基于氣水霧化的采煤工作面多塵源聯控降塵技術研究

司俊鴻，邵意添，霍小泉，趙法森，侯佳音，李澤荃

(1.華北科技學院 應急技術與管理學院，北京 101601；2.陜西陜煤銅川礦業有限公司，陜西 銅川 727000；3.中國國際工程咨詢有限公司，北京 100048；4.華北科技學院 經濟管理學院，北京 101601)

礦井生產性粉塵是威脅井下作業人員安全健康的重要因素之一。我國煤礦265萬接塵人員中，每年新增塵肺病5.7萬人，死亡6000余人[1]。井下采掘工作面、轉載破碎機等是主要的產塵點，采煤工作面作為主要的工作空間，具有產塵量大、空間范圍較大、工作人員密集等特點，隨著礦井綜合機械化開采技術的發展，采煤工作面粉塵濃度超限問題更加突出[2]，頻繁引發塵肺病、職業中毒和煤塵爆炸等事故[3，4]。井下常用的防降塵技術包括煤層注水、通風除塵、除塵器除塵、噴霧降塵和化學泡沫抑塵等[5-7]，各技術均有優缺點。然而，噴霧降塵技術因其操作簡單、成本適中等優勢被廣泛使用。針對噴霧降塵的研究目前多局限在單一塵源降塵技術方面，對于多塵源條件下粉塵擴散規律的研究較少[8-20]。論文以玉華煤礦柴家溝井42222采煤工作面為研究對象，研究采煤工作面多塵源點粉塵擴散規律，在氣水霧化技術研究的基礎上，提出采煤機高效氣水霧化外噴霧、轉載破碎機防塵和巷道全斷面氣水霧捕塵的多塵源聯控降塵技術，為采煤工作面粉塵防治提供技術保障。

1 測定工作面概況

玉華煤礦柴家溝井為低瓦斯礦井，相對涌出量為6.5m3/t，絕對涌出量為12.17m3/min。礦井總回風量3966m3/min，采用中央分列式“兩進一回”通風方式，抽出式通風方法。柴家溝井42222工作面傾向長度165m，開采4-2煤層，煤層厚度3.60～13.60m，為 Ⅰ 類易自燃煤層，自然發火期3～6個月，最短自然發火期為28d。煤塵具有爆炸性，火焰長度大于400mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉量為85%。4-2煤層全水分含量占比為5.15%，大于4%，為不可注水煤層，采用綜合機械化放頂煤開采工藝，傾斜走向長壁后退式采煤方法，全部垮落法管理頂板。主要開采設備參數見表1。

表1 工作面主要開采設備

2 采煤工作面粉塵擴散規律實測分析

2.1 測點布置

為了研究各區域粉塵濃度分布情況，在采煤工作面布置6個測點，對測點位置的全塵和呼塵濃度進行采樣分析。其中，全塵是總粉塵，常指粒徑在1mm以下的所有塵粒，可以進入整個呼吸道，包括鼻、咽、喉、胸腔支氣管、細支氣管和肺泡的大粉塵。呼吸性粉塵(簡稱“呼塵”)指的是粒徑在5μm以下、能進入人體肺泡區的顆粒物，是導致塵肺病的病因。以工作面進風巷端口為0點，測點A和測點B分別布置在270m和770m處，測點D在采煤機上風側(1335m)，測點E在采煤機下風側(1355m)，測點D和測點E均距機身中部10m，在轉載破碎機入口布置測點C(1200m)，測點F布置在2500m處，測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置(m)

此外，割煤過程中產生的粉塵是采煤工作面粉塵防治的重點，其塵源主要來自于采煤機截割碎煤、落煤破碎及其與氣流碰撞產生的粉塵。在采煤機附近60m范圍內布置7個測點對該區域粉塵濃度進行測定，測點布置如圖1所示，其中，測點4位于采煤機機身中部，順風(逆風)割煤時測點3為采煤機后(前)滾筒處，測點5為采煤機前(后)滾筒。以測點4為原點，測點1和測點2分別距原點30m和10m。測點6與測點2以及測點7與測點1以原點為中心對稱布置。

2.2 測試方法及儀器

測試方法為質量法，其工作原理是利用干燥濾膜在采樣前后的質量增加量以及單位時間氣體的體積流量，計算單位體積空氣中粉塵的質量濃度，計算公式為：

式中，C為空氣中粉塵質量濃度，mg/m3；m2為采樣后濾膜質量，mg；m1為采樣前濾膜質量，mg；Q為采樣流量，L/min；t為采樣時間，min。

測試儀器為礦用AKFC-92A型粉塵采樣器，采樣流量設定20L/min，時間間隔為5min，測點高度約1.5m，基本保持在人體呼吸帶高度，配套使用全塵式預捕集器(全塵采樣頭)測定全塵，呼吸性粉塵測定配套使用沖擊式預捕集器(呼塵采樣頭)，各測點均測定全塵和呼塵濃度，并進行3次測試，計算均值。為避免在礦井工作面實測時大顆粒粉塵進入濾膜干擾測試結果，入礦前預先在呼塵采樣頭前端均勻涂抹硅油。采樣時采樣頭進風口與風源相對，且應保證每次稱重前后在相同條件下烘干濾膜。

2.3 采煤工作面沿程粉塵擴散規律

實測得出42222工作面沿程粉塵濃度的變化曲線，如圖2所示。由圖2可知，采煤工作面粉塵濃度呈現先增大后減小的趨勢，采煤機工作區域粉塵濃度急劇上升，轉載點濃度較采煤機區域低。采煤工作面塵源點主要是轉載塵源點和采煤機割煤塵源點，新鮮風從進風巷流入，回風巷流出，風流先經過轉載塵源點而后經過采煤機割煤塵源點，在采煤機割煤塵源點粉塵濃度疊加。此外，進風巷塵量較小，回風巷里粉塵與風流充分混合，濃度降低，但其濃度高于進風巷。因此，應重點關注采煤機區域粉塵濃度分布規律。

圖2 采煤工作面粉塵濃度分布

2.4 采煤機區域粉塵濃度分布規律

采煤機順風割煤與逆風割煤時60m范圍內粉塵濃度分布如圖3所示。由圖3可知，采煤機進行割煤作業時，前滾筒和后滾筒區域的粉塵濃度較大。采煤機機身在割煤過程中占據巷道空間，風流從機身上部區域繞流，采煤機上部和前后滾筒間風速較大，落煤撞擊破碎與巷道風流沖擊，擾動了粉塵濃度場和風流場的穩定性，不利于粉塵顆粒沉降。

圖3 采煤機區域粉塵濃度分布

順風割煤時，沿風流方向粉塵濃度總體呈增加趨勢，與逆風割煤粉塵濃度分布規律基本一致。在采煤機下風側10m出現全塵濃度最大值，逆風割煤時全塵濃度均值為615.6mg/m3，大于順風割煤時的全塵濃度均值579.4mg/m3，且順風割煤時前滾筒區域產塵量較大，全塵濃度上升較快。呼塵濃度雖比全塵濃度小，但整體變化趨勢趨于一致，且變化幅度小于全塵濃度。

采煤機區域有前滾筒塵源點和后滾筒塵源點兩個塵源點，風流每經過1個塵源點，粉塵濃度均明顯增加。因此，粉塵濃度在塵源點存在疊加效應，防降塵過程中必須采用單點和多點塵源聯控措施。

3 采煤工作面多塵源聯控降塵技術

采煤機區域和轉載破碎機區域是采煤工作面兩個主要產塵區域。以采煤機高效氣水霧化外噴霧為主要降塵措施，以轉載破碎機防塵和巷道全斷面氣水霧捕塵為輔助降塵措施，提出了基于氣水霧化的采煤工作面多塵源聯控降塵技術。

3.1 氣水噴霧裝置參數優化

噴霧降塵效果與出口滴液的粒徑密切相關，在相同流量下，液滴直徑越小越有利于捕獲粉塵。選用壓力扇形噴嘴，研制了平均粒徑分布在23～42μm范圍內的氣水霧化裝置。噴嘴基本參數為：扇形噴嘴，扇面角度60°，霧譜范圍10～50μm，有效射程1.2～1.5m，適宜水壓不小于0.3MPa，適宜氣壓不小于0.3MPa。

轉載破碎機處安裝多組氣水噴霧裝置，單組氣水噴霧裝置如圖4所示，巷道中安裝全斷面氣水噴霧裝置，由多組噴嘴構成水霧保護屏障，捕捉巷道風流中攜帶的粉塵，如圖5所示。風水調節閥調節噴嘴的出水量，可以增大霧化效果，減小水霧水滴粒徑，提高氣水噴霧裝置的降塵效率，凈化礦井空氣，其耗水量為4～5L/min，耗風量為0.3～0.4m3/min。此外，配套安裝紅外熱感應啟停器、反沖洗水質過濾器及壓風過濾器，實現自動控制。

圖4 破碎機單組氣水噴霧(mm)

圖5 巷道全斷面噴霧(mm)

3.2 采煤機防砸式外噴霧參數優化

采煤機防砸式外噴霧由防護網、固定孔、接水口和廣角噴頭組成，如圖6所示。5個不銹鋼廣角噴頭嵌入防護網內，采用陣列式分布，分別連接主進水口。結構件均采用厚底為10mm的鋼板澆筑，作為噴霧設施的外層保護，阻擋大重量煤塊撞擊，表面經防腐處理，噴涂兩邊底漆三遍面漆。采煤機正常工作時，輸出信號至水閥，水閥自動放水，二次負壓降塵。當采煤機停止工作時，水閥自動關閉，防砸噴霧設施停止噴水。

圖6 采煤機防砸式外噴霧設計(mm)

利用小型柱塞泵模擬井下水壓，在地面進行采煤機防砸外噴霧的噴射覆蓋范圍試驗，選擇最佳工藝參數。現場試驗測試數據見表2。結果表明，與采煤機機身豎直方向成114°安置防砸式外噴霧噴頭，水壓0.4MPa，噴射流量4.1L/min。

表2 測試數據

4 效果檢驗

在柴家溝井42222工作面采煤機機身與懸臂附近安設采煤機防砸式外噴霧，在轉載破碎機區域安裝3組氣水噴霧裝置，在進風巷道250m和750m處以及回風巷道150m處分別安裝1組全斷面氣水噴霧裝置輔助降塵，如圖7所示，并分別配有反沖洗水質過濾器1臺，壓風過濾器1臺。

多塵源聯控降塵技術應用前后，采煤工作面沿程粉塵濃度測試數據見表3。由表3可知，所設計的噴霧降塵系統安裝使用后，進回風巷道、轉載點附近以及采煤機區域粉塵濃度顯著降低，其中轉載點附近全塵和呼塵濃度分別由258.0mg/m3和85.7mg/m3降低至32.4mg/m3和9.2mg/m3，全塵降塵率為87.44%，呼塵降塵率為89.26%；采煤機下風側10m處全塵和呼塵濃度分別由555.3mg/m3和192.6mg/m3降低到74.4mg/m3和21.9mg/m3，全塵降塵率為86.60%，呼塵降塵率為88.63%。采煤工作面多塵源聯控降塵技術具有良好的降塵效果，降塵率均在80%以上。

表3 多塵源聯控降塵技術使用前后濃度測試數據

5 結 論

1)42222采煤工作面沿程粉塵濃度及采煤機區域粉塵濃度實測結果顯示，采煤機工作區域粉塵濃度急劇上升，轉載點濃度次之，粉塵濃度在采煤機割煤塵源點附近疊加，回風巷濃度降低，但仍高于進風巷。采煤機區域順風割煤與逆風割煤時采煤機附近區域粉塵濃度均沿風流方向呈增加趨勢，在采煤機下風側出現全塵濃度最大值，逆風割煤時全塵濃度大于順風割煤。

2)以采煤機高效氣水霧化外噴霧為主要降塵措施，以轉載破碎機防塵和巷道全斷面氣水霧捕塵為輔助降塵措施，提出了基于氣水霧化的采煤工作面多塵源聯控降塵技術。

3)研制了平均粒徑分布在23～42μm范圍內的氣水霧化裝置，設計了轉載破碎機及全斷面氣水噴霧裝置，分析了氣水噴嘴的霧化效果，得出了采煤機防砸式外噴霧噴頭最佳工藝參數為水壓0.4MPa，噴射流量4.1L/min，安裝角度與采煤機機身豎直方向成114°。

4)應用結果表明，采煤工作面多塵源聯控降塵技術降塵效果顯著，平均降塵率可達到80%以上。