高產高效綜采面空間立體化霧化控除塵技術研究

張運國，朱偉

（棗莊礦業（集團）濟寧七五煤業有限公司，山東 濟寧 277699）

1 研究的目的意義

隨著煤礦開采強度的不斷增加且回采工藝機械化與自動化程度日益進步，井下作業現場的煤塵污染問題尤為突出。在不采取任何防塵措施的條件下，綜采面最高產塵濃度可以達到8000mg/m3，遠超煤礦安全規程規定的容許濃度，并嚴重威脅煤礦安全生產與礦工的身心健康。塵肺病是粉塵污染導致的主要職業危害，截至2020年，累計報告職業病病例101.1萬余例，其中煤礦行業的塵肺病患病率占到全部人數的60%以上。經現場調研，七五煤業公司23上11綜采面機械設備繁多，產塵作業工序復雜，致使現場采取的粉塵防治措施的不能取得預期效果，粉塵污染問題十分突出，已嚴重威脅了現場作業人員的身心健康與礦井的安全、高效生產。為從源頭上緩解七五煤業公司23上11綜采面的粉塵污染問題，本文提出了高產高效綜采面空間立體化霧化控除塵技術，構建出針對七五煤業公司23上11綜采面空間立體化霧化控除塵技術體系，有效降低了工作面綜采現場的粉塵濃度，為煤礦采煤、運輸、噴漿等作業環境的粉塵防治工作提供了重要借鑒。

2 總體技術路線

高產高效綜采面空間立體化霧化控除塵技術采用理論分析、數值模擬、實驗測定以及現場應用相結合的方法開展，具體技術路線如下。

（1）首先，在正常開采條件下采集粉塵樣本，實驗測定綜采面多源粉塵的濃度、粒徑、分散度、潤濕性等，為數值模擬與實驗研究提供基礎數據支持，并從本質上闡釋綜采現場粉塵污染嚴重且防治困難的問題。

（2）其次，開展CFD數值模擬研究，明確綜采面截割-移架作業時宏觀粉塵團與細觀顆粒流時空演化污染規律，為構建空間立體化霧化控除塵技術體系提供理論支撐。

（3）再次，通過對不同類型噴嘴在多因素擾動條件下的微霧化特性進行實驗，優化了適用于采煤機區域和機架移動區域三維霧化除塵技術系統的高效噴嘴組件。

（4）最后，基于上述數值模擬與實驗研究結果，構建23上11綜采面空間立體化霧化控除塵技術體系并考察其實際控除塵效果。

3 主要研究內容及試驗方法

3.1 綜采面多源粉塵離散特征與理化特性實驗研究

針對七五煤業公司23上11綜采面多源粉塵的濃度、粒度、分散度、濕潤性等參數進行測定與分析，為綜采工作面宏觀塵團和微觀顆粒流的時空演化和污染規律的數值模擬研究，以及不同類型噴嘴在多因素擾動條件下的微觀霧化特性的實驗研究提供基礎數據支持。

（1）粉塵粒度及分散度分析。在七五煤業公司3上211綜采面正常生產的環境下，針對截割、移架等主要產塵區域的逸散粉塵進行采樣，應用英國馬爾文儀器有限公司生產的Mastersizer 3000E激光粒度分析儀和Winner99型顯微顆粒圖像分析儀對所采煤樣粒度和分散度進行實驗測定，并采用濾膜稱重法確定不同產塵區域的粉塵濃度。

（2）粉塵濕潤性分析。清水對粉塵的潤濕邊角（接觸角）反應水分子與煤巖塵分子之間吸引力大小。潤濕邊角θ＜90°時，水容易在巖體表面鋪展，粉塵易于潤濕，潤濕邊角θ≥90°時，水難以在煤體表面鋪展，粉塵不易潤濕。項目應用了DSA100視頻光學接觸角測量儀對不同粉塵區域的粉塵濕潤性進行測試。

（3）粉塵微觀堆垛及分子結構分析。運用紅外光譜、X-射線衍射、X射線光電子能譜、核磁共振等測試技術對3上211綜采面多源粉塵的脂肪烴、芳香烴基團、羧基、羥基、礦物基團、微晶結構等微觀理化結構參數進行分析，從微觀層面確定了七五煤業公司3上211綜采面粉塵潤濕性的影響因素。

3.2 綜采面宏觀粉塵團與細觀顆粒流時空演化污染規律研究

七五煤業公司23上11綜采面中的主要產塵工序為采煤機截割與液壓支架移架，而作業空間中運移的風流是致使粉塵逸散的主要媒介。將EULERIAN-EULERIAN模型和EULERIAN- LAGRANGIAN模型相結合，結合連續介質模型和粒子軌道模型的優點，建立了一個新的氣相湍流和粒子相湍流的雙流體數學模型。首先，在有限體積法的基礎上，采用混合差分格式對偏微分方程進行離散化。然后，采用混合差分格式和基于并置網格的SIMPLE算法，數值求解了綜采工作面氣流場遷移和粉塵流場擴散的時空演化過程。

將23上11綜采面的實際作業環境作為原型構建全尺寸、等比例的數值計算域，并建立新型氣相湍流－顆粒相湍流的雙流體數學模型，針對綜采作業環境中截割-移架粉塵在工作面運移風流擾動條件下的時空演化過程以及其在截割湍流風誘導下的污染特性進行數值模擬，分析作業空間中的風流矢量、流動軌跡以及粉塵濃度、逸散軌跡的空間分布特性，明確了七五煤業公司23上11綜采面截割-移架粉塵在作業空間中的時空演化規律，從而指導綜采面空間立體化霧化控除塵技術的設計與實施。

圖1 某綜采面呼吸帶高度粉塵濃度分布情況

3.3 多因素擾動條件下不同類型噴嘴細觀霧化特性實驗研究

通過調研各大煤礦企業普通采高綜采(放)面、大采高綜采(放)面以及超大采高綜采(放)面普遍采用的各類型噴霧降塵噴嘴，在不同噴霧壓力(2～10MPa)下進行霧化角、有效射程以及流量等宏觀霧化特性，從中優選霧化角較大，有效射程較遠且流量相對較小的噴嘴。基于自主研制的風流-霧滴-粉塵三相耦合測試平臺，對優選噴嘴在風流、壓力以及自身結構等因素擾動下的霧滴粒徑-速度等細觀霧化特性與噴霧降塵效率進行實驗測定。

通過分析多因素擾動條件下不同類型噴嘴細觀霧化特性實驗結果，研究不同類型噴嘴噴霧壓力、流量，霧化粒度、速度以及噴霧降塵效率的對應關系，揭示了霧滴有效捕塵的宏、細觀霧化參數標準，為七五煤業公司3上211綜采面不同塵源作業區域降塵噴嘴的理論依據。

3.4 采煤機區域空間立體化霧化控除塵技術與裝備研究

針對七五煤業公司3上211綜采面，基于數值模擬與實驗測定的研究結果，研發了綜采面空間立體化霧化控除塵技術。該技術通過新型水動力濕式除塵器、采煤機搖臂環繞復合噴嘴噴霧器構建采煤機區域空間立體化霧化控除塵技術體系，形成水霧幕，以密封切割和移動灰塵的擴散空間，并抑制其遷移到框架前部和人行道等有人值守的工作空間。

為構建采煤機區域空間立體化霧化控除塵技術體系，研發了新型采煤機水動力濕式除塵器與復合噴嘴噴霧器。項目采煤機順、逆風截割部各安設一臺新型水動力除塵器，采用高強磁體固定，現場需提供2路壓力≥4MPa，流量≥30L/min的噴霧水源。水除塵器在動力作用下產生的高密度、顆粒大小的風和水霧幕封閉了切割粉塵的逃逸空間，并使霧滴和塵粒在霧化的封閉空間中反復冷凝，捕獲高濃度的塵團。

圖2 采煤機區域空間立體化霧化控除塵技術工藝現場布置示意圖

同時，研發的采煤機復合噴嘴噴霧器，能夠有效捕集截割垮落產生的粉塵及滾筒轉動揚起的浮塵，阻礙其向工作面空間逸散。采煤機前后滾筒處各安設三個復合噴嘴噴霧器，分別使用強力磁鐵固定，其中噴霧器1布置在搖臂根部采煤機機身上部，靠近煤壁側，向靠近煤壁滾筒一側方向噴射，用于降低煤體垮落產生的粉塵；噴霧器2布置在采煤機機身前部，向遠離煤壁滾筒側噴射，用于阻礙因滾筒截割湍流風造成的截割粉塵逸散；噴霧器3布置在采煤機搖臂根部，向滾筒下側噴射，可實現對采煤機滾筒揚起的粉塵有效抑制，阻礙其向人行道擴散。

3.5 液壓支架區域空間立體化霧化控除塵技術與裝備研究

針對七五煤業公司3上211綜采面，為構建液壓支架區域空間立體化霧化控除塵技術體系，項目研發了液壓支架負壓卷吸除塵器、全斷面霧化引射噴霧器，并設計塵源自動跟蹤噴霧的實操方法。

我們開發了一種負壓線圈吸入式除塵器，用于液壓支架區域的封閉霧化，該除塵器使用強磁體安裝在液壓支架的頂梁上。沿偶數液壓支架（單機）的中心對中心方向布置四套負壓盤管吸塵器，間距約300mm。左右兩組在高度方向上的距離約為500mm，噴霧方向與煤壁成30°～45°向采空區方向。它形成的多級水霧可以有效抑制切割和框架移動產生的灰塵逃逸到人行道空間，并實現對滯留在人行道區域的懸浮灰塵的有效抽吸。同時，它具有弱噴水減少灰塵的優點。

同時，研發全斷面霧化引射噴霧降塵裝置，項目沿工作面通風方向，間隔兩架負壓卷吸除塵器組安裝一架全斷面霧化引射噴霧降塵裝置（即每三架支架除塵器構成一個循環，包括兩架負壓卷吸除塵器、一架全斷面霧化引射噴霧降塵裝置），通過強力磁鐵作為固定元件將其固定于液壓支架頂梁，其內部布設3個噴射方向不同的噴嘴，霧化范圍可覆蓋工作面煤壁至液壓支架立柱間的中上部空間，可有效降低工作面粉塵濃度并吸入人行道處粉塵。

基于采面現有自動控制系統，優化設計塵源自動跟蹤噴霧的實操方法。順風截割作業時采煤區域以前后滾筒為參考依據，對于前滾筒區域，支架噴霧開啟滾筒中心下風側的第1、3、5架；對于后滾筒區域，支架噴霧開啟滾筒中心下風側的第1架和上風側的第1、3架。移架時以當前移架位置為參考依據，支架噴霧開啟移架位置下風側的第1、3架。逆風割煤時，開啟方式同理。

4 主要研究成果

（1）煤塵的基本物理和化學特性，如粒度、粒度分布和潤濕性，煤塵的基礎空氣動力學特性，如重力沉降和布朗運動，水射流的基本理論，如自由射流和沖擊射流，以及液滴霧化和塵霧凝結的影響，對其進行了理論分析和研究，揭示了煤塵在空氣中遷移的基本動力學理論和噴霧降塵機理，構建了空間三維霧化降塵技術體系的理論基礎。

（2）基于Eulerian-Lagrangian坐標系的可實現Realizable k-ε模型和DPM模型闡明了氣流流線軌跡、氣流矢量速度和偏移速度的分布模式，揭示了切割湍流風對氣流傳輸特性的擾動效應；比較分析了切割湍流風合流前后煤塵顆粒軌跡的分布規律和煤塵濃度分布規律的差異，確定了切割湍流對煤塵污染特性的擾動作用。

（3）基于相位多普勒激光干涉儀噴霧模擬實驗平臺，測試了15種噴嘴在多因素擾動下的噴霧特性。通過對不同噴霧壓力下噴嘴噴霧角度、有效范圍和流量等宏觀參數的測量，確定了不同類型噴嘴的基本霧化特性，并選擇了適合綜采工作面噴霧降塵的噴嘴；在模擬工作面實際風速的實驗條件下，測量了基于宏觀參數選擇的噴嘴液滴尺寸和速度等微觀參數，闡明了不同類型噴嘴在氣流擾動下的液滴尺寸及速度分布規律。

（4）基于數值模擬和實驗研究的結果，提出了一種綜采工作面三維霧化抑塵技術。在多因素擾動下噴嘴霧化特性實驗的基礎上，對采煤機和液壓支架的噴嘴類型和噴嘴布局進行了優化和改進；我們采用正交實驗、對比實驗和數值模擬等方法，開發了負壓盤管吸塵器及其在應用現場的布局；通過傳動元件的比較和選擇，對噴霧組噴嘴的類型和布局、采煤機液壓濕式除塵器及其在應用現場的布局進行了研究和設計。

5 研究應用效果

通過在七五煤業公司3上211工作面開展綜采面空間立體化霧化控除塵技術研究應用，不僅降低了綜采工作面現場粉塵的危險性，確保了礦井的安全生產，而且提高了礦工的勞動生產率和職業安全健康程度，為礦井的生產接續提供了保證。為此，全礦新增原煤產量約8.8萬t，新增產值約6200萬元，新增利稅2200萬元。建立了可靠、有效和經濟的礦井綜合防塵技術系統，為公司節約大量礦工個體防護、塵肺病治療、防塵管理和技術專項資金70萬元。同時，實現了綜采面粉塵污染的高效控除，從而保障礦工生命健康，滿足我國煤炭智能-綠色-安全開采對粉塵防治的迫切需求，為推動煤炭行業粉塵治理技術進步起到了典范作用，社會效益巨大。