高壓噴霧技術在礦井粉塵治理中應用

張 超，路 園

(1晉能控股集團 王家嶺煤業有限公司，山西 忻州 036600； 2晉能控股集團 泰山隆安煤業有限公司，山西 忻州 036600)

采煤工作面是煤礦井下主要的產塵點，也是粉塵治理難度最高的區域。現常用的粉塵治理措施有煤層注水、泡沫除塵、噴霧除塵和負壓二次降塵等，其中噴霧除塵工藝最為簡單，在井下應用也最為廣泛[1-2]。但是受到煤層物理性質以及煤炭開采技術影響，綜采工作面生產時粉塵產生規律以及沉降規律有顯著差異。已有研究成果表明，不同粒徑粉塵有其對應的最佳噴霧霧粒粒徑范圍[3-4]。礦井井下使用的噴霧降塵技術未能針對回采的煤層進行針對性改進，造成噴霧降塵效果不理想[5]。為此，文中以山西某礦3101綜采工作面為工程實例，根據采面粉塵性質對高壓噴霧技術參數進行優化，從而改善了采面生產環境。

1 工程概況

3101綜采工作面位于礦井一采區北側，除去采面東部為采區集中軌道、運輸巷，其余三個方向均為實體煤。3號煤層埋深450 m，推進長度850 m、斜長150 m，厚度2.8 m、硬度0.95、傾角6°，煤層頂底板巖性為細砂巖、砂質泥巖。

采面采用U型通風方式，風量為1 115 m3/min，采用型號MG500/1180-WD采煤機割煤。采煤機回采時，雖然使用內外噴霧降塵，但是由于外噴霧壓力較低(介于1.5～3.0 MPa)，噴霧霧化效果不佳，內噴霧常因噴嘴堵塞而不能正常使用。現場實測采煤機司機、采煤機下風側10 m位置粉塵濃度最高值達到739.7 mg/m3、815.4 mg/m3，粉塵濃度分別為551.3 mg/m3、605.4 mg/m3，采面粉塵濃度較高。

2 3101綜采工作面粉塵特性分析

在采煤機司機位置以及采煤機下風側10 m位置布置測點分析粉塵粒徑，發現兩個位置粉塵粒徑的分布規律基本一致，具體以采煤機位置獲取到的粉塵粒徑分布為例，對采面內粉塵特征進行分析。采面粉塵粒徑占比見圖1。

圖1 采面粉塵粒徑分布

從測試結果看出，采煤機正常割煤期間采煤司機位置粉塵粒徑加權平均值為42.36 μm，粒徑在50 μm以下的粉塵占比達到72.7%和呼吸性粉塵(粒徑小于7.07 μm)占比為6.5%.

3 高壓噴霧參數設計

3.1 最佳噴霧霧粒粒徑確定

最佳噴霧范圍應滿足下述要求：①噴霧系統霧粒粒徑與粉塵粒徑分布接近；②噴霧粒徑不應在短時間內揮發，以免失去降塵效果[6]。通過對3101綜采工作面粉塵分布粒徑測試發現，最有利于降低采面粉塵濃度的霧粒粒徑平均值應在42.36 μm；為了有效降低采面呼吸性粉塵濃度，霧粒中粒徑在7.07 μm以下的小粒徑霧粒占比應接近6.5%.當霧粒粒徑較小時，蒸發對霧粒降塵效果有明顯影響，具體表現為小粒徑霧粒雖然可與呼吸性粉塵結合，但是粉塵在沉降下落至巷道底板前小粒徑霧粒即會蒸發，失去應有的降塵作用。

霧粒存在時間(t)可通過公式(1)計算：

t=10-4dk[1.064K(P0-P)]

(1)

式中：dk為霧粒粒徑，μm；K為比例系數，無量綱；P0、P分別表示霧粒蒸汽壓力、空氣壓力，Pa。

一般情況下3101綜采工作面所處環境中，相對濕度一般為80%，所處環境溫度一般為20 ℃，通過公式(1)計算得到，平均粒徑為30 μm、50 μm、60 μm和70 μm的霧粒存在時間分別為7.1 s、11.8 s、14.2 s以及16.64 s。

粉塵隨著采面風流而移動，具體運動過程十分復雜。已有研究表明，細粒粉塵在空氣中運動時在豎向方向起初是加速運動，速度增加到一定值后粉塵會以該速度勻速移動，粉塵加速運動時間很短，一般在0.01 s以內。因此，在計算粉塵沉降耗時可忽略加速時間。粉塵勻速移動的速度Vt可通過公式(2)計算：

(2)

式中：dp為粉塵粒徑，m；ρp為含有粉塵空氣密度，kg/m3；ρ為空氣密度，kg/m3；μ為黏性系數，m2/s；V為空氣流動速度在豎向方向分量，m/s。

3101綜采工作面回采的3號煤層厚度2.8 m，設定霧粒與粉塵在高度1.5～2.0 m處結合并開始沉降。將相關參數帶入到公式(2)中，求得粉塵沉降耗時約為12.5～16.7 s。

考慮到3103綜采工作面內粉塵粒徑分布特征、不同粒徑霧粒蒸發時間以及粉塵沉降耗時，確定采面高壓噴霧時合理的霧粒粒徑范圍應在50～70 μm。

3.2 噴霧壓力及噴嘴口徑確定

高壓噴嘴性能會直接影響噴霧效果以及霧粒粒徑范圍。噴霧粒徑DW與噴嘴口徑DP、噴霧壓力PP關系為：

(3)

其中：Kb為比例系數，取值34 530；Pp為噴霧壓力，MPa。

從式(3)看出，通過改變噴嘴口徑DP、噴霧壓力PP可得到滿足現場需要的噴霧霧粒粒徑。現階段煤礦井下最為常用的高壓噴嘴口徑有1.0 mm、1.5 mm兩種規格。根據公式(3)得到1.0 mm、1.5 mm兩種噴霧口徑在不同噴霧壓力形成的霧粒變化曲線，具體見圖2。

圖2 1.0 mm、1.5 mm兩種噴霧口徑在不同 噴霧壓力形成的霧粒變化曲線

從圖2看出，在相同噴霧壓力高壓噴嘴形成的霧粒平均直徑隨著噴嘴口徑減少而減少；同一口徑噴嘴隨著壓力的增加噴霧霧粒直徑呈減小趨勢，其中壓力在6～12 MPa間變化時，霧粒直徑變化最為明顯，之后隨著壓力增加，噴霧霧粒直徑減小趨勢逐漸趨緩。

3101綜采工作面最佳的噴霧霧粒直徑為50～70 μm，若使用1.5 mm噴嘴則需要噴霧壓力以及流量會明顯高出1.0 mm噴嘴。根據圖2得出，噴霧壓力為12 MPa時，1.0 mm口徑噴嘴形成的霧粒平均直徑為65 mm，1.5 mm口徑噴嘴形成的霧粒平均直徑為105 mm，若使得1.5 mm口徑噴嘴形成的霧粒平均直徑小于70 μm，則需要噴霧壓力達到18 MPa。井下現有的高壓噴霧設備噴霧壓力雖然可達到18 MPa，但是高壓噴霧設備能耗以及用水量會顯著提升，經濟效益不高。為此，礦井3101綜采工作面選擇1.0 mm口徑噴嘴，噴霧壓力設定為12 MPa。為了提高噴霧降塵效果，在采面布置獨立的高壓噴霧系統對噴嘴供水。

4 現場應用分析

將1.0 mm口徑噴嘴應用到3101綜采工作面采煤機外噴霧系統以及液壓支架噴霧除塵系統上，噴霧系統水壓為12 MPa。采面正常生產時風速為1.5 m/s，采煤機外噴霧噴嘴形成的水霧受到采面風流影響較小，絕大多數水霧可達到采煤機截割部，采煤形成的粉塵顯著降低；采煤機回采時，上下兩側各5架支架上的高壓噴霧系統開啟，降低了風流中的粉塵濃度。

在采煤機司機位置以及采煤機下風側10 m位置，對采取高壓噴霧降塵技術后的粉塵濃度進行測定，具體見圖3。

圖3 高壓噴霧應用前后采面各位置粉塵濃度測定結果

從圖3看出，在3101綜采工作面應用高壓噴霧除塵技術后，采煤機司機位置、采煤機下風口10 m位置處，粉塵濃度分別降低至85.6 mg/m3、102.3 mg/m3，粉塵濃度降低幅度分別為84.5%、83.1%，取得顯著的粉塵治理效果。

5 結 語

1) 根據3101綜采工作面實際情況，采用理論分析方法對噴霧系統最佳噴霧粒徑、最佳噴霧壓力以及噴嘴口徑等進行確定，最終發現噴霧霧粒在60～70 μm時可起到較好的降塵效果，高壓噴霧系統采取12 MPa噴霧壓力以及1.0 m噴嘴口徑形成的噴霧粒徑可滿足采面噴霧降塵需要。

2) 在采煤機以及液壓支架機載均采用高壓噴霧技術，現場應用后采煤機以及采煤機下風口10 m位置測定粉塵濃度分別降低至85.6 mg/m3、102.3 mg/m3，粉塵濃度較采面原除塵措施時分別降低84.5%、83.1%，除塵效果顯著。