晶鑫煤业3220运输顺槽掘进工作面喷雾降尘技术应用研究

宋伟峰

（山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司，山西 晋城048100）

1 工程概况

山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司3220工作面位于井田西南部，工作面主要开采3#煤层，煤层均厚5.65m，平均倾角为2°，煤层内部不含夹层，煤层上方伪顶为泥岩，均厚为0.59m，直接顶为细砂岩，均厚为8.1m，基本顶为粗砂岩，均厚为27.8m，底板岩层为泥岩。3220运输顺槽采用综掘掘进工艺，巷道断面为梯形，净宽×净高=3.9（3.3）×2.6m，巷道支护采用工字钢架棚支护，棚距为0.8m，巷道主要为3220工作面提供进风和运煤服务。

根据矿井地质资料可知，3#煤层为低灰～中灰、特低硫、特高热值的无烟煤，煤层无煤尘爆炸性，现为优化3220运输顺槽掘进期间的作业环境，在巷道掘进期间采用喷雾降尘技术，特进行运输顺槽掘进期间喷雾降尘系统的设计。

2 喷雾降尘机理

当含有粉尘的气体流过液滴时，此时粉尘颗粒会吸附于液滴上形成雾团，进而其在自重应力的作用下而出现沉降。根据众多理论研究和工程实践结果表明[1-2]，喷雾降尘的主要机理为粉尘与液滴之间出现惯性碰撞、重力沉降、扩散捕集和接触捕集，具体水雾颗粒与粉尘颗粒相对运动示意图如图1所示。

图1 水雾颗粒与粉尘颗粒相对运动示意图

惯性碰撞和重力沉降为含有粉尘的气体流经雾滴时，其与雾滴发生碰撞，由于润湿后的粉尘自身重力会大幅增加，在自身重力作用下会出现沉降；扩散捕集为微细粉尘（直径小于5μm）随着气流运动时，粉尘在气体流体的扩散作用下被流场内的液滴所捕获；接触捕集为粉尘颗粒所处的流场轨迹与液滴表面的距离相对于粉尘粒径的来说较小时，此时液滴便会对粉尘进行捕捉进而沉降下来。

当具有一定喷雾能力的水流经喷嘴时，喷嘴散发出来的水流会呈现为发散状态，经喷嘴散发出来的水流会与空气形成相互作用，使得水滴在一定的空间区域内密集分布形成水雾；流出喷嘴的水流可划分为两个区域，分别为有效作用区和衰减区；其中在有效作用区内，雾粒被以较高的速度喷出，此时水流颗粒的自身重力不会对其产生影响；衰减区内，由于雾粒速度的降低，雾粒会逐渐沉降。当采用较高压力的喷嘴时水流从喷嘴中高速射出，会在很短的距离上分散成雾粒，并形成一股气流，在水压和气流的作用下使得射流中的雾粒会继续运动，进而有效的增大水流雾化区域和喷雾所能达到的区域。

在进行高压喷雾时，影响喷雾降尘效果的主要因素有雾粒大小及分散性、尘粒与雾粒的相对速度、喷雾水量、喷雾水质和粉尘的湿润性，具体各个影响因素的对高压喷雾影响的具体机理如下：

1）雾粒大小及分散性：根据相关理论研究与工程实践结果表明[3-4]，当粉尘颗粒的粒径与雾粒的粒径相近时，此时喷雾降尘的效果较好，具体粉尘最小粒度的计算公式为：

式中：ρ为粉尘的密度；ν为气流的速度；K为比例系数；D为雾滴直径；n为空气的黏度系数。

当高压喷雾系统采用恒压供水时，雾粒在空气中存在的时间的表达式为：

式中：p为湿空气的压力；p0为雾粒蒸汽的压力；d0为喷嘴的直径；P1为水压，其余符号的含义同上。

2）尘粒与雾粒的相对速度：当雾粒的运动速度较高时，此时尘粒的运动速度也相对较高，便会使得尘粒与雾粒发生碰撞时产生的动量便会越大，其产生的冲击能够利于尘粒克服水表面的张力，进而利于尘粒湿润被捕获。根据众多试验研究得出，在雾粒运动速度为20～30m/s时，此时雾粒的降尘效率较高。

3）喷雾水量：喷雾降尘作业时，喷雾降尘的效率会随着喷雾水量的增大而逐渐增大，合理的设置喷雾水量也能提升降尘效率。

4）喷雾水质：喷雾水质较差时，会使得水的黏性变差，形成的雾粒中的液滴相应增大，从而降低捕尘效率。

5）粉尘的润湿性：当粉尘的润湿性较差时，此时液滴与尘粒碰撞后会出现一定程度的反弹，致使粉尘不易被雾粒捕获，另一方面若粉尘润湿性较差，此时粉尘表面会形成一层薄膜，使得尘粒的湿润较为困难。

3 降尘系统设计与效果分析

3.1 喷雾降尘系统设计

掘进机喷雾降尘：本次掘进机上的喷雾装置为油压与水压的转换装置，该装置主要包括液压水泵、液压油路控制阀组、2级精密水质过滤器和旋流式雾化喷嘴，具体装置示意图如图1所示。该装置能够通过液压油驱动液压水泵，能够获得高压水，该装置内的液压油在液压泵内部进行循环，因此该装置在缺水的情况依据能够正常运转，另一方面该液压水泵本身具有一定的冷却功能，故装置在液压油的温度不会在装置运转期间出现大幅升高的现象，该装置的各项参数如表1所示。

图1 掘进机高压油转换示意图

表1 喷雾系统技术指标参数

皮带机喷雾降尘：为防止掘进出的破碎煤岩体在皮带输送机上运输时产生大量的煤尘，现设置在皮带输送机上方60cm处设置喷雾水管，并在水管上每间隔5m设置一处横向水管，每个横向水管上安设3个雾化喷头，喷雾水管与供水管路相连，通过在掘进头处设置挡板的方式进行喷雾系统的启动与关闭装置，当皮带机开始输送时，此时煤岩体会与挡板发生碰撞进而会启动喷雾，若煤岩体致使挡板被抬起的幅度越大其喷雾量也会逐渐增大，其系统简单实用，具体皮带输送机的喷雾降尘系统设置如图2所示。

图2 皮带输送机喷雾降尘系统设计示意图

巷内喷雾降尘系统：在滞后掘进头10m的位置处设置粉尘传感器和弧形喷雾架，并将粉尘传感器与弧形喷雾装置相连接，当粉尘含量超出300mg/m3时，即启动弧形喷雾架进行自动喷雾，当粉尘浓度降低至300mg/m3以下时，即可关闭喷雾装置，进而保障巷道掘进头产生的粉尘不会持续的在巷道内部进行扩散与蔓延，具体巷内自动喷雾降尘装置如图3所示。

图3 巷内自动喷雾降尘装置示意图

图4 抑尘剂配比添加装置示意图

喷雾装置中添加抑尘剂：上述所有的喷雾系统均与抑尘剂添加装置相连接，具体抑尘剂添加装置如图4所示。抑尘剂能够提升尘粒与雾粒的亲和力，有效促进尘粒沉降，本次抑尘剂的掺量为3‰。

3.2 效果分析

为分析3220运输顺槽掘进工作面喷雾降尘系统的效果，现分别在喷雾防尘系统实施前后在掘进工作面掘进及司机处、刮板转载点处、运输转载点处进行全尘与呼尘的测试作业，根据测试结果能够得出喷雾降尘系统实施前后全尘和呼尘浓度数据见表2。

表2 喷雾系统实施前后各个区域粉尘含量测试数据表

分析表2可知，3220运输顺槽掘进工作面在采用喷雾系统后，各个区域的降尘率均达到了80%以上，其中在运输转载点处的降尘率最高，其全尘与呼尘的降尘率分别为83.7%和82.7%，据此可知喷雾系统降尘效果显著。

4 结论

根据3220运输顺槽掘进工作面的具体特征，通过分析喷雾降尘机理，确定了影响喷雾降尘效果的主要因素，基于理论结果进行掘进工作面喷雾降尘系统的设计，降尘系统由喷雾机喷雾+皮带机喷雾+巷内喷雾组成，并在喷雾系统中添加抑尘剂添加装置。根据喷雾系统实施前后的粉尘浓度测试可知，喷雾系统降尘效果显著，有效优化了掘进工作面的作业环境。