综采工作面高压雾化降尘技术研究与应用

摘要：为了解决常规喷雾降尘降尘效果有限的问题，基于对高压雾化过程的分析，结合喷雾降尘捕尘机理，对综采工作面高压雾化降尘技术进行了研究，最终确定了旋转压力式喷嘴在8MPa压力下雾化效果较好。通过在赛尔三矿A4007工作面现场应用后发现，高压雾化降尘较常规喷雾降尘的降尘率高20%以上，工作面粉尘浓度明显降低。

关键词：常规喷雾；高压雾化；捕尘机理；压力式喷嘴

中图分类号：TD714 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）06-0114-03

矿井粉尘是煤矿生产过程中的五大灾害之一，粉尘主要危害表现在两个方面：一是煤尘具有可燃性，可使高浓度煤尘瞬间发生爆炸性燃烧，继而引起煤尘爆炸，如果在高瓦斯矿井及在瓦斯富集区，煤尘爆炸还可能引起瓦斯爆炸，形成煤尘瓦斯爆炸，造成严重的煤矿安全生产事故；二是高浓度的粉尘，尤其是呼吸性粉尘（一般将粒径小于5μm的粉尘视为呼吸性粉尘），可穿透肺泡，产生粉尘沉积，使肺部发生病理改变，出现不同程度的弥漫性间质纤维化，造成尘肺病。因此为保证煤矿企业安全生产及煤矿职工的身心健康，亟需对井下粉尘进行治理。然而，目前大部分煤矿使用的常规的喷雾降尘技术降尘效果有限，因此，本文对高压雾化降尘技术进行了研究，以期降低工作面粉尘浓度，改善工作面条件。

1 赛尔三矿A4007工作面概况

赛尔三矿A400工作面布置在三矿+700水平东翼采区A4煤层第四个工作面，开采位置：上限+775.3m水平、下限+718.7m水平。地面为戈壁沙滩，无任何建筑物。工作面东邻井田边界，西邻东翼轨道上山、南邻井田未开采区，北为A4005采空区。A4煤层位于下侏罗统八道湾上段下部，根据掘进期间观测煤层厚度变化在2.35m-2.45m之间，平均厚度为2.4m，煤层厚度变化不大。据其发育程度，该煤层应属全区可采的较稳定中厚煤层。煤层倾角14°～16°，平均15°。A4007工作面运输巷掘进到556米遇见断层，经公司有关部门和领导现场会审决定沿断层走向开切眼，A4007工作面回风巷掘进至580米处开始做工作面切眼。该工作面实际长度为568米，切眼长160m。

根据工作面设计、地质条件及生产技术条件，确定A4007工作面采用走向长壁综合机械化采煤法回采，全部垮落法管理顶板。工作面布置MG160/375-WDl型可调高双滚筒采煤机沿工作面双向割煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤。由于采煤机功率较大，工作面回采期间产尘量大，煤机割煤时尤为突出，造成工作面生产时可见度低，劳动卫生条件较差。此外，经乌鲁木齐煤安采矿专用设备测试技术服务有限公司鉴定发现，A4煤爆炸性实验火焰长度≥600mm，具有爆炸性。所以，工作面回采过程中需做好防尘工作。

2 高压雾化过程分析

喷雾降尘是惯性碰撞、截留、布朗扩散、静电和重力等多种机理综合作用的结果，如图1所示。

图1 雾滴捕集粉尘的机理示意图

而液体雾化过程实际上就是将连续的液体介质分散形成细小液滴的过程。随着人们对高压喷雾雾化过程认识的加深，依据气体在高压雾化过程中所起的作用，将此雾化过程分为两个阶段，分为初次破碎和二次破碎两个阶段。

高压喷雾时，产生的高速射流在离开喷嘴的过程中，受到空气阻力的作用，由于射流高压作用产生强湍流，并在喷嘴射流端部及喷雾近喷嘴部分产生大量空穴气泡（如图2所示），气泡的发展、溃灭以及强湍流导致液体不再稳定而进行了初次破碎。普遍认为是由于液体和气体相互作用引起液体表面不稳定波的增长而导致射流的初次破碎。

图2 初次破碎示意图

高速射流液体自身湍流运动效应及空穴气泡溃灭带来的能量为液体初次破碎带来了能量，提供了高速液体初次破碎的表面能，并产生了径向速度分量，引起喷口处射流的迅速扩散，而且在湍流中拥有了能量足够大的空穴气泡，使液滴能在运动中摆脱表面张力的影响，脱离连续的液体相，形成大量的液滴或液丝。

二次破碎是初次破碎产生的液滴在空气动力作用下减速、变形和破碎的过程，发生在气液混合区，初次破碎形成的高速液滴，与气体间存在较高的相对速度，在空气动力和液滴表面张力相互作用下，发生变形破碎，分裂形成更小的液滴，液体颗粒的尺寸通常在几微米到几百微米。它直接影响到最终雾化液滴的尺寸分布。

3 高压雾化降尘技术设计

目前，在煤矿现场应用较多的喷嘴为压力转化型喷嘴及旋转压力式喷嘴，试验研究表明，喷嘴的雾化质量主要取决于喷嘴的转化原理和结构。压力转化型雾化喷嘴的压力水转化成喷雾水仅有一次转化过程，故也称为一次雾化型喷嘴。这类型喷嘴的雾化效果一般不是十分理想。而旋转压力式喷嘴的雾化质量分布比较均匀，流量大且雾化角也大。喷雾通量在雾锥中心处最大，随着压力增大，邻近雾锥中心的区域喷雾通量变大，在雾锥边缘处喷雾通量变小。根据大量实验数据及类似煤矿现场调研，结合赛尔三矿高压雾化降尘对喷嘴的要求，喷嘴采用旋转压力式喷嘴。

综合考虑喷嘴直径、喷雾压力、喷射流量的参数对喷嘴雾化效果的影响，在实验室条件下对各项参数进行测定，结果表明，选用喷嘴直径为1.2mm，雾化类型为含X形导流芯混合式，雾流形状为实心圆锥形的不锈钢压力式喷嘴，在喷雾压力为5Mpa压力下时，D0.1为17.432?m、D0.5为37.619?m、D0.9为61.826?m，主要粒径分布在17.432?m～61.826?m，是最适合用于采煤机外喷雾及支架喷雾的喷嘴。

根据A4007工作面实际情况，对A4007工作面高压喷雾降尘系统进行设计。将采煤机外喷雾及支架喷雾所用更换为所选定喷嘴。由于高压喷雾需水压较大，设计在A4007工作面布置2台BPW250/6.3型高压喷雾泵，其中1台备用。由于工作面条件限制，设计将高压喷雾泵距工作面大概150m进风巷内。采煤机割煤时开启喷雾降尘装置，其中内喷雾压力不得小于2MPa，外喷雾压力及支架喷雾压力不得小于5MPa，喷雾要覆盖全滚筒。工作面停水或喷雾装置损坏时必须停止生产。endprint

4 现场应用效果分析

为检验高压雾化降尘应用效果，在A4007工作面布置粉尘测点，对不使用任何降尘措施情况下的粉尘浓度、使用改进之前的喷雾系统后的粉尘浓度以及使用高压雾化降尘系统后的粉尘浓度进行测定，测定结果如表1所示。

由上表数据可以看出，A4007工作面在不使用任何降尘措施条件下，各测点粉尘浓度较大，其中落煤处粉尘浓度最高，可达509.13mg/m-3，移架次之，为423.72mg/m-3，司机处粉尘浓度为177.35mg/m-3，高浓度粉尘对采煤机司机以及移架工影响较大。使用原有喷雾降尘措施式，各测点粉尘浓度有所降低，其中呼吸性粉尘平均降尘率为65.32%，全尘平均降尘率为68.32%，工作面卫生条件有所改善。使用高压喷雾降尘技术后，各测点粉尘浓度有明显降低，其中采煤机司机处粉尘浓度降到10.48mg/m-3，开启高压喷雾后呼吸性粉尘平均降尘率为87.84%，全尘平均降尘率为88.71%，较之前采用的喷雾降尘系统降尘率提高20%以上，工作面卫生条件明显改善。

5 结语

通过对高压雾化过程的分析，得出喷雾降尘是惯性碰撞、截留、布朗扩散、静电和重力等多种机理综合作用的结果，明确了高压雾化过程存在两个阶段，即初次破碎和二次破碎两个阶段。在此基础上，对赛尔三矿A4007工作面高压雾化降尘技术进行了设计，最终选定了雾化效果较好的喷嘴及喷雾压力。通过在A4007工作面现场应用后发现，使用高压雾化降尘技术后，工作面粉尘浓度明显降低，平均降尘率达85%以上，较A4007之前采用的喷雾降尘系统降尘率提高20%以上，改善了工作环境，保证了工作面矿工的身心健康。

参考文献

[1] 时训先.煤矿综采工作面防尘技术研究现状及趋势

[J].中国安全生产科学技术，2005，1（1）：

12-14.

[2] 刘毅.综采工作面粉尘运动规律及高压喷雾降尘技

术的研究[D].北京：北京科技大学，2005.

[3] 曹建明.喷雾学研究的国际进展[J].长安大学学

报自然科学版，2005，25（1）：82-87.

[4] 卫生部.工作场所空气中粉尘测定第三部分：粉尘

分散度（GBZ/T192.3-2007）[S].北京：中国标

准出版社，2007.

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[6] 李高峰.综采工作面高效喷雾降尘技术研究[D].

西安：西安科技大学，2010.

[7] 刘毅，蒋仲安，蔡卫.综采工作面粉尘运动规律的

数值模拟[J].北京科技大学学报，2007，29

（4）：321-323.

作者简介：李其明（1972—），江苏泗阳人，徐矿集团新疆赛尔能源有限责任公司生产技术部副部长，采矿助理工程师，研究方向：矿井通风管理。endprint

4 现场应用效果分析

为检验高压雾化降尘应用效果，在A4007工作面布置粉尘测点，对不使用任何降尘措施情况下的粉尘浓度、使用改进之前的喷雾系统后的粉尘浓度以及使用高压雾化降尘系统后的粉尘浓度进行测定，测定结果如表1所示。

由上表数据可以看出，A4007工作面在不使用任何降尘措施条件下，各测点粉尘浓度较大，其中落煤处粉尘浓度最高，可达509.13mg/m-3，移架次之，为423.72mg/m-3，司机处粉尘浓度为177.35mg/m-3，高浓度粉尘对采煤机司机以及移架工影响较大。使用原有喷雾降尘措施式，各测点粉尘浓度有所降低，其中呼吸性粉尘平均降尘率为65.32%，全尘平均降尘率为68.32%，工作面卫生条件有所改善。使用高压喷雾降尘技术后，各测点粉尘浓度有明显降低，其中采煤机司机处粉尘浓度降到10.48mg/m-3，开启高压喷雾后呼吸性粉尘平均降尘率为87.84%，全尘平均降尘率为88.71%，较之前采用的喷雾降尘系统降尘率提高20%以上，工作面卫生条件明显改善。

5 结语

通过对高压雾化过程的分析，得出喷雾降尘是惯性碰撞、截留、布朗扩散、静电和重力等多种机理综合作用的结果，明确了高压雾化过程存在两个阶段，即初次破碎和二次破碎两个阶段。在此基础上，对赛尔三矿A4007工作面高压雾化降尘技术进行了设计，最终选定了雾化效果较好的喷嘴及喷雾压力。通过在A4007工作面现场应用后发现，使用高压雾化降尘技术后，工作面粉尘浓度明显降低，平均降尘率达85%以上，较A4007之前采用的喷雾降尘系统降尘率提高20%以上，改善了工作环境，保证了工作面矿工的身心健康。

参考文献

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作者简介：李其明（1972—），江苏泗阳人，徐矿集团新疆赛尔能源有限责任公司生产技术部副部长，采矿助理工程师，研究方向：矿井通风管理。endprint

4 现场应用效果分析

为检验高压雾化降尘应用效果，在A4007工作面布置粉尘测点，对不使用任何降尘措施情况下的粉尘浓度、使用改进之前的喷雾系统后的粉尘浓度以及使用高压雾化降尘系统后的粉尘浓度进行测定，测定结果如表1所示。

由上表数据可以看出，A4007工作面在不使用任何降尘措施条件下，各测点粉尘浓度较大，其中落煤处粉尘浓度最高，可达509.13mg/m-3，移架次之，为423.72mg/m-3，司机处粉尘浓度为177.35mg/m-3，高浓度粉尘对采煤机司机以及移架工影响较大。使用原有喷雾降尘措施式，各测点粉尘浓度有所降低，其中呼吸性粉尘平均降尘率为65.32%，全尘平均降尘率为68.32%，工作面卫生条件有所改善。使用高压喷雾降尘技术后，各测点粉尘浓度有明显降低，其中采煤机司机处粉尘浓度降到10.48mg/m-3，开启高压喷雾后呼吸性粉尘平均降尘率为87.84%，全尘平均降尘率为88.71%，较之前采用的喷雾降尘系统降尘率提高20%以上，工作面卫生条件明显改善。

5 结语

通过对高压雾化过程的分析，得出喷雾降尘是惯性碰撞、截留、布朗扩散、静电和重力等多种机理综合作用的结果，明确了高压雾化过程存在两个阶段，即初次破碎和二次破碎两个阶段。在此基础上，对赛尔三矿A4007工作面高压雾化降尘技术进行了设计，最终选定了雾化效果较好的喷嘴及喷雾压力。通过在A4007工作面现场应用后发现，使用高压雾化降尘技术后，工作面粉尘浓度明显降低，平均降尘率达85%以上，较A4007之前采用的喷雾降尘系统降尘率提高20%以上，改善了工作环境，保证了工作面矿工的身心健康。

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作者简介：李其明（1972—），江苏泗阳人，徐矿集团新疆赛尔能源有限责任公司生产技术部副部长，采矿助理工程师，研究方向：矿井通风管理。endprint