新元礦9104綜采工作面防塵技術(shù)研究

要天富

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400)

1 工程概況

陽煤集團(tuán)新元煤礦9104綜采工作面位于9號煤一水平一采區(qū)，工作面標(biāo)高474.4～559.8 m，地面標(biāo)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(zhì)夾矸，均厚為0.5 m左右。煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主；底板為粉砂巖。工作面采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤方法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板，循環(huán)進(jìn)度為0.8 m。

根據(jù)礦井地質(zhì)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(xiǎn)性，無自然發(fā)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(shù)降低工作面區(qū)域的粉塵。

2 噴霧降塵技術(shù)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(nèi)向管外進(jìn)行噴霧，當(dāng)水霧的擴(kuò)散半徑大于管徑時(shí)，此時(shí)會形成水霧活塞，這便能夠推動(dòng)水霧前方的空氣向前推出，進(jìn)而會在噴嘴后方形成真空，使得噴口位置處出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，含塵氣流被吸入到噴射裝置的噴管內(nèi)部，在噴管的管腔內(nèi)部粉塵會與水霧反復(fù)撞擊，進(jìn)行使粉塵與霧滴相結(jié)合，當(dāng)其被噴出管腔時(shí)，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(fù)壓場，從而達(dá)到良好的降塵效果[1-2]。具體水霧活塞機(jī)理如圖1所示。

圖1 水霧活塞降塵機(jī)理示意

2.2 水射流卷吸機(jī)理

當(dāng)含有霧滴的氣流從噴嘴中噴出后，在形成的速度不連續(xù)間斷面上失穩(wěn)進(jìn)而產(chǎn)生渦流，渦旋會卷吸周圍含有粉塵的氣體進(jìn)入到射流中，進(jìn)而影響其由內(nèi)向外逐漸發(fā)展形成自由紊動(dòng)的混合層，使得氣流中的粉塵逐漸與氣體中的液滴發(fā)生碰撞，以此達(dá)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(dòng)能而出現(xiàn)速度降低的現(xiàn)象，在混合層中逐漸產(chǎn)生速度梯度，從而出現(xiàn)剪切應(yīng)力的現(xiàn)象[3]。在卷吸和混合作用下，射流斷面會不斷擴(kuò)大，使得水射流的流速出現(xiàn)不斷的降低現(xiàn)象，具體水射流卷吸機(jī)理示意如圖2所示。

圖2 噴射端卷吸機(jī)理示意

當(dāng)噴出的水射流大于空氣的密度時(shí)，此時(shí)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(dòng)壓表達(dá)式為：

(1)

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

文獻(xiàn)[4]表明，非淹沒性射流在各個(gè)截面上的動(dòng)壓分布特征如圖3所示，分布規(guī)律表達(dá)式為：

圖3 射流面上動(dòng)壓分布曲線

(2)

式中：P為射流截面上任一點(diǎn)的動(dòng)壓；Pm為射流軸線上的動(dòng)壓；Y為任一點(diǎn)至射流軸線間的徑向距離；R為射流截面的半徑；K為相關(guān)系數(shù)，基于現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果得出K=0.5。

進(jìn)一步推導(dǎo)出噴射端射流各個(gè)斷面上任何一點(diǎn)處的動(dòng)壓表達(dá)式為：

(3)

噴霧管噴射卷吸形成的負(fù)壓場對于降塵裝置效率起到關(guān)鍵作用，由于氣流和霧流在能夠凈化吸筒內(nèi)粉塵的同時(shí)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(yīng)盡可能地?cái)U(kuò)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(fēng)流，進(jìn)而將水進(jìn)一步霧化，以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)

噴霧降塵技術(shù)是目前回采工作面最常采用的降塵措施，現(xiàn)結(jié)合上述噴霧降塵技術(shù)原理，在工作面采煤機(jī)和支架上均安設(shè)噴霧降塵裝置，并在工作面合理的位置處設(shè)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(jī)噴霧。基于9104工作面具體特征，將采煤機(jī)負(fù)壓噴霧系統(tǒng)降塵裝置安設(shè)在采煤機(jī)兩端頭的電箱及外側(cè)，共計(jì)設(shè)置4個(gè)噴嘴，噴嘴呈一字排列，安設(shè)角度分別為向上22°、向上15°、水平布置和向下30°布置，設(shè)置吸塵口為1個(gè)，設(shè)置噴霧壓力為6 MPa，耗水量17.95 L/min，吸風(fēng)量為28.36 m3/min，氣液比為1.58，平均負(fù)壓為-63 Pa，具體采煤機(jī)噴霧負(fù)壓降塵裝置如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)噴霧降塵裝置示意

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

液壓支架處的噴霧系統(tǒng)由噴嘴和供水管組成，噴霧水通過供水管進(jìn)入到噴嘴中，進(jìn)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(nèi)每臺支架上均安裝噴霧系統(tǒng)，液壓支架噴霧系統(tǒng)上安設(shè)3個(gè)噴嘴，噴嘴的直徑為2.4 mm，噴嘴型號為含有X形導(dǎo)流芯混合噴嘴，3個(gè)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(tǒng)裝置側(cè)部設(shè)置吸塵口，以實(shí)現(xiàn)將粉塵由側(cè)部有效吸入，側(cè)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(tǒng)如圖5，液壓支架噴霧的噴水壓設(shè)置為4 MPa，氣液比為1.9，吸風(fēng)量為18.4 m3/min。

圖5 液壓支架噴霧系統(tǒng)布置示意

3) 工作面擋風(fēng)簾。回采工作面內(nèi)的粉塵由于濃度較高、且其具有影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長的特征，故在采用液壓支架噴霧降塵和采煤機(jī)處降塵的基礎(chǔ)上，在工作面設(shè)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(jìn)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(jié)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(wǎng)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(fēng)流成45°，濾網(wǎng)采用2 mm×2 mm的篩網(wǎng)，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(jì)安設(shè)3處，分別在56號支架、96號支架和146號支架處安設(shè)，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(yàn)證9104工作面除塵方案的應(yīng)用效果，分別在除塵措施實(shí)施前后進(jìn)行了粉塵濃度的測試，測點(diǎn)分別在采煤機(jī)司機(jī)處、液壓支架移架時(shí)、多道工序較叉時(shí)、前部溜頭處、破碎機(jī)處、轉(zhuǎn)載機(jī)處和回風(fēng)巷內(nèi)。測試結(jié)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(yè)區(qū)域的各個(gè)位置的全塵濃度和呼塵濃度均在23～50 mg/m3區(qū)域，通過對粉塵方案實(shí)施前后的對比可知，工作面防塵措施實(shí)施后，各個(gè)測試區(qū)域位置的全塵降塵率達(dá)到了91.84%，呼塵的降塵率達(dá)到90.63%，降塵效果顯著。

圖7 工作面防塵方案實(shí)施前后粉塵濃度曲線