高产高效综采面空间立体化雾化控除尘技术研究

张运国，朱伟

（枣庄矿业（集团）济宁七五煤业有限公司，山东 济宁 277699）

1 研究的目的意义

随着煤矿开采强度的不断增加且回采工艺机械化与自动化程度日益进步，井下作业现场的煤尘污染问题尤为突出。在不采取任何防尘措施的条件下，综采面最高产尘浓度可以达到8000mg/m3，远超煤矿安全规程规定的容许浓度，并严重威胁煤矿安全生产与矿工的身心健康。尘肺病是粉尘污染导致的主要职业危害，截至2020年，累计报告职业病病例101.1万余例，其中煤矿行业的尘肺病患病率占到全部人数的60%以上。经现场调研，七五煤业公司23上11综采面机械设备繁多，产尘作业工序复杂，致使现场采取的粉尘防治措施的不能取得预期效果，粉尘污染问题十分突出，已严重威胁了现场作业人员的身心健康与矿井的安全、高效生产。为从源头上缓解七五煤业公司23上11综采面的粉尘污染问题，本文提出了高产高效综采面空间立体化雾化控除尘技术，构建出针对七五煤业公司23上11综采面空间立体化雾化控除尘技术体系，有效降低了工作面综采现场的粉尘浓度，为煤矿采煤、运输、喷浆等作业环境的粉尘防治工作提供了重要借鉴。

2 总体技术路线

高产高效综采面空间立体化雾化控除尘技术采用理论分析、数值模拟、实验测定以及现场应用相结合的方法开展，具体技术路线如下。

（1）首先，在正常开采条件下采集粉尘样本，实验测定综采面多源粉尘的浓度、粒径、分散度、润湿性等，为数值模拟与实验研究提供基础数据支持，并从本质上阐释综采现场粉尘污染严重且防治困难的问题。

（2）其次，开展CFD数值模拟研究，明确综采面截割-移架作业时宏观粉尘团与细观颗粒流时空演化污染规律，为构建空间立体化雾化控除尘技术体系提供理论支撑。

（3）再次，通过对不同类型喷嘴在多因素扰动条件下的微雾化特性进行实验，优化了适用于采煤机区域和机架移动区域三维雾化除尘技术系统的高效喷嘴组件。

（4）最后，基于上述数值模拟与实验研究结果，构建23上11综采面空间立体化雾化控除尘技术体系并考察其实际控除尘效果。

3 主要研究内容及试验方法

3.1 综采面多源粉尘离散特征与理化特性实验研究

针对七五煤业公司23上11综采面多源粉尘的浓度、粒度、分散度、湿润性等参数进行测定与分析，为综采工作面宏观尘团和微观颗粒流的时空演化和污染规律的数值模拟研究，以及不同类型喷嘴在多因素扰动条件下的微观雾化特性的实验研究提供基础数据支持。

（1）粉尘粒度及分散度分析。在七五煤业公司3上211综采面正常生产的环境下，针对截割、移架等主要产尘区域的逸散粉尘进行采样，应用英国马尔文仪器有限公司生产的Mastersizer 3000E激光粒度分析仪和Winner99型显微颗粒图像分析仪对所采煤样粒度和分散度进行实验测定，并采用滤膜称重法确定不同产尘区域的粉尘浓度。

（2）粉尘湿润性分析。清水对粉尘的润湿边角（接触角）反应水分子与煤岩尘分子之间吸引力大小。润湿边角θ＜90°时，水容易在岩体表面铺展，粉尘易于润湿，润湿边角θ≥90°时，水难以在煤体表面铺展，粉尘不易润湿。项目应用了DSA100视频光学接触角测量仪对不同粉尘区域的粉尘湿润性进行测试。

（3）粉尘微观堆垛及分子结构分析。运用红外光谱、X-射线衍射、X射线光电子能谱、核磁共振等测试技术对3上211综采面多源粉尘的脂肪烃、芳香烃基团、羧基、羟基、矿物基团、微晶结构等微观理化结构参数进行分析，从微观层面确定了七五煤业公司3上211综采面粉尘润湿性的影响因素。

3.2 综采面宏观粉尘团与细观颗粒流时空演化污染规律研究

七五煤业公司23上11综采面中的主要产尘工序为采煤机截割与液压支架移架，而作业空间中运移的风流是致使粉尘逸散的主要媒介。将EULERIAN-EULERIAN模型和EULERIAN- LAGRANGIAN模型相结合，结合连续介质模型和粒子轨道模型的优点，建立了一个新的气相湍流和粒子相湍流的双流体数学模型。首先，在有限体积法的基础上，采用混合差分格式对偏微分方程进行离散化。然后，采用混合差分格式和基于并置网格的SIMPLE算法，数值求解了综采工作面气流场迁移和粉尘流场扩散的时空演化过程。

将23上11综采面的实际作业环境作为原型构建全尺寸、等比例的数值计算域，并建立新型气相湍流－颗粒相湍流的双流体数学模型，针对综采作业环境中截割-移架粉尘在工作面运移风流扰动条件下的时空演化过程以及其在截割湍流风诱导下的污染特性进行数值模拟，分析作业空间中的风流矢量、流动轨迹以及粉尘浓度、逸散轨迹的空间分布特性，明确了七五煤业公司23上11综采面截割-移架粉尘在作业空间中的时空演化规律，从而指导综采面空间立体化雾化控除尘技术的设计与实施。

图1 某综采面呼吸带高度粉尘浓度分布情况

3.3 多因素扰动条件下不同类型喷嘴细观雾化特性实验研究

通过调研各大煤矿企业普通采高综采(放)面、大采高综采(放)面以及超大采高综采(放)面普遍采用的各类型喷雾降尘喷嘴，在不同喷雾压力(2～10MPa)下进行雾化角、有效射程以及流量等宏观雾化特性，从中优选雾化角较大，有效射程较远且流量相对较小的喷嘴。基于自主研制的风流-雾滴-粉尘三相耦合测试平台，对优选喷嘴在风流、压力以及自身结构等因素扰动下的雾滴粒径-速度等细观雾化特性与喷雾降尘效率进行实验测定。

通过分析多因素扰动条件下不同类型喷嘴细观雾化特性实验结果，研究不同类型喷嘴喷雾压力、流量，雾化粒度、速度以及喷雾降尘效率的对应关系，揭示了雾滴有效捕尘的宏、细观雾化参数标准，为七五煤业公司3上211综采面不同尘源作业区域降尘喷嘴的理论依据。

3.4 采煤机区域空间立体化雾化控除尘技术与装备研究

针对七五煤业公司3上211综采面，基于数值模拟与实验测定的研究结果，研发了综采面空间立体化雾化控除尘技术。该技术通过新型水动力湿式除尘器、采煤机摇臂环绕复合喷嘴喷雾器构建采煤机区域空间立体化雾化控除尘技术体系，形成水雾幕，以密封切割和移动灰尘的扩散空间，并抑制其迁移到框架前部和人行道等有人值守的工作空间。

为构建采煤机区域空间立体化雾化控除尘技术体系，研发了新型采煤机水动力湿式除尘器与复合喷嘴喷雾器。项目采煤机顺、逆风截割部各安设一台新型水动力除尘器，采用高强磁体固定，现场需提供2路压力≥4MPa，流量≥30L/min的喷雾水源。水除尘器在动力作用下产生的高密度、颗粒大小的风和水雾幕封闭了切割粉尘的逃逸空间，并使雾滴和尘粒在雾化的封闭空间中反复冷凝，捕获高浓度的尘团。

图2 采煤机区域空间立体化雾化控除尘技术工艺现场布置示意图

同时，研发的采煤机复合喷嘴喷雾器，能够有效捕集截割垮落产生的粉尘及滚筒转动扬起的浮尘，阻碍其向工作面空间逸散。采煤机前后滚筒处各安设三个复合喷嘴喷雾器，分别使用强力磁铁固定，其中喷雾器1布置在摇臂根部采煤机机身上部，靠近煤壁侧，向靠近煤壁滚筒一侧方向喷射，用于降低煤体垮落产生的粉尘；喷雾器2布置在采煤机机身前部，向远离煤壁滚筒侧喷射，用于阻碍因滚筒截割湍流风造成的截割粉尘逸散；喷雾器3布置在采煤机摇臂根部，向滚筒下侧喷射，可实现对采煤机滚筒扬起的粉尘有效抑制，阻碍其向人行道扩散。

3.5 液压支架区域空间立体化雾化控除尘技术与装备研究

针对七五煤业公司3上211综采面，为构建液压支架区域空间立体化雾化控除尘技术体系，项目研发了液压支架负压卷吸除尘器、全断面雾化引射喷雾器，并设计尘源自动跟踪喷雾的实操方法。

我们开发了一种负压线圈吸入式除尘器，用于液压支架区域的封闭雾化，该除尘器使用强磁体安装在液压支架的顶梁上。沿偶数液压支架（单机）的中心对中心方向布置四套负压盘管吸尘器，间距约300mm。左右两组在高度方向上的距离约为500mm，喷雾方向与煤壁成30°～45°向采空区方向。它形成的多级水雾可以有效抑制切割和框架移动产生的灰尘逃逸到人行道空间，并实现对滞留在人行道区域的悬浮灰尘的有效抽吸。同时，它具有弱喷水减少灰尘的优点。

同时，研发全断面雾化引射喷雾降尘装置，项目沿工作面通风方向，间隔两架负压卷吸除尘器组安装一架全断面雾化引射喷雾降尘装置（即每三架支架除尘器构成一个循环，包括两架负压卷吸除尘器、一架全断面雾化引射喷雾降尘装置），通过强力磁铁作为固定元件将其固定于液压支架顶梁，其内部布设3个喷射方向不同的喷嘴，雾化范围可覆盖工作面煤壁至液压支架立柱间的中上部空间，可有效降低工作面粉尘浓度并吸入人行道处粉尘。

基于采面现有自动控制系统，优化设计尘源自动跟踪喷雾的实操方法。顺风截割作业时采煤区域以前后滚筒为参考依据，对于前滚筒区域，支架喷雾开启滚筒中心下风侧的第1、3、5架；对于后滚筒区域，支架喷雾开启滚筒中心下风侧的第1架和上风侧的第1、3架。移架时以当前移架位置为参考依据，支架喷雾开启移架位置下风侧的第1、3架。逆风割煤时，开启方式同理。

4 主要研究成果

（1）煤尘的基本物理和化学特性，如粒度、粒度分布和润湿性，煤尘的基础空气动力学特性，如重力沉降和布朗运动，水射流的基本理论，如自由射流和冲击射流，以及液滴雾化和尘雾凝结的影响，对其进行了理论分析和研究，揭示了煤尘在空气中迁移的基本动力学理论和喷雾降尘机理，构建了空间三维雾化降尘技术体系的理论基础。

（2）基于Eulerian-Lagrangian坐标系的可实现Realizable k-ε模型和DPM模型阐明了气流流线轨迹、气流矢量速度和偏移速度的分布模式，揭示了切割湍流风对气流传输特性的扰动效应；比较分析了切割湍流风合流前后煤尘颗粒轨迹的分布规律和煤尘浓度分布规律的差异，确定了切割湍流对煤尘污染特性的扰动作用。

（3）基于相位多普勒激光干涉仪喷雾模拟实验平台，测试了15种喷嘴在多因素扰动下的喷雾特性。通过对不同喷雾压力下喷嘴喷雾角度、有效范围和流量等宏观参数的测量，确定了不同类型喷嘴的基本雾化特性，并选择了适合综采工作面喷雾降尘的喷嘴；在模拟工作面实际风速的实验条件下，测量了基于宏观参数选择的喷嘴液滴尺寸和速度等微观参数，阐明了不同类型喷嘴在气流扰动下的液滴尺寸及速度分布规律。

（4）基于数值模拟和实验研究的结果，提出了一种综采工作面三维雾化抑尘技术。在多因素扰动下喷嘴雾化特性实验的基础上，对采煤机和液压支架的喷嘴类型和喷嘴布局进行了优化和改进；我们采用正交实验、对比实验和数值模拟等方法，开发了负压盘管吸尘器及其在应用现场的布局；通过传动元件的比较和选择，对喷雾组喷嘴的类型和布局、采煤机液压湿式除尘器及其在应用现场的布局进行了研究和设计。

5 研究应用效果

通过在七五煤业公司3上211工作面开展综采面空间立体化雾化控除尘技术研究应用，不仅降低了综采工作面现场粉尘的危险性，确保了矿井的安全生产，而且提高了矿工的劳动生产率和职业安全健康程度，为矿井的生产接续提供了保证。为此，全矿新增原煤产量约8.8万t，新增产值约6200万元，新增利税2200万元。建立了可靠、有效和经济的矿井综合防尘技术系统，为公司节约大量矿工个体防护、尘肺病治疗、防尘管理和技术专项资金70万元。同时，实现了综采面粉尘污染的高效控除，从而保障矿工生命健康，满足我国煤炭智能-绿色-安全开采对粉尘防治的迫切需求，为推动煤炭行业粉尘治理技术进步起到了典范作用，社会效益巨大。