高压喷雾技术在矿井粉尘治理中应用

张 超，路 园

(1晋能控股集团 王家岭煤业有限公司，山西 忻州 036600； 2晋能控股集团 泰山隆安煤业有限公司，山西 忻州 036600)

采煤工作面是煤矿井下主要的产尘点，也是粉尘治理难度最高的区域。现常用的粉尘治理措施有煤层注水、泡沫除尘、喷雾除尘和负压二次降尘等，其中喷雾除尘工艺最为简单，在井下应用也最为广泛[1-2]。但是受到煤层物理性质以及煤炭开采技术影响，综采工作面生产时粉尘产生规律以及沉降规律有显著差异。已有研究成果表明，不同粒径粉尘有其对应的最佳喷雾雾粒粒径范围[3-4]。矿井井下使用的喷雾降尘技术未能针对回采的煤层进行针对性改进，造成喷雾降尘效果不理想[5]。为此，文中以山西某矿3101综采工作面为工程实例，根据采面粉尘性质对高压喷雾技术参数进行优化，从而改善了采面生产环境。

1 工程概况

3101综采工作面位于矿井一采区北侧，除去采面东部为采区集中轨道、运输巷，其余三个方向均为实体煤。3号煤层埋深450 m，推进长度850 m、斜长150 m，厚度2.8 m、硬度0.95、倾角6°，煤层顶底板岩性为细砂岩、砂质泥岩。

采面采用U型通风方式，风量为1 115 m3/min，采用型号MG500/1180-WD采煤机割煤。采煤机回采时，虽然使用内外喷雾降尘，但是由于外喷雾压力较低(介于1.5～3.0 MPa)，喷雾雾化效果不佳，内喷雾常因喷嘴堵塞而不能正常使用。现场实测采煤机司机、采煤机下风侧10 m位置粉尘浓度最高值达到739.7 mg/m3、815.4 mg/m3，粉尘浓度分别为551.3 mg/m3、605.4 mg/m3，采面粉尘浓度较高。

2 3101综采工作面粉尘特性分析

在采煤机司机位置以及采煤机下风侧10 m位置布置测点分析粉尘粒径，发现两个位置粉尘粒径的分布规律基本一致，具体以采煤机位置获取到的粉尘粒径分布为例，对采面内粉尘特征进行分析。采面粉尘粒径占比见图1。

图1 采面粉尘粒径分布

从测试结果看出，采煤机正常割煤期间采煤司机位置粉尘粒径加权平均值为42.36 μm，粒径在50 μm以下的粉尘占比达到72.7%和呼吸性粉尘(粒径小于7.07 μm)占比为6.5%.

3 高压喷雾参数设计

3.1 最佳喷雾雾粒粒径确定

最佳喷雾范围应满足下述要求：①喷雾系统雾粒粒径与粉尘粒径分布接近；②喷雾粒径不应在短时间内挥发，以免失去降尘效果[6]。通过对3101综采工作面粉尘分布粒径测试发现，最有利于降低采面粉尘浓度的雾粒粒径平均值应在42.36 μm；为了有效降低采面呼吸性粉尘浓度，雾粒中粒径在7.07 μm以下的小粒径雾粒占比应接近6.5%.当雾粒粒径较小时，蒸发对雾粒降尘效果有明显影响，具体表现为小粒径雾粒虽然可与呼吸性粉尘结合，但是粉尘在沉降下落至巷道底板前小粒径雾粒即会蒸发，失去应有的降尘作用。

雾粒存在时间(t)可通过公式(1)计算：

t=10-4dk[1.064K(P0-P)]

(1)

式中：dk为雾粒粒径，μm；K为比例系数，无量纲；P0、P分别表示雾粒蒸汽压力、空气压力，Pa。

一般情况下3101综采工作面所处环境中，相对湿度一般为80%，所处环境温度一般为20 ℃，通过公式(1)计算得到，平均粒径为30 μm、50 μm、60 μm和70 μm的雾粒存在时间分别为7.1 s、11.8 s、14.2 s以及16.64 s。

粉尘随着采面风流而移动，具体运动过程十分复杂。已有研究表明，细粒粉尘在空气中运动时在竖向方向起初是加速运动，速度增加到一定值后粉尘会以该速度匀速移动，粉尘加速运动时间很短，一般在0.01 s以内。因此，在计算粉尘沉降耗时可忽略加速时间。粉尘匀速移动的速度Vt可通过公式(2)计算：

(2)

式中：dp为粉尘粒径，m；ρp为含有粉尘空气密度，kg/m3；ρ为空气密度，kg/m3；μ为黏性系数，m2/s；V为空气流动速度在竖向方向分量，m/s。

3101综采工作面回采的3号煤层厚度2.8 m，设定雾粒与粉尘在高度1.5～2.0 m处结合并开始沉降。将相关参数带入到公式(2)中，求得粉尘沉降耗时约为12.5～16.7 s。

考虑到3103综采工作面内粉尘粒径分布特征、不同粒径雾粒蒸发时间以及粉尘沉降耗时，确定采面高压喷雾时合理的雾粒粒径范围应在50～70 μm。

3.2 喷雾压力及喷嘴口径确定

高压喷嘴性能会直接影响喷雾效果以及雾粒粒径范围。喷雾粒径DW与喷嘴口径DP、喷雾压力PP关系为：

(3)

其中：Kb为比例系数，取值34 530；Pp为喷雾压力，MPa。

从式(3)看出，通过改变喷嘴口径DP、喷雾压力PP可得到满足现场需要的喷雾雾粒粒径。现阶段煤矿井下最为常用的高压喷嘴口径有1.0 mm、1.5 mm两种规格。根据公式(3)得到1.0 mm、1.5 mm两种喷雾口径在不同喷雾压力形成的雾粒变化曲线，具体见图2。

图2 1.0 mm、1.5 mm两种喷雾口径在不同 喷雾压力形成的雾粒变化曲线

从图2看出，在相同喷雾压力高压喷嘴形成的雾粒平均直径随着喷嘴口径减少而减少；同一口径喷嘴随着压力的增加喷雾雾粒直径呈减小趋势，其中压力在6～12 MPa间变化时，雾粒直径变化最为明显，之后随着压力增加，喷雾雾粒直径减小趋势逐渐趋缓。

3101综采工作面最佳的喷雾雾粒直径为50～70 μm，若使用1.5 mm喷嘴则需要喷雾压力以及流量会明显高出1.0 mm喷嘴。根据图2得出，喷雾压力为12 MPa时，1.0 mm口径喷嘴形成的雾粒平均直径为65 mm，1.5 mm口径喷嘴形成的雾粒平均直径为105 mm，若使得1.5 mm口径喷嘴形成的雾粒平均直径小于70 μm，则需要喷雾压力达到18 MPa。井下现有的高压喷雾设备喷雾压力虽然可达到18 MPa，但是高压喷雾设备能耗以及用水量会显著提升，经济效益不高。为此，矿井3101综采工作面选择1.0 mm口径喷嘴，喷雾压力设定为12 MPa。为了提高喷雾降尘效果，在采面布置独立的高压喷雾系统对喷嘴供水。

4 现场应用分析

将1.0 mm口径喷嘴应用到3101综采工作面采煤机外喷雾系统以及液压支架喷雾除尘系统上，喷雾系统水压为12 MPa。采面正常生产时风速为1.5 m/s，采煤机外喷雾喷嘴形成的水雾受到采面风流影响较小，绝大多数水雾可达到采煤机截割部，采煤形成的粉尘显著降低；采煤机回采时，上下两侧各5架支架上的高压喷雾系统开启，降低了风流中的粉尘浓度。

在采煤机司机位置以及采煤机下风侧10 m位置，对采取高压喷雾降尘技术后的粉尘浓度进行测定，具体见图3。

图3 高压喷雾应用前后采面各位置粉尘浓度测定结果

从图3看出，在3101综采工作面应用高压喷雾除尘技术后，采煤机司机位置、采煤机下风口10 m位置处，粉尘浓度分别降低至85.6 mg/m3、102.3 mg/m3，粉尘浓度降低幅度分别为84.5%、83.1%，取得显著的粉尘治理效果。

5 结 语

1) 根据3101综采工作面实际情况，采用理论分析方法对喷雾系统最佳喷雾粒径、最佳喷雾压力以及喷嘴口径等进行确定，最终发现喷雾雾粒在60～70 μm时可起到较好的降尘效果，高压喷雾系统采取12 MPa喷雾压力以及1.0 m喷嘴口径形成的喷雾粒径可满足采面喷雾降尘需要。

2) 在采煤机以及液压支架机载均采用高压喷雾技术，现场应用后采煤机以及采煤机下风口10 m位置测定粉尘浓度分别降低至85.6 mg/m3、102.3 mg/m3，粉尘浓度较采面原除尘措施时分别降低84.5%、83.1%，除尘效果显著。