喷雾降尘技术在煤矿井下的应用研究

秦国乐

（同煤集团永定庄煤矿， 山西 大同 037024）

引言

由于煤炭开采环境恶劣，煤矿企业以及作业人员面临的透水事故、瓦斯爆炸等安全风险越来越多。除此之外，一线作业人员长期性地吸入煤炭颗粒粉尘容易造成尘肺病[1]，通过资料调查分析，可知尘肺病在煤炭行业的发病率居第一位。此外，煤炭粉尘在空气中漂浮，容易附着在机械设备上面，在机器运转过程中容易将粉尘带入，造成机械设备的磨损以及各类精密仪器损坏[2]。更为严重的是，矿井粉尘在矿井巷道内漂浮形成一定浓度，遇火花易引发爆炸，造成严重的安全生产事故。因此，应采用切实有效的降尘技术应用于开采作业过程当中，使煤炭粉尘浓度数值保持在安全范围内，保障一线作业人员的健康安全，确保煤矿企业生产效率高效[3]。通过实地走访和查阅相关资料，设计出高速射水负压降尘喷雾装置应用于现场作业，通过现场试验表明，该装置降尘范围广、降尘效果优异，并且能够在开采面形成水雾墙阻挡粉尘漫延。

1 粉尘扩散规律分析

1.1 粉尘来源

整个煤炭开采及运输工作包含有五个工序，包括落煤、放煤、移架、装煤和运煤。每一个工序的作业机制均不相同，通过对现场观察调研，煤炭粉尘的产生主要来自于开采、运输和锚喷等工序环节，其中在开采煤炭时所产生的粉尘量最大，可以占到整个矿井产生粉尘量的85%以上[4]。因此对开采工序进行优化，减小粉尘来源。

1.2 粉尘凝聚机理

粉尘在空气扩散运动过程中受到物理或者化学作用下会改变自身状态，当粉尘粒子再受到物理或者化学作用进行相互接触，融合之后就会形成更大的颗粒，这种现象叫做粒子的凝聚。当粒子颗粒变大之后，就有利于对粉尘粒子进行处理。因此可利用粉尘粒子的该机理属性开展降尘工作，提高对微细粒子的捕集效率。

1.3 粉尘分布规律

为了解粉尘分布规律，采用专业矿井粉尘采样器放置于矿井各个关键部位及工序，对扩散后的粉尘浓度进行采集分析。通过对某地矿井的进风巷、司机处、割煤处、回风巷、破碎机处等位置的煤炭粉尘浓度进行采集，并分析其各个部位的全尘浓度和呼尘浓度，其中在司机处、割煤和移架等工序处的粉尘浓度较高[5]，最高的地方为司机处，最低浓度位置在回风巷。虽然回风巷的粉尘浓度有所降低，但仍然不满足行业标准，会对一线作业人员的身体造成危害。具体浓度分析如图1 所示。

图1 开采工作面粉尘浓度示意图

如图1 可以看出，矿井虽然启用了支架喷雾系统，但是对于作业面的各个位置降尘没有达到预期的效果，通过专业粉尘设备的测量指明了降尘技术装置合理应用范围，为开发研究专业除尘装置提供了依据。

2 降尘技术及装置设计

2.1 应用现场概况

某地煤矿8242 工作面为本次的研究现场试验基地，该工作面的标高为-142.35～-194.01 m。整个工作面的延长长度为1 339 m，具有倾向的长度为188.05 m，揭露的煤层两极厚度为1.40～3.80 m，平均的煤层厚度为2.62 m，煤层结构简单，直接顶为再生顶板，为上分层回采冒落后形成的再生顶板，胶结松散易冒落。该矿井的地层瓦斯浓度较低，但是在煤层容易发生自燃现象，煤矿粉尘的爆炸指数为39.22%[6]。

2.2 割煤工序产生粉尘扩散机理

煤矿企业常采用滚筒式采煤机对煤炭层进行开采，通过采煤机上的叶片高速旋转与煤炭进行接触并发生切割作用，在切割的时候会有一定的排风量，对周围的粉尘产生扰动。在滚筒采煤机的高速旋转作用下会加剧粉尘在空气中的弥漫。由于旋转处产生的风量运动场不均匀，并且风速较大会造成粉尘向矿道内人行道加速扩散，此外在滚筒附近也会产生涡流。

2.3 负压降尘机理

负压降尘装置是通过水雾从喷口高速射出，在局部形成速度不连贯的作用面，周围的空气在高速喷雾的作用下失去了原有的状态而形成涡旋。涡旋可以带动粉尘不断由内向外进行运动，形成内外两个不稳定的作用混合层。当喷雾的水珠与悬浮在空气中的煤炭颗粒进行结合时就会以另一种状态进行沉降，从而达到降尘除尘的效果。

通过将连续喷射的粉尘颗粒与喷雾进行不断喷出结合，在喷口喷射的方向形成了负压效果，达到不断连续降尘的效果，具体原理图如图2 所示。

图2 负压降尘机理示意图

2.4 负压除尘装置设计

根据上述除尘原理分析并结合粉尘浓度最高的三个位置来设计负压除尘装置，使其可通过喷射形成水雾墙来阻挡粉尘的漫延。负压除尘装置的关键设计步骤应首先设定装置的吸风量，选取为85 m3/min；其次应考虑装置喷嘴的喷射方向及装置喷嘴的数量，根据实际情况设计5 个喷嘴并装配1 个喷管，直接喷向滚筒采煤机与煤层接触部位，具体设计示意图如图3 所示。

图3 高速负压降尘装置设计示意图

3 负压喷雾除尘效果对比分析

将研制出的负压喷雾除尘装置在工作面进行安装，对巷道内全尘浓度及呼吸性粉尘浓度两个数据进行对比分析，判断负压喷雾除尘装置的有效性，如图4、图5 所示。

图4 安装负压除尘装置使用前后全尘浓度对比分析图

图5 安装负压除尘装置使用前后呼吸性粉尘浓度对比分析图

1）从喷雾除尘装置安装前后的工作面粉尘分布情况对比来看，所设计的喷雾除尘装置安装使用后，在割煤过程中，人行道、溜槽沿程的粉尘浓度均有所下降，且效果明显。采煤过程中采煤机附近降尘率能达到70%～85%左右，全尘的降尘率高于呼尘的降尘率，说明所设计的装置在一定程度上降低了综采工作面的粉尘浓度，并能够在采煤机摇臂与刮板运输机之间形成“水雾墙”，阻止粉尘向人行道扩散的效果，保护综采工作面作业人员的工作环境。

2）通过对工作面各个测试点的对比分析表明，所设计的喷雾除尘装置，在很大程度上抑制了滚筒位置处的扬尘，滚筒前方的粉尘浓度也明显降低；沿程各个测点的粉尘浓度均有所下降，特别是采煤机司机处粉尘下降尤为明显。

4 结语

目前，针对于矿井粉尘浓度下降的技术措施还存在一定的缺陷，通过对某煤矿工作面粉尘浓度分布规律及粉尘扩散规律的研究，设计出了一种高速负压喷雾降尘技术的装置，并在煤矿中开展现场试验，确保实际应用效果的真实性。试验结果表明该装置能有效降低粉尘浓度，并在全尘浓度及呼吸性粉尘浓度两个数据指标方面有较好的体现。高速负压喷雾降尘装置可以通过形成“水雾墙”的方式，阻隔煤炭粉尘向四周进行无规律的扩散，保障了煤炭开采过程中的安全性。高速负压喷雾降尘装置的研制为煤矿降尘技术装置的研发提供了思路。