汾源5-1022综掘面喷雾降尘技术优化

韩 力

(山西焦煤霍州煤电霍源通新产业投资有限公司,山西 霍州 031400)

1 5-1022综掘工作面概况

汾源煤矿隶属于霍州煤电集团。矿井绝对瓦斯涌出量为1.45 m3/min、相对瓦斯涌出量为0.89 m3/t,工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.1 m3/min,属低瓦斯矿井。5-1022属于第5煤层,煤层倾角23°～27°,平均倾角25°,煤层所含节理发育。工作面总长780 m,其中包含长度为147 m的5-1022回风联巷和长633 m的5-1022巷道。回风联巷为矩形断面,长和高分别为3.2 m和2.9 m;5-1022巷道断面为面积为15 m2的梯形,上部宽3.9 m、下部宽5.0 m、高3.4 m.工作面供风量为300 m3/min,采用FBD-№6.0型对旋局部风机压入式供风。采用EBZ-200型综掘机掘进,掘进时从巷道中下部开始进刀,截割深度为600～800 mm,截割路线从下向上呈“S”形。

2 5-1022综掘过程产尘分析

掘进机高强度截割会产生大量粉尘,明确产尘及粉尘运移特征对高效粉尘治理有重要意义[1-2]。按照国家标准,在5-1022工作面布置7个测点,见图1.由于掘进机司机是距离截割尘源最近的工作人员,因此以掘进机司机作为起点。利用直读式测尘仪进行粉尘浓度测定,每次测定时测尘仪固定在1.5 m的人体呼吸带高度,每个测点测3个数据,取平均值以减小误差。将5-1022回风联巷测得的粉尘浓度记为第1组,5-1022巷道的粉尘浓度记为第2组。

图1 测点布置图

测尘结果如图2所示。可以看出,两组全尘浓度相差并不大,第2组的呼尘浓度在不同测点都高于第1组。从整体上来看,两组总粉尘浓度、呼吸性粉尘浓度的变化趋势比较相近,尤其是总粉尘浓度,均在距离掘进机司机15 m处下降变缓出现拐点,可以将15 m之前分为快速沉降区,之后分为缓慢沉降区。呼吸性粉尘浓度的下降速度比较平缓,并未出现与总粉尘浓度类似的明显拐点。这是由于总粉尘粒径小于100 μm,粒径较大的颗粒受重力影响更大,沉降速度更快,随风流运移较短距离后就会掉落至地面,而细微颗粒如呼吸性粉尘、PM2.5等沉降速度慢,可以随空气运移较远距离。

图2 测尘结果

对粉尘粒径分布进行细致量化分析,可以判断产生粉尘的危害程度。测尘仪采用滤膜获取掘进面粉尘样本,直接利用Winner-2000粒径分析仪进行粉尘粒径分布测定。这里将空气动力学直径小于7.07 μm的划分为呼吸性粉尘,7.07～50 μm的划分为中等粒径粉尘,50～100 μm的划分为气载粉尘。从图3可以看出,中等粒径和气载粉尘浓度曲线依然以15 m为分区点,0～15 m处为大小颗粒粉尘共存区域,15 m以外为小颗粒占主区域。和图2对比,发现这一变化趋势是相似的。在大小颗粒粉尘共存的区域内,粒径大于50 μm的粉尘占比很少,以图3(b)为例,该部分粉尘仅占约15%,7.07～50 μm之间的粉尘占比约为80%.随着产尘源头之间的距离增加,大颗粒粉尘沉降越来越多,掘进机15 m以外,粒径大于50 μm的粉尘占比仅为7%左右,7.07～50 μm之间的粉尘占比也降低72%,呼吸性粉尘占比升高至28%.I和II曲线之间y轴的间距随距离增加而逐渐变小,也能够说明大颗粒粉尘沉降加速这一现象。

图3 粉尘粒径分布

3 喷雾降尘技术优选及应用效果

3.1 喷雾降尘原理

粉尘的扩散主要受空气运移作用,在综掘巷道内部的空气可以按照不可压缩流体来对待[3]。将粉尘颗粒的运动方程和空气自身运动方程相联系,能够得到粉尘在空气中运动的控制方程,同时需要假设粉尘为圆球形,只考虑气固两相流的相对运动产生的作用力如公式(1)所示[4]:

(1)

式中:ρg为空气密度,kg/m3;vg为气体速度,m/s;▽vg为速度梯度,m/s;m为单位体积所受的重力,N/m3;p为空气压力,Pa;▽p为压力梯度,Pa;f为除质量、气体以外的作用力,N/m3;ds为粉尘颗粒直径,m;ρs为粉尘颗粒密度,kg/m3;CD为阻力系数;vs为固体颗粒的速度,m/s;vr为气固两相的相对速度,m/s.

向空气中喷射雾滴降尘的过程可以视为液体雾滴和固体颗粒之间凝结、润湿、沉降的综合作用,其中以惰性凝结为主。前人研究表明,雾滴直径对其能够捕获颗粒的直径有直接关联。因此可以在公式(1)的基础上分析能够有效捕获颗粒所需的最小雾滴直径,如公式(2)所示。可以看出,如果液滴直径过大,能够捕集到细微颗粒的效果就会变差。当粉尘颗粒直径和雾滴直径近似时,雾滴降尘效果最佳。因此需要根据粉尘粒径的分布情况确定喷雾降尘的最佳雾滴直径[5]。

(2)

式中:η为空气粘度系数;D为雾滴直径;K为比例系数;u为空气速度。

3.2 降尘工况参数优化

根据上述分析可以看出,若要达到最佳的降尘效果,需要先确定适用于降尘情况的雾滴直径。5-1022综掘面截割过程中,掘进机司机处的粉尘浓度最高,随着距离的增加,浓度逐渐降低且到15 m后降低速度减缓。在前15 m范围内,占比最多的是中等大小的粉尘颗粒,大颗粒粉尘占比也达到了15%,因此该部分降尘的雾滴中位径确定为50 μm;在15 m以外,大颗粒粉尘沉降明显,该区域内的粉尘治理应该以中小颗粒为主,因此确定喷雾雾滴中位径为25 μm.

确定不同区域的最佳降尘雾滴粒径后,需要选定能够实现该粒径的喷头。本研究选定两个地点为主要降尘位置,分别是掘进机截割头旋转截割产尘和全断面粉尘,分别利用综掘机截割头外喷雾和司机后方25 m处的全断面自动启闭水幕帘治理。掘进机外喷雾喷射的雾滴中位径为50 μm,而且还需要有较高的出口速度能够在掘进头周围形成具有冲击力的雾滴场,保证对掘进机截割头周围的包裹。水幕帘处的喷雾中位径为25 μm,为避免水量较大造成工作面积水影响作业效率,要求喷雾扩散角度大、流量小且雾滴粒径较小。经过选型后,确定掘进机高压外喷雾喷嘴孔径为1 mm,水压为12 MPa,喷射的雾滴中位径为48 μm,射程为3 m,满足了掘进机截割喷雾降尘技术的参数要求。全断面水幕帘处利用气水雾技术,能够在较少水量的情况下实现较好的雾化效果,降低雾滴粒径。最终确定气水雾水压为2 MPa、气压为0.6 MPa,产生的雾滴中位径为21 μm.全断面水幕帘的开启关闭利用红外传感器控制,当检测到有作业人员经过时关闭气水雾,避免打湿作业人员衣物,影响工作效率。

3.3 降尘效果分析

在掘进机司机处和司机后方25 m处布置两个测尘点,以分析喷雾降尘效果,测尘结果如表1所示。除尘率按照公式(3)计算。

表1 各测尘点粉尘浓度

(3)

式中:μ为除尘率,%;c1为没有降尘措施时的粉尘浓度,mg/m3;c2为采用综合降尘措施后的粉尘浓度,mg/m3.利用喷雾降尘之前,掘进机司机处的总粉尘和呼吸性粉尘原始浓度分别为601.3 mg/m3和93.9 mg/m3,采用中位径为48 μm的掘进机外喷雾降尘以后,总粉尘和呼吸性粉尘浓度被降低至48.2 mg/m3和8.6 mg/m3,降尘率分别为92%和90.8%;掘进机司机后25 m处的原始总粉尘和呼吸性粉尘浓度分别为209.4 mg/m3和73.5 mg/m3,利用掘进机外喷雾和中位径为21 μm的全断面气水雾进行综合治理后,粉尘浓度被降低至13.2 mg/m3和4.6 mg/m3,降尘率达到了93.7%和93.8%.

4 结 语

汾源矿5-1022综掘面掘进机截割产尘强度大,浓度值最高位置为掘进机司机处,大颗粒粉尘随空气运移过程中沉降比较明显,到15 m后出现拐点,浓度下降速度变缓,呼吸性粉尘沉降较慢,浓度随距离增加平缓下降。

利用中位径为48 μm的掘进机外喷雾和中位径为21 μm的全断面气水雾综合治理后,掘进机司机处的总粉尘和呼吸性粉尘浓度从601.3 mg/m3和93.9 mg/m3降低到48.2 mg/m3和8.6 mg/m3,降尘率分别为92%和90.8%;掘进机司机后25 m处总粉尘和呼吸性粉尘浓度从209.4 mg/m3和73.5 mg/m3降低到13.2 mg/m3和4.6 mg/m3,降尘率达到了93.7%和93.8%.