晶鑫煤業(yè)3220運輸順槽掘進工作面噴霧降塵技術應用研究

宋偉峰

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業(yè)股份有限公司，山西 晉城048100）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團晶鑫煤業(yè)股份有限公司3220工作面位于井田西南部，工作面主要開采3#煤層，煤層均厚5.65m，平均傾角為2°，煤層內部不含夾層，煤層上方偽頂為泥巖，均厚為0.59m，直接頂為細砂巖，均厚為8.1m，基本頂為粗砂巖，均厚為27.8m，底板巖層為泥巖。3220運輸順槽采用綜掘掘進工藝，巷道斷面為梯形，凈寬×凈高=3.9（3.3）×2.6m，巷道支護采用工字鋼架棚支護，棚距為0.8m，巷道主要為3220工作面提供進風和運煤服務。

根據(jù)礦井地質資料可知，3#煤層為低灰～中灰、特低硫、特高熱值的無煙煤，煤層無煤塵爆炸性，現(xiàn)為優(yōu)化3220運輸順槽掘進期間的作業(yè)環(huán)境，在巷道掘進期間采用噴霧降塵技術，特進行運輸順槽掘進期間噴霧降塵系統(tǒng)的設計。

2 噴霧降塵機理

當含有粉塵的氣體流過液滴時，此時粉塵顆粒會吸附于液滴上形成霧團，進而其在自重應力的作用下而出現(xiàn)沉降。根據(jù)眾多理論研究和工程實踐結果表明[1-2]，噴霧降塵的主要機理為粉塵與液滴之間出現(xiàn)慣性碰撞、重力沉降、擴散捕集和接觸捕集，具體水霧顆粒與粉塵顆粒相對運動示意圖如圖1所示。

圖1 水霧顆粒與粉塵顆粒相對運動示意圖

慣性碰撞和重力沉降為含有粉塵的氣體流經(jīng)霧滴時，其與霧滴發(fā)生碰撞，由于潤濕后的粉塵自身重力會大幅增加，在自身重力作用下會出現(xiàn)沉降；擴散捕集為微細粉塵（直徑小于5μm）隨著氣流運動時，粉塵在氣體流體的擴散作用下被流場內的液滴所捕獲；接觸捕集為粉塵顆粒所處的流場軌跡與液滴表面的距離相對于粉塵粒徑的來說較小時，此時液滴便會對粉塵進行捕捉進而沉降下來。

當具有一定噴霧能力的水流經(jīng)噴嘴時，噴嘴散發(fā)出來的水流會呈現(xiàn)為發(fā)散狀態(tài)，經(jīng)噴嘴散發(fā)出來的水流會與空氣形成相互作用，使得水滴在一定的空間區(qū)域內密集分布形成水霧；流出噴嘴的水流可劃分為兩個區(qū)域，分別為有效作用區(qū)和衰減區(qū)；其中在有效作用區(qū)內，霧粒被以較高的速度噴出，此時水流顆粒的自身重力不會對其產生影響；衰減區(qū)內，由于霧粒速度的降低，霧粒會逐漸沉降。當采用較高壓力的噴嘴時水流從噴嘴中高速射出，會在很短的距離上分散成霧粒，并形成一股氣流，在水壓和氣流的作用下使得射流中的霧粒會繼續(xù)運動，進而有效的增大水流霧化區(qū)域和噴霧所能達到的區(qū)域。

在進行高壓噴霧時，影響噴霧降塵效果的主要因素有霧粒大小及分散性、塵粒與霧粒的相對速度、噴霧水量、噴霧水質和粉塵的濕潤性，具體各個影響因素的對高壓噴霧影響的具體機理如下：

1）霧粒大小及分散性：根據(jù)相關理論研究與工程實踐結果表明[3-4]，當粉塵顆粒的粒徑與霧粒的粒徑相近時，此時噴霧降塵的效果較好，具體粉塵最小粒度的計算公式為：

式中：ρ為粉塵的密度；ν為氣流的速度；K為比例系數(shù)；D為霧滴直徑；n為空氣的黏度系數(shù)。

當高壓噴霧系統(tǒng)采用恒壓供水時，霧粒在空氣中存在的時間的表達式為：

式中：p為濕空氣的壓力；p0為霧粒蒸汽的壓力；d0為噴嘴的直徑；P1為水壓，其余符號的含義同上。

2）塵粒與霧粒的相對速度：當霧粒的運動速度較高時，此時塵粒的運動速度也相對較高，便會使得塵粒與霧粒發(fā)生碰撞時產生的動量便會越大，其產生的沖擊能夠利于塵粒克服水表面的張力，進而利于塵粒濕潤被捕獲。根據(jù)眾多試驗研究得出，在霧粒運動速度為20～30m/s時，此時霧粒的降塵效率較高。

3）噴霧水量：噴霧降塵作業(yè)時，噴霧降塵的效率會隨著噴霧水量的增大而逐漸增大，合理的設置噴霧水量也能提升降塵效率。

4）噴霧水質：噴霧水質較差時，會使得水的黏性變差，形成的霧粒中的液滴相應增大，從而降低捕塵效率。

5）粉塵的潤濕性：當粉塵的潤濕性較差時，此時液滴與塵粒碰撞后會出現(xiàn)一定程度的反彈，致使粉塵不易被霧粒捕獲，另一方面若粉塵潤濕性較差，此時粉塵表面會形成一層薄膜，使得塵粒的濕潤較為困難。

3 降塵系統(tǒng)設計與效果分析

3.1 噴霧降塵系統(tǒng)設計

掘進機噴霧降塵：本次掘進機上的噴霧裝置為油壓與水壓的轉換裝置，該裝置主要包括液壓水泵、液壓油路控制閥組、2級精密水質過濾器和旋流式霧化噴嘴，具體裝置示意圖如圖1所示。該裝置能夠通過液壓油驅動液壓水泵，能夠獲得高壓水，該裝置內的液壓油在液壓泵內部進行循環(huán)，因此該裝置在缺水的情況依據(jù)能夠正常運轉，另一方面該液壓水泵本身具有一定的冷卻功能，故裝置在液壓油的溫度不會在裝置運轉期間出現(xiàn)大幅升高的現(xiàn)象，該裝置的各項參數(shù)如表1所示。

圖1 掘進機高壓油轉換示意圖

表1 噴霧系統(tǒng)技術指標參數(shù)

皮帶機噴霧降塵：為防止掘進出的破碎煤巖體在皮帶輸送機上運輸時產生大量的煤塵，現(xiàn)設置在皮帶輸送機上方60cm處設置噴霧水管，并在水管上每間隔5m設置一處橫向水管，每個橫向水管上安設3個霧化噴頭，噴霧水管與供水管路相連，通過在掘進頭處設置擋板的方式進行噴霧系統(tǒng)的啟動與關閉裝置，當皮帶機開始輸送時，此時煤巖體會與擋板發(fā)生碰撞進而會啟動噴霧，若煤巖體致使擋板被抬起的幅度越大其噴霧量也會逐漸增大，其系統(tǒng)簡單實用，具體皮帶輸送機的噴霧降塵系統(tǒng)設置如圖2所示。

圖2 皮帶輸送機噴霧降塵系統(tǒng)設計示意圖

巷內噴霧降塵系統(tǒng)：在滯后掘進頭10m的位置處設置粉塵傳感器和弧形噴霧架，并將粉塵傳感器與弧形噴霧裝置相連接，當粉塵含量超出300mg/m3時，即啟動弧形噴霧架進行自動噴霧，當粉塵濃度降低至300mg/m3以下時，即可關閉噴霧裝置，進而保障巷道掘進頭產生的粉塵不會持續(xù)的在巷道內部進行擴散與蔓延，具體巷內自動噴霧降塵裝置如圖3所示。

圖3 巷內自動噴霧降塵裝置示意圖

圖4 抑塵劑配比添加裝置示意圖

噴霧裝置中添加抑塵劑：上述所有的噴霧系統(tǒng)均與抑塵劑添加裝置相連接，具體抑塵劑添加裝置如圖4所示。抑塵劑能夠提升塵粒與霧粒的親和力，有效促進塵粒沉降，本次抑塵劑的摻量為3‰。

3.2 效果分析

為分析3220運輸順槽掘進工作面噴霧降塵系統(tǒng)的效果，現(xiàn)分別在噴霧防塵系統(tǒng)實施前后在掘進工作面掘進及司機處、刮板轉載點處、運輸轉載點處進行全塵與呼塵的測試作業(yè)，根據(jù)測試結果能夠得出噴霧降塵系統(tǒng)實施前后全塵和呼塵濃度數(shù)據(jù)見表2。

表2 噴霧系統(tǒng)實施前后各個區(qū)域粉塵含量測試數(shù)據(jù)表

分析表2可知，3220運輸順槽掘進工作面在采用噴霧系統(tǒng)后，各個區(qū)域的降塵率均達到了80%以上，其中在運輸轉載點處的降塵率最高，其全塵與呼塵的降塵率分別為83.7%和82.7%，據(jù)此可知噴霧系統(tǒng)降塵效果顯著。

4 結論

根據(jù)3220運輸順槽掘進工作面的具體特征，通過分析噴霧降塵機理，確定了影響噴霧降塵效果的主要因素，基于理論結果進行掘進工作面噴霧降塵系統(tǒng)的設計，降塵系統(tǒng)由噴霧機噴霧+皮帶機噴霧+巷內噴霧組成，并在噴霧系統(tǒng)中添加抑塵劑添加裝置。根據(jù)噴霧系統(tǒng)實施前后的粉塵濃度測試可知，噴霧系統(tǒng)降塵效果顯著，有效優(yōu)化了掘進工作面的作業(yè)環(huán)境。