大倾角综放面尘源特性与抑尘引射除尘系统研究

姚锡文 鹿广利 许开立 李 兴

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819;2.山东科技大学资源与环境工程学院，山东 青岛 266590;3.神华国华寿光发电有限责任公司，山东 潍坊 252700)

大倾角综放面尘源特性与抑尘引射除尘系统研究

姚锡文1鹿广利2许开立1李 兴3

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819;2.山东科技大学资源与环境工程学院，山东 青岛 266590;3.神华国华寿光发电有限责任公司，山东 潍坊 252700)

考虑大倾角综放面生产条件复杂，采煤机产尘量大，放煤口处的粉尘易扩散，运用现场测试与实验分析相结合的方法对采煤机割煤时产尘量和粒径分布进行研究，对采煤机割煤工序浮尘量与落尘量进行了测算，设计了集抑尘、强化喷雾除尘和尘流控制的大倾角综放工作面采煤机抑尘引射除尘系统，并进行现场试验应用。结果表明：采煤机割煤时产生的粉尘近一半为浮尘，粉尘中位粒径为8.22 μm，呼吸性粉尘约占全尘的44.5%，应重点防治。采煤机抑尘引射除尘系统对呼吸性粉尘的除尘效率由原来的49.5%提高到了65.3%。通过在液压支架上安装喷雾喷嘴和引射除尘器，对全尘的除尘效率由69.4%提高到85.7%。该方法可为大倾角综放工作面放煤口位置处的粉尘防治提供参考。

综放工作面 粉尘 粒径分布 放煤 除尘

目前国内外煤矿井下粉尘控制技术主要有煤层注水、喷雾降尘、空气幕除尘、通风除尘、除尘器除尘、泡沫除尘等，这些技术对降低粉尘浓度起到了重要作用[1-5]。但是对于开采条件复杂的大倾角综放工作面，比较实际可行的防尘措施仍然是合理通风和以水防尘。采煤机割煤产尘量大、颗粒范围广，加之大倾角综放工作面采煤机道处的风速远高于架间及放煤道，导致采煤机产尘难沉降。存在主要问题是缺乏对复杂开采条件下尘源特性的研究，如对采煤机割煤产尘的粒径分布掌握不够；防尘方法与尘源特性和生产条件的适用性研究不够，主要尘源，如割煤、放煤的有效控尘技术尚不成熟；多数综放工作面放煤口的高浓度粉尘没有得到有效控制，喷雾降尘未能起到应有的作用效果[6-10]。

本研究以某煤矿大倾角综放工作面(煤层平均倾角20°～48°)为依托，分析了复杂条件下采煤机割煤产尘规律及粒度，设计了采煤机抑尘引射除尘系统，针对支架放顶煤粉尘防治设计了引射喷雾除尘器，并在现场进行试验应用。

1 大倾角综放面割煤尘源特性研究

为了全面描述大倾角综放工作面采煤机割煤尘源的产尘特性，提出了描述工作面尘源特性的整体特性指标和微观特性指标。整体特性指标包括产尘量和粉尘浓度分布等。尘源的微观性指标包括粉尘的粒径分布、比表面积、粉尘形状等。

1.1 割煤尘源整体特性研究

1.1.1 采煤机浮尘量的测算

研究提出了大倾角综放工作面采煤机浮尘量的测算方法：在采煤机上风侧和下风侧各取均匀断面，分别测定2断面处的平均粉尘浓度，再乘流过工作面的平均风量，即可得到2断面处的浮尘量，两者之差即为采煤机单位时间产生的浮尘量。

(1)

式中，Qdf为单位时间产生的浮尘量，mg/min；C1、C2分别为第1、2个断面的粉尘浓度，mg/m3；Q1、Q2分别为通过第1、2个断面的风量，m3/min；ΔC为2断面粉尘浓度之差，mg/m3；Q为平均风量，m3/min。

现场实测的2断面分别选择在采煤机上风侧5 m处和下风侧5 m处，每个断面测定4个点，4个采样点距离煤壁和底板的距离分别为1.5 m和0.5 m(测点1)、1.5 m和1.5 m(测点2)、1.5 m和2.0 m(测点3)、2.0 m和2.0 m(测点4)。采样使用AKFC-92A型矿用粉尘采样器和直径40 mm的有机滤膜，采样流量控制为20 L/min。测定结果如表1所示。

表1 采煤机浮尘量测定数据统计表Table 1 The floating dust statics data of coal winning machine

将2断面的平均粉尘浓度和风量代入式(1)，可得采煤机产生的浮尘量为899.9×103mg/min。

1.1.2 采煤机落尘量的测算

采煤机单位时间落尘量

(2)

式中，Qdl为单位时间落尘量，mg/min；ΔMd为筛下粉尘的质量，mg；M为样品总质量，kg；p为单位时间产煤量，kg/min。

(3)

式中，h为采煤机的采高，m；l为采煤机的截深，m；v为采煤机的牵引速度，m/min；ρm为煤的密度，kg/m3。

在现场采煤机附近适量取样，放入DZF-6050型真空干燥箱中干燥，称取1 kg干燥后的粉尘，然后过100目(孔径0.15 mm)的标准检验筛，测得筛下粉尘质量ΔMd=400 mg，由规程可知，采煤机正常割煤时采高h=2.6 m，截深l=0.6 m，牵引速度v=2 m/min，煤密度ρm=1 380 kg/m3。

将以上各参数代入式(2)和式(3)中，可得采煤机单位时间落尘量约为1 722.24×103mg/min。

1.2 割煤尘源的微观特性研究

利用Winner3001粒度测试仪对机道落煤尘样分析测试，由计算机得出不同粒径颗粒的体积频率分布和累计分布如图1所示。

图1 采煤机全尘的粒径分布结果汇总Fig.1 Summary results of particle size of coal winning machine1—不同粒径体积分布；2—累计分布

由图1可知，采煤机割煤时小于 7.1 μm的呼吸性粉尘约占全尘的44.5%；粉尘中位径为8.22 μm，且比表面积=16 636.66 cm2/cm3，数据偏大说明截割使煤的破碎程度高，在大倾角综放工作面条件下，采煤机产生近一半的粉尘是以浮尘形式存在。

2 采煤机抑尘引射除尘系统研究

2.1 采煤机抑尘引射除尘系统的构成

通过对前述采煤机割煤尘源的粒度分析可知，大倾角综放工作面呼吸性粉尘占的比重较大，是防尘重点。而由于采煤机一旦出厂，其内喷雾系统就无法改造，因此，改善采煤机喷雾系统的重点，应放在改进采煤机外喷雾系统上，为此在原有外喷雾系统的基础上优化设计适用于大倾角综放工作面的采煤机抑尘引射除尘系统，如图2所示。

图2 采煤机抑尘引射除尘系统Fig.2 Schematic diagram about drainage of jet dust removal system for coal winning machine1、2、3、4—采煤机内喷雾；5、6—抑尘喷雾；7、8—引射除尘装置

该系统是由抑尘部分和引射强化除尘部分组成。水雾从喷嘴喷出，沿引流喷射管高速运动在水雾锥后形成负压区，含尘气体不断被吸入引流喷射管内与水雾锥碰撞混合，粉尘在水雾中运动湿润被喷出后，很快失去悬浮能力而降落，从而实现降尘的目的，引流喷射除尘装置如图3所示。

图3 引流喷射除尘装置Fig.3 Schematic diagram of jet dust removal device

2.2 抑尘引射除尘系统的试验应用

采煤机抑尘引射除尘装置，分别安装在采煤机前后、滚筒附近。如图2所示，1、2、3、4为采煤机内喷雾系统，为采煤机原有设备；5、6为抑尘喷雾，安装在悬臂梁上，其作用是抑制采煤机后滚筒产尘以及将上风侧新鲜分流引向采煤机内侧；7、8为引射喷雾除尘装置，分别安装在采煤机上前后、滚筒附近，其作用是抑制采煤机前滚筒产尘，净化采煤机周围的含尘气流。采煤机割煤时，在现场工作面对该引射喷雾装置进行了试验应用，测试结果如表2所示。

表2 抑尘引射喷雾除尘系统试验结果Table 2 Test results of ejector spray device

由表2可知，在试验条件下，采用抑尘引射除尘系统之后，对呼吸性粉尘的除尘效率由原来的49.5%提高到了65.3%，对全尘的除尘效率由原来61.6%提高到了79.5%，除尘效果比较理想。

3 支架放顶煤粉尘防治

当前，放煤口的防尘措施主要还是喷雾降尘，从使用效果来看，普遍不理想。多数综放工作面放煤口的高浓度粉尘没有得到有效控制。液压支架放煤口处粉尘的治理需要更为有效的方法[11-12]。

结合综放工作面的大倾角的地质特点，采取引射喷雾除尘器与放煤板安装喷嘴喷雾相结合的方法以更好地降低放煤时的粉尘危害。

3.1 引射喷雾除尘器的构造及特点

本研究设计的引射喷雾除尘器包括喷嘴、引射筒、扩散器、吸尘罩4大部分，如图4所示。

图4 引射喷雾除尘器Fig.4 Ejector spray filter1—喷嘴； 2—支承圆筒； 3—引射筒；4—定位联接板；5—扩散器；6—吸尘罩

引射喷雾除尘器有以下优点： ①喷嘴喷雾后形成的负压使得放煤口飞起的粉尘进入捕尘装置腔体内，在与喷出的水雾共同飞出的过程中充分混合。②喷嘴朝向下风侧，喷出的水雾能够再次发挥作用，捕集经引射除尘后余下的放煤粉尘。③喷雾口朝向采空区方向，由于水雾的引射作用，空气中余下的粉尘将有一部分被引向采空区，然后吸附在采空区的矸石上。

3.2 引射喷雾除尘器安装位置的确定

将引射喷雾除尘器安装在后梁与底座之间的摆杆上，现场采用的是放煤梁收缩放煤，收缩时，后梁与底座之间的摆杆基本不动，且形成一个斜面，而除尘器刚好安装在这个斜面的下方，除尘器必须在倾斜摆杆的保护范围之内，引射除尘器安装位置如图5所示。

图5 引射除尘器安装位置Fig.5 Installation of ejector spray filter

3.3 引射喷雾除尘器在现场的应用

在大倾角综放工作面现场安装引射喷雾除尘器，并进行现场试验应用，得到优化前后对放顶煤产尘的降尘率对比见图6所示。

图6 优化前后降尘率对比Fig.6 Dust removal coefficient before and after optimization

从图6可以看出，采用引射喷雾除尘器之后，无论对于全尘还是呼吸性粉尘，除尘效率均有大幅提高，其中对呼吸性粉尘的除尘效率由原来的52.0%提高到了63.9%，对全尘的除尘效率由原来69.4%提高到了85.7%。

4 结 论

(1)对采煤机割煤时产生的浮尘量与落尘量进行了测算，并对采煤机割煤产尘的粒径分布进行分析，结果表明，采煤机割煤时粉尘中位径为8.22 μm，小于 7.1 μm的呼吸性粉尘占全尘的44.5%，呼吸性粉尘所占全尘的比重非常高，应重点防治。

(2)考虑大倾角综放工作面生产条件复杂，采煤机产尘量大，研究设计了集抑尘、强化喷雾除尘和尘流控制的大倾角综放工作面采煤机抑尘引射除尘系统，并在现场试验应用，降尘率明显提高。

(3)与传统的缓倾斜综放工作面相比，大倾角综放工作面放煤口的高浓度粉尘易扩散，采用引射喷雾除尘器与放煤板安装喷嘴喷雾相结合的方法，可以有效地控制放煤区粉尘向人员作业区扩散。该方法可为大倾角综放工作面放煤口处的粉尘防治工作提供参考依据。

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(责任编辑 石海林)

Research on Dust Source Characteristics and Suppression Ejector Systems in High Inclination-angle Fully Mechanized Caving Face

Yao Xiwen1Lu Guangli2Xu Kaili1Li Xing3

(1.SchoolofResources&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China；2.SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China；3.ShenhuaGuohuaShouguangPowerGenerationLimitedCorporation，Weifang252700，China)

In consideration of the fact that the production conditions of high inclination-angle fully mechanized caving face is complicated，coal winning machine produces a great quantity of dust，and the caving coal dust is easy to float in the sky.In combination of field measurement and experimental analysis，a research on dust producing quantity and particle size distribution was conducted on coal mining machine，and the floating dust amount and fall dust amount of coal winning machine are calculated by measuring in caving face.The suppression ejector systems in high inclination-angle fully mechanized caving face is designed，which can prevent dust from floating in the sky，strengthen the spray dusting and dust flow control.And then，it was applied to caving faces.The results showed that about half of dust produced by coal machine is floating dust with the dust median diameter of 8.22 μm，and the respirable dust accounted for 44.5% of all the dust.It should be focused on.The respirable dust collection efficiency with coal mining machine suppression ejector systems is improved from 49.5% to 65.3%.In combination of ejector spray filter and nozzle installation in hydraulic support，the whole dust collection efficiency is improved from 69.4% to 85.7%.This technique may provide a reference for the dust prevention in caving coal location of high inclination-angle fully mechanized caving face.

Fully mechanized caving face，Dust，Particle size distribution，Caving coal，Dust removal

2013-12-11

辽宁省自然科学基金项目(编号:2013020137)。

姚锡文(1987—)，男，博士研究生。

TD714

A

1001-1250(2014)-10-171-05