杨柳煤矿干雾抑尘装备研制及现场应用研究

2020-09-02郜光辉

山东煤炭科技 2020年8期

丁尧张生郜光辉

（淮北矿业集团杨柳煤业有限公司，安徽淮北 235119）

煤矿开采过程中产生的粉尘对人体健康危害极大，尤其是粒径小于7.07μm 的呼吸性粉尘，其分散度高，粒径小，比表面积大，吸附能力强，不易沉降，在气流的扰动下，长期悬浮于空气中。这类粉尘被作业人员吸入肺中时绝大部分会滞留在肺泡中，进而引发尘肺病。淮北矿业集团杨柳煤矿的主要产尘源包括综采工作面采煤机割煤、降柱移架、煤炭破碎，掘进工作面综掘机割煤、落煤、爆破落岩，以及运输过程中皮带运输和转载等，产尘量大，严重危害井下的工作环境和作业人员的身体健康。目前虽已采取了一定的粉尘防治措施，但对于呼吸性粉尘仍难以起到较好的防治效果。

湿式除尘是煤矿井下经济有效的除尘手段之一，但是传统湿式除尘技术存在阻力大、能耗高且对呼吸性粉尘除尘效率较低的缺点。干雾抑尘技术作为一种新型湿式除尘技术，其原理是利用超声雾化喷嘴产生粒径与呼吸性粉尘颗粒粒径相近的微小雾滴，当水雾颗粒直径在10μm以下，达到干雾级别时，会很容易捕捉到空气中飘散的呼吸性粉尘，通过相互结合，粒子体积和质量逐渐增大，最终在重力的影响下实现沉降，从而达到除尘目的。

为解决粉尘问题，本文结合杨柳煤矿的现场实际情况，研制适用于井下主要产尘源的干雾抑尘装备，进而大幅降低粉尘浓度，并为该技术在煤矿领域的推广应用提供重要依据和经验借鉴。

1 杨柳煤矿干雾抑尘装备研制

结合杨柳煤矿现场实际情况，采取模块化设计的原则研制出了适于井下的干雾抑尘装备。该装备主要由水气净化模块以及干雾发生模块组成，具体包括水源处理器、气源处理器、干雾发生器、喷嘴以及连接管路等部分。

1.1 水气净化模块

水气净化模块主要由水源处理器以及气源处理器两部分组成。

水源处理器具有两级过滤的功能。一级水源处理器主要选择800目的不锈钢滤网作为水源的一级过滤材料，经双层叠加使用，主要过滤水质中的较大颗粒物质。经一级过滤后水内颗粒物直径可下降至10μm以下，之后接水源二级处理装置，可将水中颗粒物降到5μm以下。水源一、二级处理器均具有反冲洗功能，并且可对单一部件进行拆卸维护，提高了其耐用性。

气源处理器与水源处理器具有相似的设计，均为两级过滤结构。气源的过滤精度将颗粒物大小控制在8μm以下。此外，由于井上、井下温度与压力的差异性，压风中的水蒸气会变为液体水，影响喷雾效果，因此气源处理器加装了气液分离处理功能。

为提高水气净化模块的便捷性，研发装备控制柜将水源处理器和气源处理器进行集成处理，如图1所示。采用不锈钢柜体，气、水源处理器间采用镀锌不锈钢DN15钢管硬连接，控制柜进气、进水口设置耐压闸阀，用气可调节气、水压力比。控制柜内部设置有气、水压力表，量程大于井下风压、水压最大值，满足现场应用需求。

图1 水气净化模块控制柜实物图

1.2 干雾发生模块

干雾发生模块主要由干雾发生器以及干雾喷嘴两部分组成。如图2所示。

干雾发生器的主要功能是确定喷雾位置、安装喷嘴、布设气、水管路以及设置干雾喷射角度。干雾发生器内气路、水路布设采用并列式双排布设，如图2（a）所示。主管路采用12mm气管，支路采用8mm气管，采用三通快接接头。每支路接喷嘴少于10只，以减少气-水压力损失。干雾发生器根据井下不同产尘源的实际情况进行优化设计。

干雾抑尘装备的核心在于干雾喷嘴。本文选用如图2（b）所示的气-水联动超声雾化喷嘴。其内部结构分别为气动雾芯、气水分流腔，采用304不锈钢材料，进水、进气采用8mm内丝快接。为提高高压气体对水体的破碎效果，在喷嘴出口5mm处增设气、水共振腔，使气体对一次破碎后的雾滴进行二次振动冲击，以增加雾化效果。

图2 干雾发生模块实物图

2 干雾抑尘装备井下现场应用

为进一步研究干雾抑尘装备对井下煤尘的抑制性能，本文选取杨柳煤矿综掘煤巷、转载点以及回风巷作为主要应用地点开展现场试验，验证干雾抑尘装备的现场应用效果。

2.1 综掘煤巷干雾抑尘装备现场应用

综掘煤巷的现场试验地点选在杨柳煤矿1074机巷。干雾抑尘装备具体放置位置及监测点如图3所示。本次试验采用CCZ-1000直读式粉尘浓度测定仪（滤膜式），单次测试时间3min，测试后装入采样袋，带到地面在100℃干燥箱中恒温干燥2h，采用称重方式对其浓度进行换算。为提高测试准确性，所有测点均测定两次，时间间隔1h。

图3 1074机巷干雾抑尘装备放置位置及监测点布置

测试结果如表1所示。由表可知，干雾具有较大的飘散性，距离水幕帘越远，其抑尘效果越显著，抑尘率由测点2处的62.11%，提高到了测点3处的83.75%。经过观察可知，煤巷掘进风速与云雾飘散速度匹配度良好，喷雾对巷道内清晰度影响较小。

表1 干雾抑尘装备抑尘率现场测试表

2.2 转载点干雾抑尘装备现场应用

选取杨柳煤矿井下1075工作面机巷二级皮带转载点以及皮带-溜煤眼的转载点为试验地点，分别设计研制了两套干雾抑尘装备进行现场应用。

1075 工作面机巷二级皮带转载点干雾抑尘装备由干雾抑尘装置、封闭木板、高压汽水管路、支撑铁架四部分组成。转载点位于上皮带和下皮带之间，将封闭木板安装在上皮带和下皮带之间，形成一个封闭空间，在下皮带机底部安装支撑铁架，将干雾抑尘装置放置在支撑铁架上。干雾抑尘装置由三组高压干雾喷头组成，每组三个，一组喷头朝向皮带机运动方向，两组喷头朝向封闭木板空间，形成对落尘的全方位湿润。由于干雾粒径可以达到10μm左右，且在封闭空间中可以让雾滴不断进行碰撞，不断对粉尘进行包裹，从而最大程度降低粉尘。

皮带-溜煤眼转载点的干雾抑尘系统由干雾抑尘装置、铁架、高压气、水管路、滤网四部分组成。该转载点的主要产尘位置是皮带溜向溜煤眼的区域以及落煤落进溜煤眼处，因此将两个矩形铁架十字交叉安装在溜煤眼上部，然后将干雾抑尘装置悬挂在铁架上，利用500目滤网对铁架进行包裹，只留出粉尘溜向溜煤眼的孔，即对溜煤眼的上部空间进行封闭，提高干雾除尘装置的除尘效率。干雾抑尘装置共设置三组高压干雾喷头，每组三个，一组喷头朝向皮带机运动方向，两组喷头朝向滤网封闭空间，在封闭空间中雾滴与粉尘充分接触，迅速凝结，形成对落尘的全方位沉降，最大限度降低溜煤眼转载点的粉尘危害。

通过测定1075工作面机巷二级转载点和皮带-溜煤眼转载点加入干雾抑尘装置前后的粉尘浓度变化，得到抑尘效果如表2所示。由表可知，1075工作面二级转载点的降尘效率为80.61%，溜煤眼转载点的降尘效率为82.05%，抑尘效果显著。

表2 转载点抑尘率现场测试表

2.3 回风巷干雾抑尘装备现场应用

《煤矿安全规程》第六百四十八条规定“井工煤矿采煤工作面回风巷应当安设风流净化水幕。”因此设计回风巷干雾抑尘装备为自动控制的全断面双层干雾水幕帘装置。该装置可根据粉尘浓度的高低自动开启喷雾，并在有人通过时自动关闭延时，然后自动重新开启工作，实现自动监测工作。将其安装在距离1075综采工作面上隅角50m处，通过实时监测水幕帘后的粉尘浓度，对比得出全断面双层干雾水幕帘在采煤工作面回风巷中的抑尘效果。

根据试验数据得出，由于杨柳矿长期利用密集顺层孔抽采瓦斯，致使煤体干燥，固而不开水幕帘时粉尘浓度在750 mg/m3左右，而开启水幕帘后粉尘浓度立刻降低，平均在180mg/m3，降低了3.9倍，抑尘效果显著。此外，通过现场应用发现，水气净化模块的应用使得喷嘴堵塞的几率大幅度降低，喷嘴堵塞现象和喷嘴报废现象均得到了很好的改善。