綜采工作面綜合防塵技術研究

劉鵬

（晉能控股集團 煤炭產業(yè)部，山西 太原 030000）

0 引 言

煤塵為煤礦五大自然災害之一，不但對礦井安全生產和機電設備產生負面影響，同時也對職工的身體健康造成嚴重威脅。我國目前已經普及綜合機械化采煤，綜采工作面在不采取任何防塵措施的情況下，回風流中粉塵質量濃度高達3 000 mg/m3[1-2]，嚴重影響礦井安全生產。目前我國煤礦主要采用的防塵措施包括主動降塵措施和被動降塵措施，其中采用水力除塵是目前最為常用和有效的除塵手段。煤礦采、掘、開作業(yè)往往采用濕式作業(yè)，并在回風流中設置除塵噴霧，就是為有效降低回風流中的粉塵濃度。但噴霧除塵效果受到水壓、噴霧形態(tài)、粉塵濃度和顆粒大小等多種因素控制[3-5]，因此，想要提高除塵效果，還需要對其進行技術優(yōu)化。基于此，本文以同發(fā)東周窯煤礦4106 綜采工作面為例，對噴霧降塵技術進行優(yōu)化，形成1 套行之有效的綜合防塵技術，取得良好的效果。

1 工作面概況

同發(fā)東周窯煤礦采用立井開拓，中央并列式通風，綜合機械化采煤工藝，走向長壁回采方法，全部垮落法管理頂板，礦井瓦斯等級為低瓦斯礦井。目前主采山4 號煤層，山4 號煤層為Ⅱ類易自燃煤層，煤塵具有爆炸危險性。井田內煤層整體為一單斜構造，傾向310°，傾角1°～4°，平均2.5°。山4 號煤層平均厚度為5.66 m，內生裂隙發(fā)育。煤層結構復雜，含夾矸1 ～5 層，最大厚度為0.93 m，夾矸巖性多為砂質泥巖、泥巖。頂底板情況見表1。

表1 山4 號煤層頂底板巖石情況Table 1 Mountain 4 coal seam roof and floor rock table

4106 工作面走向長度約1 150 m，傾斜長度220 m，平均埋深約525 m。工作面回采山4 號煤層，平均厚度6.01 m，普遍含夾矸2 層，局部含夾矸4 層，最大夾矸厚度0.73 m。山4 號煤層內生裂隙較發(fā)育，且普遍存在夾矸，在正常生產過程中產生的粉塵濃度較高且成分復雜。為對工作面生產過程中產生的粉塵進行有效治理，需采取綜合防塵技術。

2 噴霧降塵技術原理分析

2.1 文丘里式噴霧降塵原理

文丘里式噴霧降塵裝置，主要包含1 根文丘里管和高壓噴頭。其運行原理為在文丘里管的孔喉處安裝高壓噴頭，高壓噴頭由管內向外噴射噴霧，噴霧在管內部分受到管壁的約束，形成柱狀噴霧，柱狀噴霧稱為水霧活塞。水霧活塞能夠將管內空氣壓縮并向外推動，水霧在管外加速擴散，同時可以在管內形成真空，含有粉塵的空氣在負壓的作用下進入噴管，粉塵與水霧在噴管內反復碰撞并結合，形成高比重的濕潤粉塵，噴出管外后會快速沉降。噴出的噴霧在孔口也會形成負壓，帶動周邊攜裹粉塵的氣流運動，進一步促進水霧和粉塵的有效結合，提高噴霧降塵效果。文丘里式噴霧降塵原理如圖1所示。

圖1 文丘里式噴霧降塵原理Fig.1 Venturi spray dust principle

2.2 水射流卷吸機理文丘里式噴霧降塵原理

水流在高壓氣體的作用下噴出后，在速度間斷面上失穩(wěn)，從而形成渦流，在渦流作用的影響下，攜裹粉塵的氣流會不斷被吸入水霧中，水霧自內而外形成混合層，層內作紊流運動，則粉塵與霧滴會發(fā)生多次碰撞，實現降塵效果。水射流卷吸機理如圖2 所示。

圖2 水射流卷吸機理Fig.2 Mechanism of water jet entrainment

在水射流的密度高于空氣時，其為非淹沒性射流，噴口處動壓為：

式中：P 為噴口處動壓；V0為噴口速度；ρ0為射流密度。

非淹沒性射流各截面動壓特征如圖3 所示，其分布規(guī)律可由下式計算：

圖3 射流截面動壓分布規(guī)律Fig.3 Dynamic pressure distribution of jet cross section

式中：P 為截面任意點動壓；Pm為射流軸線上的動壓；Y 為任意點至射流軸線徑向距離；R 為射流截面半徑；K 為相關系數，試驗可知K=0.5。

則可計算射流各斷面任意點的動壓：

2.3 降塵噴霧設計關鍵

根據以上分析，噴霧降塵中水射流卷吸負壓對降塵效率影響顯著，特別是針對采煤機而言，混合噴射流能夠阻擋和吸收滾筒端面處產生的粉塵，因此為盡量提高除塵效果，應增加噴射端卷吸效果，則可以提高噴霧速度V、霧化率和液氣量，提高卷吸效果，最終提高噴霧除塵效率。

3 工作面綜合防塵技術方案

根據上述降塵技術原理分析，在4106 回采工作面綜采設備及支架設置噴霧降塵系統(tǒng)，并擇優(yōu)安裝擋塵簾，以降低生產性粉塵濃度。

（1） 采煤機噴霧。根據4106 回采工作面的生產情況，采煤機的吸塵噴霧裝置安裝于機體上下端頭電箱處和外側，共有高壓噴嘴4 個，噴射角度分別為上23°、上16°、水平、下25°，共用1 個吸塵口，噴霧壓力8 MPa，水量消耗約18 L/min，吸風量26.63 m3/min，孔口負壓-65 Pa，氣液比1.59，采煤機噴霧降塵裝置如圖4 所示。

圖4 采煤機噴霧降塵裝置Fig.4 Coal mining machine spray dust device

（2） 支架噴霧。

工作面回采過程中風流主要在工作空間中流動，綜采設備作業(yè)產生的粉塵和支架移架時產生的粉塵會在溜子道、行人道處混合，形成較高的粉塵濃度，為進一步降低粉塵濃度，對采煤機剩余粉塵和移架粉塵進行有效控制，需要在支架上安裝噴霧。支架噴霧主要由水管、吸塵管、噴嘴構成，水流通過高壓噴嘴噴射而出，在支架下方產生全斷面噴霧，每臺支架上均設置3 個直徑為2.4 mm 的噴嘴，噴嘴內設計X 形導流芯。除塵裝置設計有矩形吸塵口，規(guī)格0.1 m×0.1 m，可將攜裹粉塵的氣體由后部吸入，噴霧壓力為4 MPa，吸風量18.8 m3/min，支架噴霧裝置如圖5 所示。

圖5 支架噴霧裝置Fig.5 Bracket spray device

（3） 工作面擋風簾。

工作面生產過程中粉塵濃度高、粉塵粒徑懸殊、容易產生次生粉塵、影響范圍廣，在采用采煤機噴霧和支架噴霧后仍然存在較高粉塵，因此，在工作面設置濕式擋風簾。濕式擋風簾上的水受到網狀結構的張力可形成水膜，能夠有效增加捕塵效率。對4106 工作面各部位粉塵濃度進行測定，根據測定結果在工作面內共設計3 道濕式擋風簾，位置分別為146 架、96 架和56 架處。擋風簾包含水幕、捕塵網及卷簾軸，捕塵網規(guī)格8 m×4 m，濾網間距2 mm×2 mm，擋風簾下端距離底板約1 m。擋風簾結構和布置形式如圖6 所示。

圖6 工作面擋風簾結構與布置形式Fig.6 Structure and layout of wind curtain in working face

4 綜合防塵技術應用效果分析

為了對4106 工作面綜合除塵技術應用效果進行驗證，在采用綜合除塵系統(tǒng)前后分別在工作面的7 個重點區(qū)域對空氣中全塵和呼塵濃度進行監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖7 所示。

由圖7 可知，4106 工作面在應用綜合風塵裝置后，各重點區(qū)域的全塵及呼塵濃度均降低至20～50 mg/m3，全塵除塵效率高達92.03%，呼塵除塵效率高達91.12%，除塵效果較好。

圖7 綜合防塵系統(tǒng)應用前后粉塵濃度變化情況Fig.7 Changes of dust concentration before and after the application of comprehensive dust control system

5 結 語

傳統(tǒng)的噴霧降塵系統(tǒng)對粉塵的覆蓋和吸收效率較差，為提高除塵效果，根據文丘里式噴霧和水射流卷吸機理對工作面噴霧系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，設置采煤機噴霧+支架噴霧+工作面擋風簾的多點位、多形式綜合除塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用后除塵效果顯著，可在類似生產條件工作面進行推廣。