王 英，李明彥，安 波，朱銀萍，李 靜

（1.河北聯(lián)合大學(xué)遷安學(xué)院，河北 唐山064400；2.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司，河北 唐山063000）

煤礦粉塵是指在煤礦開拓、掘進、回采和提升運輸?shù)壬a(chǎn)過程中產(chǎn)生，并能長時間懸浮于空氣中的巖石和煤炭的細微顆粒，簡稱為礦塵，它包括巖塵和煤塵[1－2]。近年來，隨著礦井開采強度的不斷加大，煤礦井下的采煤、掘進、運輸?shù)雀黜椛a(chǎn)過程中粉塵產(chǎn)生量也急劇增加，特別是呼吸性粉塵濃度呈大幅上升趨勢[3]。據(jù)調(diào)查，在無防塵措施的情況下，風(fēng)鎬落煤的產(chǎn)塵濃度達800mg／m3左右；炮采達300～500mg／m3；機采達1000～3000mg／m3（個別甚至高達8000mg／m3以上）；普通綜采達4000～8000mg／m3；厚煤層綜采放頂煤4000～8000mg／m3；炮掘面達1300～1600mg／m3，機械化掘進煤巷和半煤巖巷時，粉塵濃度高達800～3000mg／m3。統(tǒng)計結(jié)果表明，井下70%～80%的粉塵來自采掘工作面，這是塵肺病發(fā)病率較高的作業(yè)場所，也是發(fā)生煤塵爆炸事故較多的作業(yè)場所[4]。因此，最大限度地降低采掘工作面及其它作業(yè)場所的粉塵濃度，特別是呼吸性粉塵濃度，是保障全礦井下工人的身心健康和整個礦井安全的重要保證。

1 工程概況

邢東礦隸屬冀中能源集團冀中能源股份有限公司，1998年10月6日開工建設(shè)，2001年11月18日投產(chǎn)，井田面積13.2km2，可采儲量6127萬t。采用立井多水平開拓，煤層賦存在－580～－1200m之間，是華北地區(qū)最深的礦井之一。井田內(nèi)各煤層均屬低～中灰分、特低硫～中硫、低磷、高發(fā)熱量、高揮發(fā)份、高熔點的氣煤和氣肥煤，煤質(zhì)優(yōu)良，是理想的煉焦配煤和動力用煤。2＃煤原煤平均灰分11.86%，全硫0.41%，磷0.032%。精煤平均灰分5.71%，揮發(fā)分39.35%。2007年11月經(jīng)河北省煤田地質(zhì)研究所鑒定，2＃煤層自然發(fā)火傾向性等級為二類，煤塵具有爆炸性。邢東礦井目前生產(chǎn)布局在一水平和二水平均有采掘活動。一水平安排兩個綜采工作面和五個掘進工作面（其中包括1127運輸巷、1127運料巷），二水平安排一個巖巷掘進工作面和兩個煤巷掘進工作面。

2 綜采工作面粉塵分布規(guī)律分析

通過對邢東礦綜采工作面粉塵濃度分布及沿程濃度變化實地測定可發(fā)現(xiàn)以下問題。

1）粉塵從采煤機滾筒部位產(chǎn)生，隨風(fēng)流向下風(fēng)向運動，同時向煤壁外側(cè)逐步擴散，擴散完全后整個巷道斷面中粉塵濃度基本相等。

2）機道一側(cè)中心高度粉塵濃度先達到最大，隨著粉塵的運動擴散，整個斷面粉塵濃度趨于相等，粉塵擴散到人行道時濃度變化趨勢相對較弱。

3）在距離煤壁1.0m處機道一側(cè)的呼吸帶高度上，順風(fēng)割煤時在采煤機下風(fēng)10m左右處濃度達到最大，隨后沿程濃度逐漸減小，在采煤機20m后濃度基本保持不變，采煤機40m后濃度在較小范圍內(nèi)浮動。因此，可以認為此時絕大部分大顆粒粉塵都已沉降，而巷道內(nèi)飄浮的粉塵多為難以沉降的呼吸性粉塵；工作面的粉塵濃度的最大值并非在塵源處，而是在塵源下風(fēng)向的某一斷面，該斷面到塵源的距離與風(fēng)速有關(guān)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是風(fēng)流對粉塵的作用力，當(dāng)風(fēng)速增流傳遞給塵粒的動能增大，大粒徑塵粒的沉降距離變長，因而風(fēng)速增大，粉塵能夠在擴散到全斷面之前運行更長的距離。

4）人行道區(qū)域粉塵濃度較小，但與機道一側(cè)粉塵濃度變化規(guī)律相似。粉塵在下風(fēng)向25m左右濃度達到最大，此后沿程濃度變化不大，說明此時粉塵在斷面擴散基本完全，擴散到在人行道一側(cè)的粉塵多為不易沉降的呼吸性粉塵，大顆粒粉塵已經(jīng)基本完全沉降。

5）隨著取樣點與煤壁間距離的越大，粉塵濃度達到峰值時的x值也越大，濃度值也越小，這說明由于工作面上風(fēng)流的作用，割煤產(chǎn)生的粉塵多在煤壁附近運動，當(dāng)中只有一部分擴散到人行道及支架立柱區(qū)域。

6）逆風(fēng)割煤時粉塵濃度分布與順風(fēng)割煤相似，只是粉塵濃度在下風(fēng)5m左右就達到最大值，且濃度相對較大，說明逆風(fēng)加速了粉塵的擴散。

3 噴霧除塵機理和影響除塵效果的因素

3.1 噴霧除塵機理

常規(guī)噴霧降塵的機理為：慣性碰撞、重力沉降、攔截捕塵與擴散捕集。噴霧噴出的液體霧粒與固態(tài)塵粒的惰性凝結(jié)過程使塵粒濕潤，自重增加且沉降，這叫做重力沉降。其次，由于流線不能突然折轉(zhuǎn)，當(dāng)風(fēng)流攜帶塵粒向水霧粒運動并離開霧粒不遠時就要開始繞水霧運動。風(fēng)流中質(zhì)量較大，顆粒較粗的塵粒因慣性的作用會脫離流線而保持向霧滴方向運動。如不考慮塵粒的質(zhì)量，則塵粒將和風(fēng)流同步，因塵粒有體積，粉塵粒質(zhì)心所在流線與水霧粒的距離小于塵粒半徑時，塵粒便會與水霧滴接觸被攔截下來，使塵粒附著于水霧上，這就是攔截捕塵作用。對細微粉塵，特別是直徑小于0.5μm的粉塵，由于布郎擴散作用，可能被水霧粒捕集，這叫擴散捕集。上述綜合作用，就是噴霧降塵機理。由若干個高效霧化噴嘴向塵源噴射水霧，含有煤塵氣體較長時間內(nèi)在霧化區(qū)中穿行，煤塵有了充足的機會與霧化液接觸，含煤塵氣體不斷與霧點相碰，煤塵被帶上“水珠”。帶上“水珠”的煤塵在運動中與其他霧點碰撞，“水珠”由小結(jié)大而形成“小微團”，“小微團”經(jīng)碰撞結(jié)成“大微團”，增加了煤塵的有效質(zhì)量，當(dāng)達到一定的質(zhì)量時，大微團從氣流中被沉降下來，從而達到了降塵的目的。

3.2 影響除塵效果的因素

1）霧滴粒度。水霧滴粒度根據(jù)噴霧除塵的要求來確定的，一般情況下粒度越小在空氣中分布的密度越大，與煤塵的接觸機會越多，降塵效果越好，因為煤塵有一定的抗?jié)裥?，甚至，有的煤塵具有油性，當(dāng)霧粒過大時，動量大，其質(zhì)量也大，不易煤塵相碰撞，過小時易蒸發(fā)，即使煤塵與霧粒相碰撞，沒等煤塵落地，水分已經(jīng)蒸發(fā)，沒有起到作用。由理論和實踐可知，霧滴粒度在10～200μm時滅塵效果較好，最佳滅塵效果的霧滴粒度為20～50μm。

2）霧滴速度。霧粒速度決定著與煤塵接觸效果。如果相對速度大，兩者碰撞時動量大，有利于克服水的表面張力，將煤塵濕潤捕獲。霧滴速度快時，其動量大，與塵粒碰撞后迅速降落，減少煤塵在空中的停留時間和可有效地防止水在空氣中蒸發(fā)，有資料表明，當(dāng)霧粒達到0.1mm，水粒的速度提高到30 m／s時，對2μm的塵粒降塵率可提高約50%，據(jù)觀測，霧粒速度一般應(yīng)大于20m／s。

3）霧的密度。噴霧的密度是指在單位時間內(nèi)單位水霧流的截面的水耗量，噴霧的密度越大降塵效果越好。適當(dāng)加大供水流量，可提高霧滴的運動速度與分布密度，增加霧滴與煤塵碰撞捕塵的機會，但流量達到一定的程度后在增加對降塵效果不明顯，一般在有效射程內(nèi)，噴霧密度平均104～105粒／cm3的供水流量比較適宜。同時，供水的壓力增大，水霧粒粒度小，霧化程度高、分布密度大。

4）噴霧的覆蓋半徑。噴霧的覆蓋半徑對降塵效果的影響也非常大，噴霧的覆蓋半徑大時，能將起塵點全部覆蓋，增加霧滴同塵粒的碰撞機會，提高滅塵效果。

此外，礦塵濃度、粒徑，帶電性對捕塵效果也存在影響。對于實際的降塵問題，煤塵中既有質(zhì)量又有大小，慣性和截留的效應(yīng)同時并存。

4 綜采工作面防塵技術(shù)的應(yīng)用

4.1 綜采工作面高壓噴霧系統(tǒng)

綜采工作面高壓噴霧系統(tǒng)主要由高壓水泵、高壓供水管路、水箱、水質(zhì)過濾器、控制系統(tǒng)、噴霧架和高壓噴嘴等組成。

由于采煤機噴霧系統(tǒng)還要供給采煤機發(fā)動機冷卻水，因此系統(tǒng)還需要安裝減壓閥。另外，液壓支架噴霧系統(tǒng)也應(yīng)進行改造，以抑制移架和放頂煤時產(chǎn)生的粉塵，并起到采煤機割煤時輔助噴霧降塵的作用。此外還可以安裝自動噴霧控制系統(tǒng)，減小移架工的工作量，使工作面防塵工作易于管理。同時，在進、回風(fēng)巷道中的風(fēng)流進化水幕以及轉(zhuǎn)載點處也可以使用高壓水噴霧降塵。整個工作面高壓噴霧除塵系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 綜采工作面高壓噴霧系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)圖

4.2 采煤機高壓外噴霧系統(tǒng)設(shè)計

采煤機原有的內(nèi)噴霧系統(tǒng)容易堵塞，除塵效果不佳，采用高壓外噴霧能夠達到較好的除塵效果，因而內(nèi)噴霧也可以停止使用，以節(jié)約用水，減小出煤含水量。

4.2.1 供水方式

采煤機高壓外噴霧系統(tǒng)可以分為固定泵供水高壓外噴霧和機載泵供水高壓外噴霧兩種方式，前者是把水泵安裝在工作面前方的巷道中，再把高壓水送到采煤機上，但是這樣高壓水管和電纜同時隨著采煤機運動容易受磨損而影響使用壽命；如果采煤機上有充足的動力和空間則可以將高壓泵安裝在機組上，即機載泵供水高壓外噴霧，這樣高壓軟管的問題就能得到很好的解決。設(shè)計采用固定高壓泵供水，將高壓水泵放在回風(fēng)巷道中，蓄水箱中的水經(jīng)過濾器和水泵加壓后由高壓供水管路分別送到采煤機、液壓支架和回風(fēng)巷道水幕噴霧。

4.2.2 噴霧總流量及噴嘴數(shù)目

一般噴霧的總用水量是由產(chǎn)煤量決定的，由于過多的噴水會影響出煤質(zhì)量，所以一般耗水量為20～40L／t，邢東礦煤層含水量較低，可選取用水量為30 L／t。邢東礦1227綜采工作面采高2.8m，截深0.5m，牽引速度取5.0m／min，原煤密度取1.5t／m3。

則采煤機生產(chǎn)能力：2.8×0.5×5.0×1.5＝10.36（t／min）。

采煤機總供水量：10.36×30＝310.8≈310（L／min）。

發(fā)動機冷卻用水量約為80l／min，此部分水做常壓噴霧，則高壓噴霧用水量：310－80＝230（L／min）。

設(shè)計布置1.2mm噴嘴8個，1.5mm噴嘴9個，實際高壓外噴霧總用水量：9.0×8＋14.1×9＝198.9≈190（L／min）。

所以采煤機實際設(shè)計總用水量270L／min。

此處計算還需考慮噴霧用水量是否使出煤的含水量增加而影響煤質(zhì)，由于噴霧后出煤的含水量提高：0.27／1.5×100%＝1.8%。

煤礦安全規(guī)程要求原煤全水分不能超過6%，因此設(shè)計用水量符合要求。

4.2.3 噴嘴類型及噴霧壓力

由分析結(jié)果及相關(guān)文獻上的經(jīng)驗，噴嘴選用孔徑為1.2mm、1.5mm的高壓錐形引射噴嘴和高壓扇形引射噴嘴。為保證使用壽命，噴嘴應(yīng)為不銹鋼制?？紤]到唐山礦呼吸性粉塵較大，采煤機高壓外噴霧壓力擬定為10MPa。

4.2.4 噴嘴的布置

高壓噴嘴在采煤機上的布置主要有兩種方式，如圖2所示。

圖2 采煤機高壓外噴霧兩種噴嘴布置方式

布置圖2（a）是將高壓噴嘴布置在采煤機內(nèi)側(cè)，使高壓水霧流與所引射的空氣沿煤壁一側(cè)噴向采煤機的兩個滾筒；布置圖2（b）是將高壓噴嘴布置在采煤機外側(cè)兩個端頭，使產(chǎn)生的水霧流直接覆蓋于滾簡割煤截齒處，達到降塵的目的。前一種布置方式噴霧距離短，降塵效果好于后一種方式。但是從采煤機的運行和噴霧系統(tǒng)的維護來看，噴嘴布置在采煤機外側(cè)兩端頭更為合理，因為它可以避免采煤機割煤過程中的煤塊落在采煤機機體上而損壞和堵塞噴嘴。

兩種布置各有有缺點，因此設(shè)計中綜合兩種方法的優(yōu)點，設(shè)計采煤機噴嘴的布置方式：在采煤機外側(cè)安裝一對高壓噴霧架，長度大致與搖臂相當(dāng)，把噴嘴布置在噴霧架上，在距離滾筒1m以外的位置處向?qū)γ娴牟擅簼L筒噴霧。這樣既縮短了噴霧距離，可以在粉塵擴散之前將其在煤壁一側(cè)捕集，又保護了噴嘴，防止落煤砸到或阻塞噴嘴。如圖3所示，共設(shè)前后兩個噴霧架，每個噴霧架設(shè)徑向、縱向兩種噴嘴。

圖3 采煤機高壓外噴霧系統(tǒng)噴嘴布置圖

1）前噴霧架設(shè)4個徑向噴嘴，6個縱向噴嘴。在噴霧架中間布置4個擴散角為50～65°，霧化效果好的1.2mm實心錐形引射噴嘴，有效射程不小于3m，分別向滾筒的上下左右四個方向噴霧，并保證在搖臂處于不同角度時都能夠覆蓋滾筒，通過形成環(huán)狀霧屏罩住滾筒，防止割煤產(chǎn)塵向外擴散。

由于前滾筒處在采煤機下風(fēng)向，粉塵濃度最大，在噴霧架的前方，布置6個射程較遠、擴散角為40～45°、噴霧粒徑較粗的1.5mm扇形引射噴嘴，有效射程不小于6m，形成兩道與煤壁高度相同的縱向霧屏，進一步提高降塵效率，也可以防止內(nèi)部徑向噴霧蒸發(fā)，并起到預(yù)濕煤壁的作用。

2）后噴霧架設(shè)4個徑向噴嘴，3個縱向噴嘴。后噴霧架使用的噴嘴及噴霧參數(shù)與前噴霧架相同，徑向4個噴嘴布置也相同，縱向3個噴嘴噴霧形成一道霧屏。

3）如果將噴嘴對著風(fēng)流方向噴霧，每個噴嘴噴出的霧流會形成一種反抗原有風(fēng)流的邊界流動，反而擾亂風(fēng)流方向，將粉塵攜入人行道?？紤]到這種“沸騰效應(yīng)”，應(yīng)把噴嘴布置在滾筒上風(fēng)向，使徑向噴嘴沿下風(fēng)向與煤壁呈70～80°噴霧，縱向噴嘴與煤壁呈30～40°噴霧，這樣還可以起到引導(dǎo)風(fēng)流，預(yù)濕煤壁的作用。

（4）噴霧架為不銹鋼管，將供水管路保護在內(nèi)。長度大致與搖臂長度相同，其中前噴霧架為1.6m，后噴霧架長1.8m。為保證徑向噴嘴始終能向滾筒方向噴霧，將其安裝在一個噴霧架的旋轉(zhuǎn)接頭上，使其可以隨著搖臂同步轉(zhuǎn)動。

4.3 液壓支架高壓噴霧系統(tǒng)設(shè)計

4.3.1 噴霧總流量及噴嘴數(shù)目

液壓支架的高壓噴霧一般是與采煤機噴霧系統(tǒng)一起，同時由位于巷道的高壓水泵供水。設(shè)計使用4個1.2mm，2個1.5mm噴嘴。噴霧總流量為：9.0×4＋14.1×2＝64.2≈65（L／min）。另外，工作面采放比例為1∶2.5，因此少量的噴霧不會影響煤質(zhì)。

4.3.2 噴嘴類型及噴霧壓力

選用實心錐形和扇形引射噴嘴，噴霧壓力與采煤機外噴霧相同，為10MPa。

4.3.3 噴嘴的布置

支架上噴嘴的布置主要分前探梁噴霧，頂梁噴霧，掩護梁噴霧以及放煤噴霧四個部分。其中頂梁噴霧和掩護梁噴霧起到潤濕頂煤的作用，以減少移架和放頂時的產(chǎn)生的粉塵；前探梁噴霧和放煤噴霧則是在移架和放頂時，粉塵產(chǎn)生之后起到捕塵降塵和引導(dǎo)風(fēng)流的作用。參考相關(guān)經(jīng)驗，設(shè)計在前探梁、頂梁、放煤口各安裝兩個噴嘴，朝向煤壁及放煤口噴霧，在提高除塵效率的同時，也防止了架下噴霧惡化支架下工作環(huán)境，具體布置如圖4所示。

圖4 液壓支架高壓噴霧系統(tǒng)噴嘴布置圖

1）在前探梁內(nèi)側(cè)左右各安裝一個錐形引射噴嘴，擴散角60～80°，有效射程達到3m以上，向煤壁方向與地面呈60°噴霧，在煤壁與人行道間形成一道霧屏，捕集移架時產(chǎn)生的粉塵，同時將頂梁噴霧引射過來的粉塵沉降。

2）在頂梁左右分別布置兩個1.5mm扇引射噴嘴，擴散角為60～80°，有效射程不小于5m，與地面呈45°向煤壁噴霧，形成第二道霧屏，起降塵、引射風(fēng)流的作用。

3）在放煤口左右安裝兩個1.2mm錐形引射噴嘴，擴散角75～90°，有效射程2m以上，朝放煤口下風(fēng)向噴霧，起放煤降塵的作用，防止粉塵向人行道擴散。

4）回風(fēng)巷高壓噴霧系統(tǒng)設(shè)計為：回風(fēng)巷高壓噴霧同樣由巷道中的高壓水泵供水，噴霧壓力10MPa，使用4個1.2mm實心錐形引射噴嘴，擴散角60～80°，有效射程5m以上，噴霧總用水量36L／min，布置方式見圖5。

圖5 回風(fēng)巷高壓噴霧系統(tǒng)噴嘴布置圖

5 工作面除塵效果分析

針對邢東礦1227工作面的實際情況，按照設(shè)計方案對工作面的除塵系統(tǒng)做了改造，取得了較好的除塵效果。分別對采煤機高壓外噴霧，支架高壓噴霧，回風(fēng)巷水幕噴霧除塵系統(tǒng)的除塵效率做了現(xiàn)場實測。

5.1 采煤機高壓外噴霧系統(tǒng)除塵效率

順風(fēng)割煤時使用采煤機高壓外噴霧前后沿程各位置粉塵濃度對比見圖6。

圖6 采煤機高壓外噴霧使用前后粉塵濃度對比圖

從實測數(shù)據(jù)看，使用高壓外噴霧后，割煤時采煤司機處及采煤機下風(fēng)10m處全塵濃度降低到5.2mg／m3、90.5mg／m3，全塵除塵效率可以達到70%、89%，呼吸性粉塵濃度降低到3.0mg／m3、80.8mg／m3，呼吸性粉塵除塵效率達60%、88%，對于整個工作面平均全塵除塵效率達85%以上，呼吸性粉塵除塵效率可達75%以上。

5.2 支架高壓噴霧系統(tǒng)除塵效率

移架、放頂時分別在使用高壓噴霧前后測定放煤口、支架頂梁正下方及支架下風(fēng)5m處粉塵濃度，三處的全塵除塵效率可以達95%、91%、90%，呼吸性粉塵除塵效率達到92%、61%、85%，平均全塵除塵效率達88%以上，呼吸性粉塵除塵效率達77%以到上。

5.3 回風(fēng)巷高壓噴霧系統(tǒng)除塵效率

在使用高壓噴霧前后測定回風(fēng)巷水幕下風(fēng)向5m處粉塵濃度做對比，其全塵除塵效率達98%，呼吸性粉塵除塵效率達95%。

6 結(jié)論

1）邢東礦綜采工作面使用高壓噴霧除塵系統(tǒng)后，割煤時采煤司機處及采煤機下風(fēng)10m處全塵濃度降低到5.2mg／m3、90.5mg／m3，全塵除塵效率可以達到70%、89%，呼吸性粉塵濃度降低到3.0mg／m3、80.8mg／m3，呼吸性粉塵除塵效率達60%、88%，對于整個工作面平均全塵除塵效率達85%以上，呼吸性粉塵除塵效率可達75%以上。

2）移架、放頂時放煤口、支架頂梁正下方及支架下風(fēng)5m三處的全塵除塵效率可以達95%、91%、90%，呼吸性粉塵除塵效率達到92%、61%、85%，平均全塵除塵效率達88%以上，呼吸性粉塵除塵效率達77%以上。

3）回風(fēng)巷水幕下風(fēng)向5m處，其全塵除塵效率達98%，呼吸性粉塵除塵效率達95%。高壓除塵噴霧系統(tǒng)在邢東礦綜采工作面粉塵控制方面取得了良好的效果，為邢東礦綜采工作面粉塵防治方面提供了可借鑒的理論指導(dǎo)和技術(shù)措施。

[1]田冬梅.粉塵作業(yè)場所風(fēng)險評價及預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].北京：北京科技大學(xué)，2009.

[2]郭占勝，龔子來.荊各莊礦呼吸性粉塵的監(jiān)測和預(yù)防[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34（4）：91－92.

[3]李旭東.淺談綜采工作面粉塵分布規(guī)律及其防治對策[J].煤礦安全，1994（11）：98－101.

[4]俞輝，蔣仲安，劉毅.綜采工作面粉塵運移規(guī)律的研究[[J].煤炭科技，2008，34（9）：64－66.

[5]程衛(wèi)民，張清濤，劉中勝，等.綜掘面粉塵場數(shù)值模擬及除塵系統(tǒng)研制與實踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（10）：39－44.

[6]牛偉.綜放工作面粉塵濃度分布規(guī)律的數(shù)值模擬[J].中國礦業(yè)，2008，12（8）：56－60.

[7]李高峰.綜采工作面高效噴霧降塵技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2010.

[8]劉榮華.綜采工作面空氣幕隔塵理論及應(yīng)用研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[9]楊敏.濕度較大綜采工作面粉塵擴散規(guī)律的研究[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2009.