綜采工作面高壓霧化降塵技術研究與應用

摘要：為了解決常規噴霧降塵降塵效果有限的問題，基于對高壓霧化過程的分析，結合噴霧降塵捕塵機理，對綜采工作面高壓霧化降塵技術進行了研究，最終確定了旋轉壓力式噴嘴在8MPa壓力下霧化效果較好。通過在賽爾三礦A4007工作面現場應用后發現，高壓霧化降塵較常規噴霧降塵的降塵率高20%以上，工作面粉塵濃度明顯降低。

關鍵詞：常規噴霧；高壓霧化；捕塵機理；壓力式噴嘴

中圖分類號：TD714 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）06-0114-03

礦井粉塵是煤礦生產過程中的五大災害之一，粉塵主要危害表現在兩個方面：一是煤塵具有可燃性，可使高濃度煤塵瞬間發生爆炸性燃燒，繼而引起煤塵爆炸，如果在高瓦斯礦井及在瓦斯富集區，煤塵爆炸還可能引起瓦斯爆炸，形成煤塵瓦斯爆炸，造成嚴重的煤礦安全生產事故；二是高濃度的粉塵，尤其是呼吸性粉塵（一般將粒徑小于5μm的粉塵視為呼吸性粉塵），可穿透肺泡，產生粉塵沉積，使肺部發生病理改變，出現不同程度的彌漫性間質纖維化，造成塵肺病。因此為保證煤礦企業安全生產及煤礦職工的身心健康，亟需對井下粉塵進行治理。然而，目前大部分煤礦使用的常規的噴霧降塵技術降塵效果有限，因此，本文對高壓霧化降塵技術進行了研究，以期降低工作面粉塵濃度，改善工作面條件。

1 賽爾三礦A4007工作面概況

賽爾三礦A400工作面布置在三礦+700水平東翼采區A4煤層第四個工作面，開采位置：上限+775.3m水平、下限+718.7m水平。地面為戈壁沙灘，無任何建筑物。工作面東鄰井田邊界，西鄰東翼軌道上山、南鄰井田未開采區，北為A4005采空區。A4煤層位于下侏羅統八道灣上段下部，根據掘進期間觀測煤層厚度變化在2.35m-2.45m之間，平均厚度為2.4m，煤層厚度變化不大。據其發育程度，該煤層應屬全區可采的較穩定中厚煤層。煤層傾角14°～16°，平均15°。A4007工作面運輸巷掘進到556米遇見斷層，經公司有關部門和領導現場會審決定沿斷層走向開切眼，A4007工作面回風巷掘進至580米處開始做工作面切眼。該工作面實際長度為568米，切眼長160m。

根據工作面設計、地質條件及生產技術條件，確定A4007工作面采用走向長壁綜合機械化采煤法回采，全部垮落法管理頂板。工作面布置MG160/375-WDl型可調高雙滾筒采煤機沿工作面雙向割煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤。由于采煤機功率較大，工作面回采期間產塵量大，煤機割煤時尤為突出，造成工作面生產時可見度低，勞動衛生條件較差。此外，經烏魯木齊煤安采礦專用設備測試技術服務有限公司鑒定發現，A4煤爆炸性實驗火焰長度≥600mm，具有爆炸性。所以，工作面回采過程中需做好防塵工作。

2 高壓霧化過程分析

噴霧降塵是慣性碰撞、截留、布朗擴散、靜電和重力等多種機理綜合作用的結果，如圖1所示。

圖1 霧滴捕集粉塵的機理示意圖

而液體霧化過程實際上就是將連續的液體介質分散形成細小液滴的過程。隨著人們對高壓噴霧霧化過程認識的加深，依據氣體在高壓霧化過程中所起的作用，將此霧化過程分為兩個階段，分為初次破碎和二次破碎兩個階段。

高壓噴霧時，產生的高速射流在離開噴嘴的過程中，受到空氣阻力的作用，由于射流高壓作用產生強湍流，并在噴嘴射流端部及噴霧近噴嘴部分產生大量空穴氣泡（如圖2所示），氣泡的發展、潰滅以及強湍流導致液體不再穩定而進行了初次破碎。普遍認為是由于液體和氣體相互作用引起液體表面不穩定波的增長而導致射流的初次破碎。

圖2 初次破碎示意圖

高速射流液體自身湍流運動效應及空穴氣泡潰滅帶來的能量為液體初次破碎帶來了能量，提供了高速液體初次破碎的表面能，并產生了徑向速度分量，引起噴口處射流的迅速擴散，而且在湍流中擁有了能量足夠大的空穴氣泡，使液滴能在運動中擺脫表面張力的影響，脫離連續的液體相，形成大量的液滴或液絲。

二次破碎是初次破碎產生的液滴在空氣動力作用下減速、變形和破碎的過程，發生在氣液混合區，初次破碎形成的高速液滴，與氣體間存在較高的相對速度，在空氣動力和液滴表面張力相互作用下，發生變形破碎，分裂形成更小的液滴，液體顆粒的尺寸通常在幾微米到幾百微米。它直接影響到最終霧化液滴的尺寸分布。

3 高壓霧化降塵技術設計

目前，在煤礦現場應用較多的噴嘴為壓力轉化型噴嘴及旋轉壓力式噴嘴，試驗研究表明，噴嘴的霧化質量主要取決于噴嘴的轉化原理和結構。壓力轉化型霧化噴嘴的壓力水轉化成噴霧水僅有一次轉化過程，故也稱為一次霧化型噴嘴。這類型噴嘴的霧化效果一般不是十分理想。而旋轉壓力式噴嘴的霧化質量分布比較均勻，流量大且霧化角也大。噴霧通量在霧錐中心處最大，隨著壓力增大，鄰近霧錐中心的區域噴霧通量變大，在霧錐邊緣處噴霧通量變小。根據大量實驗數據及類似煤礦現場調研，結合賽爾三礦高壓霧化降塵對噴嘴的要求，噴嘴采用旋轉壓力式噴嘴。

綜合考慮噴嘴直徑、噴霧壓力、噴射流量的參數對噴嘴霧化效果的影響，在實驗室條件下對各項參數進行測定，結果表明，選用噴嘴直徑為1.2mm，霧化類型為含X形導流芯混合式，霧流形狀為實心圓錐形的不銹鋼壓力式噴嘴，在噴霧壓力為5Mpa壓力下時，D0.1為17.432?m、D0.5為37.619?m、D0.9為61.826?m，主要粒徑分布在17.432?m～61.826?m，是最適合用于采煤機外噴霧及支架噴霧的噴嘴。

根據A4007工作面實際情況，對A4007工作面高壓噴霧降塵系統進行設計。將采煤機外噴霧及支架噴霧所用更換為所選定噴嘴。由于高壓噴霧需水壓較大，設計在A4007工作面布置2臺BPW250/6.3型高壓噴霧泵，其中1臺備用。由于工作面條件限制，設計將高壓噴霧泵距工作面大概150m進風巷內。采煤機割煤時開啟噴霧降塵裝置，其中內噴霧壓力不得小于2MPa，外噴霧壓力及支架噴霧壓力不得小于5MPa，噴霧要覆蓋全滾筒。工作面停水或噴霧裝置損壞時必須停止生產。endprint

4 現場應用效果分析

為檢驗高壓霧化降塵應用效果，在A4007工作面布置粉塵測點，對不使用任何降塵措施情況下的粉塵濃度、使用改進之前的噴霧系統后的粉塵濃度以及使用高壓霧化降塵系統后的粉塵濃度進行測定，測定結果如表1所示。

由上表數據可以看出，A4007工作面在不使用任何降塵措施條件下，各測點粉塵濃度較大，其中落煤處粉塵濃度最高，可達509.13mg/m-3，移架次之，為423.72mg/m-3，司機處粉塵濃度為177.35mg/m-3，高濃度粉塵對采煤機司機以及移架工影響較大。使用原有噴霧降塵措施式，各測點粉塵濃度有所降低，其中呼吸性粉塵平均降塵率為65.32%，全塵平均降塵率為68.32%，工作面衛生條件有所改善。使用高壓噴霧降塵技術后，各測點粉塵濃度有明顯降低，其中采煤機司機處粉塵濃度降到10.48mg/m-3，開啟高壓噴霧后呼吸性粉塵平均降塵率為87.84%，全塵平均降塵率為88.71%，較之前采用的噴霧降塵系統降塵率提高20%以上，工作面衛生條件明顯改善。

5 結語

通過對高壓霧化過程的分析，得出噴霧降塵是慣性碰撞、截留、布朗擴散、靜電和重力等多種機理綜合作用的結果，明確了高壓霧化過程存在兩個階段，即初次破碎和二次破碎兩個階段。在此基礎上，對賽爾三礦A4007工作面高壓霧化降塵技術進行了設計，最終選定了霧化效果較好的噴嘴及噴霧壓力。通過在A4007工作面現場應用后發現，使用高壓霧化降塵技術后，工作面粉塵濃度明顯降低，平均降塵率達85%以上，較A4007之前采用的噴霧降塵系統降塵率提高20%以上，改善了工作環境，保證了工作面礦工的身心健康。

參考文獻

[1] 時訓先.煤礦綜采工作面防塵技術研究現狀及趨勢

[J].中國安全生產科學技術，2005，1（1）：

12-14.

[2] 劉毅.綜采工作面粉塵運動規律及高壓噴霧降塵技

術的研究[D].北京：北京科技大學，2005.

[3] 曹建明.噴霧學研究的國際進展[J].長安大學學

報自然科學版，2005，25（1）：82-87.

[4] 衛生部.工作場所空氣中粉塵測定第三部分：粉塵

分散度（GBZ/T192.3-2007）[S].北京：中國標

準出版社，2007.

[5] 張延松.綜采放頂工作面粉塵防止及效果[J].煤

炭技術，2005，12（3）：19-21.

[6] 李高峰.綜采工作面高效噴霧降塵技術研究[D].

西安：西安科技大學，2010.

[7] 劉毅，蔣仲安，蔡衛.綜采工作面粉塵運動規律的

數值模擬[J].北京科技大學學報，2007，29

（4）：321-323.

作者簡介：李其明（1972—），江蘇泗陽人，徐礦集團新疆賽爾能源有限責任公司生產技術部副部長，采礦助理工程師，研究方向：礦井通風管理。endprint

4 現場應用效果分析

為檢驗高壓霧化降塵應用效果，在A4007工作面布置粉塵測點，對不使用任何降塵措施情況下的粉塵濃度、使用改進之前的噴霧系統后的粉塵濃度以及使用高壓霧化降塵系統后的粉塵濃度進行測定，測定結果如表1所示。

由上表數據可以看出，A4007工作面在不使用任何降塵措施條件下，各測點粉塵濃度較大，其中落煤處粉塵濃度最高，可達509.13mg/m-3，移架次之，為423.72mg/m-3，司機處粉塵濃度為177.35mg/m-3，高濃度粉塵對采煤機司機以及移架工影響較大。使用原有噴霧降塵措施式，各測點粉塵濃度有所降低，其中呼吸性粉塵平均降塵率為65.32%，全塵平均降塵率為68.32%，工作面衛生條件有所改善。使用高壓噴霧降塵技術后，各測點粉塵濃度有明顯降低，其中采煤機司機處粉塵濃度降到10.48mg/m-3，開啟高壓噴霧后呼吸性粉塵平均降塵率為87.84%，全塵平均降塵率為88.71%，較之前采用的噴霧降塵系統降塵率提高20%以上，工作面衛生條件明顯改善。

5 結語

通過對高壓霧化過程的分析，得出噴霧降塵是慣性碰撞、截留、布朗擴散、靜電和重力等多種機理綜合作用的結果，明確了高壓霧化過程存在兩個階段，即初次破碎和二次破碎兩個階段。在此基礎上，對賽爾三礦A4007工作面高壓霧化降塵技術進行了設計，最終選定了霧化效果較好的噴嘴及噴霧壓力。通過在A4007工作面現場應用后發現，使用高壓霧化降塵技術后，工作面粉塵濃度明顯降低，平均降塵率達85%以上，較A4007之前采用的噴霧降塵系統降塵率提高20%以上，改善了工作環境，保證了工作面礦工的身心健康。

參考文獻

[1] 時訓先.煤礦綜采工作面防塵技術研究現狀及趨勢

[J].中國安全生產科學技術，2005，1（1）：

12-14.

[2] 劉毅.綜采工作面粉塵運動規律及高壓噴霧降塵技

術的研究[D].北京：北京科技大學，2005.

[3] 曹建明.噴霧學研究的國際進展[J].長安大學學

報自然科學版，2005，25（1）：82-87.

[4] 衛生部.工作場所空氣中粉塵測定第三部分：粉塵

分散度（GBZ/T192.3-2007）[S].北京：中國標

準出版社，2007.

[5] 張延松.綜采放頂工作面粉塵防止及效果[J].煤

炭技術，2005，12（3）：19-21.

[6] 李高峰.綜采工作面高效噴霧降塵技術研究[D].

西安：西安科技大學，2010.

[7] 劉毅，蔣仲安，蔡衛.綜采工作面粉塵運動規律的

數值模擬[J].北京科技大學學報，2007，29

（4）：321-323.

作者簡介：李其明（1972—），江蘇泗陽人，徐礦集團新疆賽爾能源有限責任公司生產技術部副部長，采礦助理工程師，研究方向：礦井通風管理。endprint

4 現場應用效果分析

為檢驗高壓霧化降塵應用效果，在A4007工作面布置粉塵測點，對不使用任何降塵措施情況下的粉塵濃度、使用改進之前的噴霧系統后的粉塵濃度以及使用高壓霧化降塵系統后的粉塵濃度進行測定，測定結果如表1所示。

由上表數據可以看出，A4007工作面在不使用任何降塵措施條件下，各測點粉塵濃度較大，其中落煤處粉塵濃度最高，可達509.13mg/m-3，移架次之，為423.72mg/m-3，司機處粉塵濃度為177.35mg/m-3，高濃度粉塵對采煤機司機以及移架工影響較大。使用原有噴霧降塵措施式，各測點粉塵濃度有所降低，其中呼吸性粉塵平均降塵率為65.32%，全塵平均降塵率為68.32%，工作面衛生條件有所改善。使用高壓噴霧降塵技術后，各測點粉塵濃度有明顯降低，其中采煤機司機處粉塵濃度降到10.48mg/m-3，開啟高壓噴霧后呼吸性粉塵平均降塵率為87.84%，全塵平均降塵率為88.71%，較之前采用的噴霧降塵系統降塵率提高20%以上，工作面衛生條件明顯改善。

5 結語

通過對高壓霧化過程的分析，得出噴霧降塵是慣性碰撞、截留、布朗擴散、靜電和重力等多種機理綜合作用的結果，明確了高壓霧化過程存在兩個階段，即初次破碎和二次破碎兩個階段。在此基礎上，對賽爾三礦A4007工作面高壓霧化降塵技術進行了設計，最終選定了霧化效果較好的噴嘴及噴霧壓力。通過在A4007工作面現場應用后發現，使用高壓霧化降塵技術后，工作面粉塵濃度明顯降低，平均降塵率達85%以上，較A4007之前采用的噴霧降塵系統降塵率提高20%以上，改善了工作環境，保證了工作面礦工的身心健康。

參考文獻

[1] 時訓先.煤礦綜采工作面防塵技術研究現狀及趨勢

[J].中國安全生產科學技術，2005，1（1）：

12-14.

[2] 劉毅.綜采工作面粉塵運動規律及高壓噴霧降塵技

術的研究[D].北京：北京科技大學，2005.

[3] 曹建明.噴霧學研究的國際進展[J].長安大學學

報自然科學版，2005，25（1）：82-87.

[4] 衛生部.工作場所空氣中粉塵測定第三部分：粉塵

分散度（GBZ/T192.3-2007）[S].北京：中國標

準出版社，2007.

[5] 張延松.綜采放頂工作面粉塵防止及效果[J].煤

炭技術，2005，12（3）：19-21.

[6] 李高峰.綜采工作面高效噴霧降塵技術研究[D].

西安：西安科技大學，2010.

[7] 劉毅，蔣仲安，蔡衛.綜采工作面粉塵運動規律的

數值模擬[J].北京科技大學學報，2007，29

（4）：321-323.

作者簡介：李其明（1972—），江蘇泗陽人，徐礦集團新疆賽爾能源有限責任公司生產技術部副部長，采礦助理工程師，研究方向：礦井通風管理。endprint