气水喷雾自动降尘装置的研发与应用

2023-09-14彭建辉

煤 2023年9期

彭建辉

(晋能控股煤业集团三元煤业,山西长治 046000)

在煤矿生产掘进过程中,采、掘、运各个工序都会产生大量粉尘[1-3]。随着采煤工作面推进速度的加快,在增加煤炭产量的同时加剧了矿井粉尘浓度高的问题,严重影响煤矿作业人员的生命安全。煤矿粉尘危害主要有两方面:一是对人体的危害,如果人的肺部长期吸入大量的粉尘,极其容易患尘肺病,尘肺病是目前危害较大的一种矿工职业病[4-5];二是煤尘爆炸危害,煤尘爆炸是煤矿的重大灾害之一,它严重威胁着矿井安全,尤其是半煤岩巷道和高突矿井,问题更加突出[6-8]。

长期以来,井下矿尘一直威胁着煤矿的安全和煤矿职工的身体健康[9-10],传统的喷雾是通过水压提供动力的,其喷雾距离短,喷雾覆盖面积小,并且喷雾雾化效果不好,且严重浪费了水资源,如果出现静压水压力不足或者串联现象严重时,喷雾经常出现出水不出雾现象,不能有效地降低空气中的浮尘[11-12]。另外,井下喷雾喷头在工作面静压水水质、煤岩尘、水和风的共同作用下,喷头锈蚀堵塞而不能进行喷雾,在碱性和酸性环境下,喷头腐蚀导致喷雾装置不能很好地雾化,加之井下环境潮湿,严重影响了喷雾降尘效果[13]。

针对上述问题,从“双碳目标”“生命至上、人民至上”角度出发,本文设计研制了一套新型喷雾降尘装置,有效降低了作业场所粉尘浓度,保障了安全生产,降低了尘肺病发病率增强煤矿抵御风险的能力,并为煤矿粉尘防治提供一定基础。

1 气水喷雾的研发

1.1 气水喷雾的捕尘原理

气水喷雾降尘装置是一种新型、高效、低能耗、喷雾距离远的自动喷雾降尘装置。主要原理是利用专用雾化喷嘴将高速的空气流和高压水进行气水混合雾化形成高压水,高压水将水雾化成微细小滴,形成比传统喷雾更细小的水雾,其喷射于空气中与浮尘碰撞接触,尘粒被水捕捉而附于水滴上或者湿润的尘粒互相凝集成大颗粒,从而加速其沉降,使之尽快变为落尘。这种水雾是一种可以漂浮移动的薄雾团,薄雾团在空中的滞留时间比传统的喷雾大大增加,增加水雾的降尘面积,对粉尘具有更好的吸附作用,从而达到最佳的降尘效果。另外,影响水滴捕尘效果的主要因素是水滴粒度。水滴小,在空气中分布密度就大,与矿尘接触机会就越多,捕尘效果就越好。

1.2 气水喷雾装置内部结构设计

设计的气水喷雾装置整体呈“H”型构造,为嘴状喷雾体,如图1所示。

图1 气水喷雾的内部原理图

设备带有连通前后端的进水通道和侧面连通前端的进风通道,喷雾体后端连接进水管,喷雾体前端连接喷雾芯,喷雾芯中部的出水通道与喷雾体的水通道连通,喷雾芯围绕出水通道周圈布有若干出气孔,出气孔与喷雾体的风通道连通,带有前喷口的喷雾头固定在喷雾芯前部,喷雾体侧面连接与喷雾体风通道连通的进风管。

设计的喷雾嘴较传统喷雾装置增加了喷雾装置出水口的动能,提高了雾化效果;并且喷雾距离远,水雾覆盖面更大,降尘效果好;同时,对水质要求不严,喷头出口不易堵塞;操作简单,移动方便。

1.3 气水喷雾装置外部连接设计

气水喷雾装置用于井下各采掘面和转载点处,设备在井下连接效果如图2所示,左侧显示为气水喷雾杆,右侧显示为进风与进气装置的连接示意。气水喷雾降尘装置由进气口、进水口、压风管、静压水管、气水雾化喷嘴、压风管三通、压风管弯头、静压水管弯头、静压水管三通、调节阀、分风器、气水喷雾杆等组成;进气口通过压风管、分风器、压风管弯头和压风管三通与气水雾化喷嘴的进气端口侧相连;而进水口通过静压水管、静压水管弯头和静压水管三通共同与气水雾化喷嘴的进水端口侧相连,并且与气水雾化喷嘴形成并联;压缩空气先由压风管输入,经气水雾化喷嘴喷出,同时静压水由进水管输入,经喷嘴口喷出,通过进水口与进气口的调节阀调节气水比,以气雾方式喷出。本装置具有耗水量小,雾化效果好,装置拆卸方便,降尘效率高等特点。

图2 气水喷雾的整体连接效果图

1.4 气水喷雾系统的设计

气水喷雾在井下投入使用后,需人工操作才能开启喷雾。为了使气水喷雾能自动操作,对气水喷雾进行自动降尘,将气水喷雾与大溜机头联动,实现大溜开则喷雾开的效果的同时加装红外感应,实现“人过”停喷,“人走”即开的最终效果。该系统分为两部分:一部分为井下粉尘监测设备、喷雾装置、控制设备、传输线路等;另一部分为地面设备及监测软件,包括数据采集接口、数据服务器、后备电源、管理工作站、监测监控软件等。该系统整体组成示意图如图3所示。

图3 气水喷雾整体系统图

图3显示的一套气水喷雾装置的主要关联设备为主控箱1台、电动球阀2台,根据适用场所不同配置相应的传感器,传感器负责采集大溜开机信号,其主要工作原理为当传感器探测到控制信号时,信号送入主控箱,主控箱先后控制高压风阀、高压水阀开启,将高压风、高压水输送到风水喷头进行喷雾降尘(风水喷头可对风水压力大小进行调整),喷雾工作至延时时间(延时可调)停止喷雾降尘;同时在巷道前后设置红外线传感器,当采集到“人过”信号时,即停止喷雾,当“人过”后,继续进行工作。

2 现场工业性试验

为了验证气水喷雾装置的实用性,选取山西晋能集团有限公司三元煤矿井下采掘工作面进行现场工业性试验。

2.1 煤矿概况介绍

三元煤矿隶属山西晋能集团有限公司,核定生产能力更改为2.2×106t/a.井田内可采煤层为3号、9号、14号、15号煤层,现采3号煤层为高瓦斯矿井,煤层厚度为7.18 m,开采深度为700～1 200 m.3号煤层吸氧量0.60 cm3/g,煤层自燃等级为Ⅲ,属不易自燃煤层。煤层煤尘爆炸火焰长度30 mm,抑制爆炸岩粉用量65%,煤尘具有爆炸性。针对矿井主采煤层煤尘具有爆炸性,煤尘爆炸指数高这一状况,采取了一系列综合防尘措施,但传统的降尘措施和设施都不能取得理想的降尘效果。

4306回采工作面东为四采区准备巷道,南为实体煤,西为矿井边界,北为4302采空区。该工作面有效推进长度为868 m,切眼长度为189 m.工作面回采期间绝对瓦斯涌出量为20.19 m3/min,风排瓦斯量为10.19 m3/min,抽采量为10 m3/min,相对瓦斯涌出量为4.72 m3/t.4306工作面采用“U”型通风,运输巷为进风巷、回风巷为回风巷。现采取的普通喷雾措施效果不理想。

2.2 气水喷雾试验结果分析

为了更好地验证气水喷雾装置的使用效果,分别选取三元煤业4306工作面气水喷雾安装后方5 m、10 m两个检测点,采用CC-20粉尘采样器检测气水喷雾装置打开与闭合情况下的粉尘浓度,结果如图4所示。

图4 气水喷雾装置打开闭合粉尘浓度监测结果

由图4可知,在工作面正常回采过程中未打开气水喷雾装置时(即仅使用液压支架架间喷雾及采煤机内外喷雾的前提下),监测的粉尘浓度均为228 mg/m3.而开启气水喷雾后,其粉尘浓度在装置后方5 m处降至67 mg/m3,降尘率达77%,粉尘浓度在装置后方10 m处降至13 mg/m3,降尘率达95%.由气水喷雾后5 m、10 m的监测结果可知,在气水喷雾装置10 m处的降尘效果最好,达到95%.