1、收稿日期:2023 03 11作者简介:韩 力(1993-),男,山西霍州人,助理工程师,从事计划投资、工程管理等工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.10.019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)摘 要:汾源矿 5-1022 掘进机截割产尘危害大,现场观测发现,司机处粉尘浓度最高,随距离增加,大颗粒粉尘浓度显著降低,呼吸性粉尘浓度缓慢降低。利用中位径为 48 m 和 21 m 的外喷雾及气水雾帘治理后,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.
2、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%,降尘效果显著。关键词:矿井;综掘面;产尘特征;喷雾降尘;降尘效果中图分类号:TD714.4 文献标识码:B 文章编号:1005 2798(2023)10 0069 031 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
3、.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2327,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
4、巷道中下部开始进刀,截割深度为 600800 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。测尘结果如图 2 所示。可以看出,两
5、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 m,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 1 测点布置图实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 1 10 0
6、 期期 2 20 02 23 3 年年 1 10 0 月月图 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 m 的划分为呼吸性粉尘,7.0750 m 的划分为中等粒径粉尘,50 100 m 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,015 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 m
7、的粉尘占比很少,以图 3(b)为例,该部分粉尘仅占约 15%,7.0750 m 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 m 的粉尘占比仅为 7%左右,7.0750 m 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
8、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:g(vg/t+vg vg)=m+f-p16d3ssdvsdt=18CDd2ssvr vr(1)式中:g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;s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
9、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。dmin=18DK/(su)(2)式中: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
10、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 m;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 m.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07 第 32 卷和全断面粉尘,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
11、位径为 50 m,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 m,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 m,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 m.全断面水幕帘的开启关闭利用红外传感
12、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 各测尘点粉尘浓度测尘位置序号未采用降尘措施全尘浓度/(mgm-3)呼尘浓度/(mgm-3)采用降尘措施后全尘浓度/(mgm-3)呼尘浓度/(mgm-3)1619.2101.448.27.5掘进机司机处2578.589.546.18.93606.190.850.29.5平均值601.393.948.28.61238.678.310.84.8司机后 25 m2200.1
13、69.412.55.43189.472.916.43.5平均值209.473.513.24.6=c1-c2c1100%(3)式中: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 m 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
14、mg/m3,利用掘进机外喷雾和中位径为 21 m 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 m 的掘进机外喷雾和中位径为 21 m 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.
15、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%.参考文献:1 陈 松.机掘工作面控除尘下流场特征与粉尘分布规律的数值模拟J.矿业安全与环保,2015,42(2):24-27.2 王志宝,黄立宁,梁爱春.综掘工作面降尘效率影响因素试验研究J.煤炭科学技术,2015,43(3):73-76,91.3 程卫民,聂文,周刚,等.煤矿高压喷雾雾化粒度的降尘性能研究J.中国矿业大学学报,2011,40(2):186-187.4 王鹏飞,刘荣华,汤梦,等.煤矿井下高压喷雾雾化特性及其降尘效果实验研究J.煤炭学报,2015,40(9):2 124-2 130.5 李德文,马 俊,刘何青.煤矿粉尘及职业病防治技术M.徐州:中国矿业大学出版社,2007.责任编辑:常丽芳17第 10 期 韩 力:汾源 5-1022 综掘面喷雾降尘技术优化
