧壓力、噴嘴直徑的關系

2.3 高壓噴霧技術方案設計

井下采煤生產、掘進爆破和運輸過程等是產生粉塵的最主要環節。同時，隨著煤層開采水平的不斷下延，采掘工作面的地溫也不斷上升。為達到除塵降溫最佳預期效果，根據噴霧壓力和噴嘴直徑等相關參數對高壓噴霧霧化效果的影響，結合礦井各生產系統實際情況，在+360 m 主平硐、+390 m 主斜井上山、+390 m 副斜井上山、±0 m 運輸大巷、各采區下山、各區段石門和各采掘工作面等設置高壓噴霧裝置，選噴嘴直徑為Φ0.6 mm 和Φ0.8 mm 兩種交叉混合使用，噴霧壓力應控制在3 MPa～8 MPa。

考慮礦井生產系統線路較長，而高壓噴霧需水壓較大，因此設計將整個高壓噴霧系統分為3 個區域：+360 m 主平硐、+390 m 主斜井上山、+390 m 副斜井上山、±0 m 運輸大巷為區域一，主機安裝在地面；201 采區下山、各區段石門和各采掘工作面為區域二，主機安裝在-120 m 石門；202 采區下山、各區段石門和各采掘工作面為區域三，主機安裝在-80 m 區段石門。每個主機均安裝2 臺高壓噴霧泵（其中1 臺備用）和1 個水箱（配備前置過濾器），出水壓力調至3.0 MPa～8.0 MPa，主機控制系統設置為自動切換運行模式，兩臺泵一臺運行，另一臺關機，每運行1 h 后自動切換，確保連續供水噴霧。

3 應用情況

3.1 井下各除塵、降溫點的布置

（1）區域一：從+360 m 主平硐—主斜井上山—副斜井上山—±0 m 運輸大巷。安裝兩泵一箱1 套；設置高壓噴霧16 組，安裝Φ0.6 mm 噴嘴110 個，噴嘴噴霧量為0.45 L/min；安裝Φ0.8 mm 噴嘴130 個，單個噴嘴噴霧量為0.6 L/min?？偤乃?.65 t／h，鋪設高壓尼龍管總長4 290 m。

（2）區域二：從201 采區軌道下山—各區段石門—各采掘工作面。安裝兩泵一箱1 套；設置高壓噴霧12 組，安裝Φ0.6 mm噴嘴82 個，單個噴嘴噴霧量為0.45 L/min；安裝Φ0.8 mm 噴嘴98 個，噴嘴噴霧量為0.6 L/min。總耗水量5.74 t／h，鋪設高壓尼龍管總長2 860 m。

（3）區域三：從202 采區軌道下山—各區段石門—各采掘工作面。安裝兩泵一箱1 套；設置高壓噴霧10 組，安裝Φ0.6 mm噴嘴74 個，單個噴嘴噴霧量為0.45 L/min；安裝Φ0.8 mm 噴嘴76 個，單個噴嘴噴霧量為0.6 L/min?？偤乃?.73 t／h，鋪設高壓尼龍管總長2 350 m。

3.2 除塵、降溫效果

高壓噴霧除塵降溫系統安裝試用后，為檢驗應用效果，分別在201 采區-120 m30# 采煤工作面、201 采區-160 m 石門、202 采區-40 m33# 采煤工作面、202 采區-80 m28# 掘進工作面等布置粉塵與溫度測定點，對不使用高壓噴霧和使用高壓噴霧后的粉塵濃度、溫度進行測定，測定情況見表2。

表2 各測點粉塵濃度、溫度測定結果

從表2 可以看出，在不使用高壓噴霧除塵、降溫系統情況下，采掘工作面的粉塵濃度相對較大，溫度較高，其中201 采區-120 m30# 采煤工作面粉塵濃度最大，溫度最高，分別為117 mg/m3和29.7 ℃。大量粉塵不但使現場能見度降低，還容易被作業人員吸入，而高溫則極易造成作業人員疲勞不適。使用高壓噴霧除塵、降溫系統結合濕式鉆眼、水炮泥放炮、散水裝巖（煤）、沖洗巷幫等綜合措施后，各測點粉塵濃度和溫度均有明顯降低，其中202 采區-80 m28# 掘進工作面粉塵濃度和溫度分別降至3.0 mg/m3、26 ℃。各測點平均除塵效率為96.6%，平均降溫幅度為2.2 ℃。同原有狀況相比，工作面作業環境得到較好改觀。

4 結語

一年來的應用情況表明，使用高壓噴霧技術對礦井除塵、降溫效果非常顯著，克服了原有噴霧系統存在的出水量大、除塵降溫效率低的缺點，扭轉了煤礦井下煤塵濃度高、溫度高的局面，極大改善井下作業環境，有效防止塵肺病危害［3］，提高勞動生產效率，保障煤礦安全生產，并為其他礦井推廣高壓噴霧技術應用提供借鑒經驗。