基于气水雾化的采煤工作面多尘源联控降尘技术研究

司俊鸿，邵意添，霍小泉，赵法森，侯佳音，李泽荃

(1.华北科技学院 应急技术与管理学院，北京 101601；2.陕西陕煤铜川矿业有限公司，陕西 铜川 727000；3.中国国际工程咨询有限公司，北京 100048；4.华北科技学院 经济管理学院，北京 101601)

矿井生产性粉尘是威胁井下作业人员安全健康的重要因素之一。我国煤矿265万接尘人员中，每年新增尘肺病5.7万人，死亡6000余人[1]。井下采掘工作面、转载破碎机等是主要的产尘点，采煤工作面作为主要的工作空间，具有产尘量大、空间范围较大、工作人员密集等特点，随着矿井综合机械化开采技术的发展，采煤工作面粉尘浓度超限问题更加突出[2]，频繁引发尘肺病、职业中毒和煤尘爆炸等事故[3，4]。井下常用的防降尘技术包括煤层注水、通风除尘、除尘器除尘、喷雾降尘和化学泡沫抑尘等[5-7]，各技术均有优缺点。然而，喷雾降尘技术因其操作简单、成本适中等优势被广泛使用。针对喷雾降尘的研究目前多局限在单一尘源降尘技术方面，对于多尘源条件下粉尘扩散规律的研究较少[8-20]。论文以玉华煤矿柴家沟井42222采煤工作面为研究对象，研究采煤工作面多尘源点粉尘扩散规律，在气水雾化技术研究的基础上，提出采煤机高效气水雾化外喷雾、转载破碎机防尘和巷道全断面气水雾捕尘的多尘源联控降尘技术，为采煤工作面粉尘防治提供技术保障。

1 测定工作面概况

玉华煤矿柴家沟井为低瓦斯矿井，相对涌出量为6.5m3/t，绝对涌出量为12.17m3/min。矿井总回风量3966m3/min，采用中央分列式“两进一回”通风方式，抽出式通风方法。柴家沟井42222工作面倾向长度165m，开采4-2煤层，煤层厚度3.60～13.60m，为 Ⅰ 类易自燃煤层，自然发火期3～6个月，最短自然发火期为28d。煤尘具有爆炸性，火焰长度大于400mm，抑制煤尘爆炸最低岩粉量为85%。4-2煤层全水分含量占比为5.15%，大于4%，为不可注水煤层，采用综合机械化放顶煤开采工艺，倾斜走向长壁后退式采煤方法，全部垮落法管理顶板。主要开采设备参数见表1。

表1 工作面主要开采设备

2 采煤工作面粉尘扩散规律实测分析

2.1 测点布置

为了研究各区域粉尘浓度分布情况，在采煤工作面布置6个测点，对测点位置的全尘和呼尘浓度进行采样分析。其中，全尘是总粉尘，常指粒径在1mm以下的所有尘粒，可以进入整个呼吸道，包括鼻、咽、喉、胸腔支气管、细支气管和肺泡的大粉尘。呼吸性粉尘(简称“呼尘”)指的是粒径在5μm以下、能进入人体肺泡区的颗粒物，是导致尘肺病的病因。以工作面进风巷端口为0点，测点A和测点B分别布置在270m和770m处，测点D在采煤机上风侧(1335m)，测点E在采煤机下风侧(1355m)，测点D和测点E均距机身中部10m，在转载破碎机入口布置测点C(1200m)，测点F布置在2500m处，测点布置如图1所示。

图1 测点布置(m)

此外，割煤过程中产生的粉尘是采煤工作面粉尘防治的重点，其尘源主要来自于采煤机截割碎煤、落煤破碎及其与气流碰撞产生的粉尘。在采煤机附近60m范围内布置7个测点对该区域粉尘浓度进行测定，测点布置如图1所示，其中，测点4位于采煤机机身中部，顺风(逆风)割煤时测点3为采煤机后(前)滚筒处，测点5为采煤机前(后)滚筒。以测点4为原点，测点1和测点2分别距原点30m和10m。测点6与测点2以及测点7与测点1以原点为中心对称布置。

2.2 测试方法及仪器

测试方法为质量法，其工作原理是利用干燥滤膜在采样前后的质量增加量以及单位时间气体的体积流量，计算单位体积空气中粉尘的质量浓度，计算公式为：

式中，C为空气中粉尘质量浓度，mg/m3；m2为采样后滤膜质量，mg；m1为采样前滤膜质量，mg；Q为采样流量，L/min；t为采样时间，min。

测试仪器为矿用AKFC-92A型粉尘采样器，采样流量设定20L/min，时间间隔为5min，测点高度约1.5m，基本保持在人体呼吸带高度，配套使用全尘式预捕集器(全尘采样头)测定全尘，呼吸性粉尘测定配套使用冲击式预捕集器(呼尘采样头)，各测点均测定全尘和呼尘浓度，并进行3次测试，计算均值。为避免在矿井工作面实测时大颗粒粉尘进入滤膜干扰测试结果，入矿前预先在呼尘采样头前端均匀涂抹硅油。采样时采样头进风口与风源相对，且应保证每次称重前后在相同条件下烘干滤膜。

2.3 采煤工作面沿程粉尘扩散规律

实测得出42222工作面沿程粉尘浓度的变化曲线，如图2所示。由图2可知，采煤工作面粉尘浓度呈现先增大后减小的趋势，采煤机工作区域粉尘浓度急剧上升，转载点浓度较采煤机区域低。采煤工作面尘源点主要是转载尘源点和采煤机割煤尘源点，新鲜风从进风巷流入，回风巷流出，风流先经过转载尘源点而后经过采煤机割煤尘源点，在采煤机割煤尘源点粉尘浓度叠加。此外，进风巷尘量较小，回风巷里粉尘与风流充分混合，浓度降低，但其浓度高于进风巷。因此，应重点关注采煤机区域粉尘浓度分布规律。

图2 采煤工作面粉尘浓度分布

2.4 采煤机区域粉尘浓度分布规律

采煤机顺风割煤与逆风割煤时60m范围内粉尘浓度分布如图3所示。由图3可知，采煤机进行割煤作业时，前滚筒和后滚筒区域的粉尘浓度较大。采煤机机身在割煤过程中占据巷道空间，风流从机身上部区域绕流，采煤机上部和前后滚筒间风速较大，落煤撞击破碎与巷道风流冲击，扰动了粉尘浓度场和风流场的稳定性，不利于粉尘颗粒沉降。

图3 采煤机区域粉尘浓度分布

顺风割煤时，沿风流方向粉尘浓度总体呈增加趋势，与逆风割煤粉尘浓度分布规律基本一致。在采煤机下风侧10m出现全尘浓度最大值，逆风割煤时全尘浓度均值为615.6mg/m3，大于顺风割煤时的全尘浓度均值579.4mg/m3，且顺风割煤时前滚筒区域产尘量较大，全尘浓度上升较快。呼尘浓度虽比全尘浓度小，但整体变化趋势趋于一致，且变化幅度小于全尘浓度。

采煤机区域有前滚筒尘源点和后滚筒尘源点两个尘源点，风流每经过1个尘源点，粉尘浓度均明显增加。因此，粉尘浓度在尘源点存在叠加效应，防降尘过程中必须采用单点和多点尘源联控措施。

3 采煤工作面多尘源联控降尘技术

采煤机区域和转载破碎机区域是采煤工作面两个主要产尘区域。以采煤机高效气水雾化外喷雾为主要降尘措施，以转载破碎机防尘和巷道全断面气水雾捕尘为辅助降尘措施，提出了基于气水雾化的采煤工作面多尘源联控降尘技术。

3.1 气水喷雾装置参数优化

喷雾降尘效果与出口滴液的粒径密切相关，在相同流量下，液滴直径越小越有利于捕获粉尘。选用压力扇形喷嘴，研制了平均粒径分布在23～42μm范围内的气水雾化装置。喷嘴基本参数为：扇形喷嘴，扇面角度60°，雾谱范围10～50μm，有效射程1.2～1.5m，适宜水压不小于0.3MPa，适宜气压不小于0.3MPa。

转载破碎机处安装多组气水喷雾装置，单组气水喷雾装置如图4所示，巷道中安装全断面气水喷雾装置，由多组喷嘴构成水雾保护屏障，捕捉巷道风流中携带的粉尘，如图5所示。风水调节阀调节喷嘴的出水量，可以增大雾化效果，减小水雾水滴粒径，提高气水喷雾装置的降尘效率，净化矿井空气，其耗水量为4～5L/min，耗风量为0.3～0.4m3/min。此外，配套安装红外热感应启停器、反冲洗水质过滤器及压风过滤器，实现自动控制。

图4 破碎机单组气水喷雾(mm)

图5 巷道全断面喷雾(mm)

3.2 采煤机防砸式外喷雾参数优化

采煤机防砸式外喷雾由防护网、固定孔、接水口和广角喷头组成，如图6所示。5个不锈钢广角喷头嵌入防护网内，采用阵列式分布，分别连接主进水口。结构件均采用厚底为10mm的钢板浇筑，作为喷雾设施的外层保护，阻挡大重量煤块撞击，表面经防腐处理，喷涂两边底漆三遍面漆。采煤机正常工作时，输出信号至水阀，水阀自动放水，二次负压降尘。当采煤机停止工作时，水阀自动关闭，防砸喷雾设施停止喷水。

图6 采煤机防砸式外喷雾设计(mm)

利用小型柱塞泵模拟井下水压，在地面进行采煤机防砸外喷雾的喷射覆盖范围试验，选择最佳工艺参数。现场试验测试数据见表2。结果表明，与采煤机机身竖直方向成114°安置防砸式外喷雾喷头，水压0.4MPa，喷射流量4.1L/min。

表2 测试数据

4 效果检验

在柴家沟井42222工作面采煤机机身与悬臂附近安设采煤机防砸式外喷雾，在转载破碎机区域安装3组气水喷雾装置，在进风巷道250m和750m处以及回风巷道150m处分别安装1组全断面气水喷雾装置辅助降尘，如图7所示，并分别配有反冲洗水质过滤器1台，压风过滤器1台。

多尘源联控降尘技术应用前后，采煤工作面沿程粉尘浓度测试数据见表3。由表3可知，所设计的喷雾降尘系统安装使用后，进回风巷道、转载点附近以及采煤机区域粉尘浓度显著降低，其中转载点附近全尘和呼尘浓度分别由258.0mg/m3和85.7mg/m3降低至32.4mg/m3和9.2mg/m3，全尘降尘率为87.44%，呼尘降尘率为89.26%；采煤机下风侧10m处全尘和呼尘浓度分别由555.3mg/m3和192.6mg/m3降低到74.4mg/m3和21.9mg/m3，全尘降尘率为86.60%，呼尘降尘率为88.63%。采煤工作面多尘源联控降尘技术具有良好的降尘效果，降尘率均在80%以上。

表3 多尘源联控降尘技术使用前后浓度测试数据

5 结 论

1)42222采煤工作面沿程粉尘浓度及采煤机区域粉尘浓度实测结果显示，采煤机工作区域粉尘浓度急剧上升，转载点浓度次之，粉尘浓度在采煤机割煤尘源点附近叠加，回风巷浓度降低，但仍高于进风巷。采煤机区域顺风割煤与逆风割煤时采煤机附近区域粉尘浓度均沿风流方向呈增加趋势，在采煤机下风侧出现全尘浓度最大值，逆风割煤时全尘浓度大于顺风割煤。

2)以采煤机高效气水雾化外喷雾为主要降尘措施，以转载破碎机防尘和巷道全断面气水雾捕尘为辅助降尘措施，提出了基于气水雾化的采煤工作面多尘源联控降尘技术。

3)研制了平均粒径分布在23～42μm范围内的气水雾化装置，设计了转载破碎机及全断面气水喷雾装置，分析了气水喷嘴的雾化效果，得出了采煤机防砸式外喷雾喷头最佳工艺参数为水压0.4MPa，喷射流量4.1L/min，安装角度与采煤机机身竖直方向成114°。

4)应用结果表明，采煤工作面多尘源联控降尘技术降尘效果显著，平均降尘率可达到80%以上。