姚錫文 鹿廣利 許開立 李 興

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819;2.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590;3.神華國華壽光發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 濰坊 252700)

大傾角綜放面塵源特性與抑塵引射除塵系統(tǒng)研究

姚錫文1鹿廣利2許開立1李 興3

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819;2.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590;3.神華國華壽光發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 濰坊 252700)

考慮大傾角綜放面生產(chǎn)條件復(fù)雜，采煤機(jī)產(chǎn)塵量大，放煤口處的粉塵易擴(kuò)散，運(yùn)用現(xiàn)場測試與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法對(duì)采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)塵量和粒徑分布進(jìn)行研究，對(duì)采煤機(jī)割煤工序浮塵量與落塵量進(jìn)行了測算，設(shè)計(jì)了集抑塵、強(qiáng)化噴霧除塵和塵流控制的大傾角綜放工作面采煤機(jī)抑塵引射除塵系統(tǒng)，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用。結(jié)果表明：采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵近一半為浮塵，粉塵中位粒徑為8.22 μm，呼吸性粉塵約占全塵的44.5%，應(yīng)重點(diǎn)防治。采煤機(jī)抑塵引射除塵系統(tǒng)對(duì)呼吸性粉塵的除塵效率由原來的49.5%提高到了65.3%。通過在液壓支架上安裝噴霧噴嘴和引射除塵器，對(duì)全塵的除塵效率由69.4%提高到85.7%。該方法可為大傾角綜放工作面放煤口位置處的粉塵防治提供參考。

綜放工作面 粉塵 粒徑分布 放煤 除塵

目前國內(nèi)外煤礦井下粉塵控制技術(shù)主要有煤層注水、噴霧降塵、空氣幕除塵、通風(fēng)除塵、除塵器除塵、泡沫除塵等，這些技術(shù)對(duì)降低粉塵濃度起到了重要作用[1-5]。但是對(duì)于開采條件復(fù)雜的大傾角綜放工作面，比較實(shí)際可行的防塵措施仍然是合理通風(fēng)和以水防塵。采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵量大、顆粒范圍廣，加之大傾角綜放工作面采煤機(jī)道處的風(fēng)速遠(yuǎn)高于架間及放煤道，導(dǎo)致采煤機(jī)產(chǎn)塵難沉降。存在主要問題是缺乏對(duì)復(fù)雜開采條件下塵源特性的研究，如對(duì)采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵的粒徑分布掌握不夠；防塵方法與塵源特性和生產(chǎn)條件的適用性研究不夠，主要塵源，如割煤、放煤的有效控塵技術(shù)尚不成熟；多數(shù)綜放工作面放煤口的高濃度粉塵沒有得到有效控制，噴霧降塵未能起到應(yīng)有的作用效果[6-10]。

本研究以某煤礦大傾角綜放工作面(煤層平均傾角20°～48°)為依托，分析了復(fù)雜條件下采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵規(guī)律及粒度，設(shè)計(jì)了采煤機(jī)抑塵引射除塵系統(tǒng)，針對(duì)支架放頂煤粉塵防治設(shè)計(jì)了引射噴霧除塵器，并在現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。

1 大傾角綜放面割煤塵源特性研究

為了全面描述大傾角綜放工作面采煤機(jī)割煤塵源的產(chǎn)塵特性，提出了描述工作面塵源特性的整體特性指標(biāo)和微觀特性指標(biāo)。整體特性指標(biāo)包括產(chǎn)塵量和粉塵濃度分布等。塵源的微觀性指標(biāo)包括粉塵的粒徑分布、比表面積、粉塵形狀等。

1.1 割煤塵源整體特性研究

1.1.1 采煤機(jī)浮塵量的測算

研究提出了大傾角綜放工作面采煤機(jī)浮塵量的測算方法：在采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)各取均勻斷面，分別測定2斷面處的平均粉塵濃度，再乘流過工作面的平均風(fēng)量，即可得到2斷面處的浮塵量，兩者之差即為采煤機(jī)單位時(shí)間產(chǎn)生的浮塵量。

(1)

式中，Qdf為單位時(shí)間產(chǎn)生的浮塵量，mg/min；C1、C2分別為第1、2個(gè)斷面的粉塵濃度，mg/m3；Q1、Q2分別為通過第1、2個(gè)斷面的風(fēng)量，m3/min；ΔC為2斷面粉塵濃度之差，mg/m3；Q為平均風(fēng)量，m3/min。

現(xiàn)場實(shí)測的2斷面分別選擇在采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)5 m處和下風(fēng)側(cè)5 m處，每個(gè)斷面測定4個(gè)點(diǎn)，4個(gè)采樣點(diǎn)距離煤壁和底板的距離分別為1.5 m和0.5 m(測點(diǎn)1)、1.5 m和1.5 m(測點(diǎn)2)、1.5 m和2.0 m(測點(diǎn)3)、2.0 m和2.0 m(測點(diǎn)4)。采樣使用AKFC-92A型礦用粉塵采樣器和直徑40 mm的有機(jī)濾膜，采樣流量控制為20 L/min。測定結(jié)果如表1所示。

表1 采煤機(jī)浮塵量測定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 The floating dust statics data of coal winning machine

將2斷面的平均粉塵濃度和風(fēng)量代入式(1)，可得采煤機(jī)產(chǎn)生的浮塵量為899.9×103mg/min。

1.1.2 采煤機(jī)落塵量的測算

采煤機(jī)單位時(shí)間落塵量

(2)

式中，Qdl為單位時(shí)間落塵量，mg/min；ΔMd為篩下粉塵的質(zhì)量，mg；M為樣品總質(zhì)量，kg；p為單位時(shí)間產(chǎn)煤量，kg/min。

(3)

式中，h為采煤機(jī)的采高，m；l為采煤機(jī)的截深，m；v為采煤機(jī)的牽引速度，m/min；ρm為煤的密度，kg/m3。

在現(xiàn)場采煤機(jī)附近適量取樣，放入DZF-6050型真空干燥箱中干燥，稱取1 kg干燥后的粉塵，然后過100目(孔徑0.15 mm)的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩，測得篩下粉塵質(zhì)量ΔMd=400 mg，由規(guī)程可知，采煤機(jī)正常割煤時(shí)采高h(yuǎn)=2.6 m，截深l=0.6 m，牽引速度v=2 m/min，煤密度ρm=1 380 kg/m3。

將以上各參數(shù)代入式(2)和式(3)中，可得采煤機(jī)單位時(shí)間落塵量約為1 722.24×103mg/min。

1.2 割煤塵源的微觀特性研究

利用Winner3001粒度測試儀對(duì)機(jī)道落煤塵樣分析測試，由計(jì)算機(jī)得出不同粒徑顆粒的體積頻率分布和累計(jì)分布如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)全塵的粒徑分布結(jié)果匯總Fig.1 Summary results of particle size of coal winning machine1—不同粒徑體積分布；2—累計(jì)分布

由圖1可知，采煤機(jī)割煤時(shí)小于 7.1 μm的呼吸性粉塵約占全塵的44.5%；粉塵中位徑為8.22 μm，且比表面積=16 636.66 cm2/cm3，數(shù)據(jù)偏大說明截割使煤的破碎程度高，在大傾角綜放工作面條件下，采煤機(jī)產(chǎn)生近一半的粉塵是以浮塵形式存在。

2 采煤機(jī)抑塵引射除塵系統(tǒng)研究

2.1 采煤機(jī)抑塵引射除塵系統(tǒng)的構(gòu)成

通過對(duì)前述采煤機(jī)割煤塵源的粒度分析可知，大傾角綜放工作面呼吸性粉塵占的比重較大，是防塵重點(diǎn)。而由于采煤機(jī)一旦出廠，其內(nèi)噴霧系統(tǒng)就無法改造，因此，改善采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)的重點(diǎn)，應(yīng)放在改進(jìn)采煤機(jī)外噴霧系統(tǒng)上，為此在原有外噴霧系統(tǒng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)適用于大傾角綜放工作面的采煤機(jī)抑塵引射除塵系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)抑塵引射除塵系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram about drainage of jet dust removal system for coal winning machine1、2、3、4—采煤機(jī)內(nèi)噴霧；5、6—抑塵噴霧；7、8—引射除塵裝置

該系統(tǒng)是由抑塵部分和引射強(qiáng)化除塵部分組成。水霧從噴嘴噴出，沿引流噴射管高速運(yùn)動(dòng)在水霧錐后形成負(fù)壓區(qū)，含塵氣體不斷被吸入引流噴射管內(nèi)與水霧錐碰撞混合，粉塵在水霧中運(yùn)動(dòng)濕潤被噴出后，很快失去懸浮能力而降落，從而實(shí)現(xiàn)降塵的目的，引流噴射除塵裝置如圖3所示。

圖3 引流噴射除塵裝置Fig.3 Schematic diagram of jet dust removal device

2.2 抑塵引射除塵系統(tǒng)的試驗(yàn)應(yīng)用

采煤機(jī)抑塵引射除塵裝置，分別安裝在采煤機(jī)前后、滾筒附近。如圖2所示，1、2、3、4為采煤機(jī)內(nèi)噴霧系統(tǒng)，為采煤機(jī)原有設(shè)備；5、6為抑塵噴霧，安裝在懸臂梁上，其作用是抑制采煤機(jī)后滾筒產(chǎn)塵以及將上風(fēng)側(cè)新鮮分流引向采煤機(jī)內(nèi)側(cè)；7、8為引射噴霧除塵裝置，分別安裝在采煤機(jī)上前后、滾筒附近，其作用是抑制采煤機(jī)前滾筒產(chǎn)塵，凈化采煤機(jī)周圍的含塵氣流。采煤機(jī)割煤時(shí)，在現(xiàn)場工作面對(duì)該引射噴霧裝置進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，測試結(jié)果如表2所示。

表2 抑塵引射噴霧除塵系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of ejector spray device

由表2可知，在試驗(yàn)條件下，采用抑塵引射除塵系統(tǒng)之后，對(duì)呼吸性粉塵的除塵效率由原來的49.5%提高到了65.3%，對(duì)全塵的除塵效率由原來61.6%提高到了79.5%，除塵效果比較理想。

3 支架放頂煤粉塵防治

當(dāng)前，放煤口的防塵措施主要還是噴霧降塵，從使用效果來看，普遍不理想。多數(shù)綜放工作面放煤口的高濃度粉塵沒有得到有效控制。液壓支架放煤口處粉塵的治理需要更為有效的方法[11-12]。

結(jié)合綜放工作面的大傾角的地質(zhì)特點(diǎn)，采取引射噴霧除塵器與放煤板安裝噴嘴噴霧相結(jié)合的方法以更好地降低放煤時(shí)的粉塵危害。

3.1 引射噴霧除塵器的構(gòu)造及特點(diǎn)

本研究設(shè)計(jì)的引射噴霧除塵器包括噴嘴、引射筒、擴(kuò)散器、吸塵罩4大部分，如圖4所示。

圖4 引射噴霧除塵器Fig.4 Ejector spray filter1—噴嘴； 2—支承圓筒； 3—引射筒；4—定位聯(lián)接板；5—擴(kuò)散器；6—吸塵罩

引射噴霧除塵器有以下優(yōu)點(diǎn)： ①噴嘴噴霧后形成的負(fù)壓使得放煤口飛起的粉塵進(jìn)入捕塵裝置腔體內(nèi)，在與噴出的水霧共同飛出的過程中充分混合。②噴嘴朝向下風(fēng)側(cè)，噴出的水霧能夠再次發(fā)揮作用，捕集經(jīng)引射除塵后余下的放煤粉塵。③噴霧口朝向采空區(qū)方向，由于水霧的引射作用，空氣中余下的粉塵將有一部分被引向采空區(qū)，然后吸附在采空區(qū)的矸石上。

3.2 引射噴霧除塵器安裝位置的確定

將引射噴霧除塵器安裝在后梁與底座之間的擺桿上，現(xiàn)場采用的是放煤梁收縮放煤，收縮時(shí)，后梁與底座之間的擺桿基本不動(dòng)，且形成一個(gè)斜面，而除塵器剛好安裝在這個(gè)斜面的下方，除塵器必須在傾斜擺桿的保護(hù)范圍之內(nèi)，引射除塵器安裝位置如圖5所示。

圖5 引射除塵器安裝位置Fig.5 Installation of ejector spray filter

3.3 引射噴霧除塵器在現(xiàn)場的應(yīng)用

在大傾角綜放工作面現(xiàn)場安裝引射噴霧除塵器，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用，得到優(yōu)化前后對(duì)放頂煤產(chǎn)塵的降塵率對(duì)比見圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后降塵率對(duì)比Fig.6 Dust removal coefficient before and after optimization

從圖6可以看出，采用引射噴霧除塵器之后，無論對(duì)于全塵還是呼吸性粉塵，除塵效率均有大幅提高，其中對(duì)呼吸性粉塵的除塵效率由原來的52.0%提高到了63.9%，對(duì)全塵的除塵效率由原來69.4%提高到了85.7%。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的浮塵量與落塵量進(jìn)行了測算，并對(duì)采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵的粒徑分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明，采煤機(jī)割煤時(shí)粉塵中位徑為8.22 μm，小于 7.1 μm的呼吸性粉塵占全塵的44.5%，呼吸性粉塵所占全塵的比重非常高，應(yīng)重點(diǎn)防治。

(2)考慮大傾角綜放工作面生產(chǎn)條件復(fù)雜，采煤機(jī)產(chǎn)塵量大，研究設(shè)計(jì)了集抑塵、強(qiáng)化噴霧除塵和塵流控制的大傾角綜放工作面采煤機(jī)抑塵引射除塵系統(tǒng)，并在現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用，降塵率明顯提高。

(3)與傳統(tǒng)的緩傾斜綜放工作面相比，大傾角綜放工作面放煤口的高濃度粉塵易擴(kuò)散，采用引射噴霧除塵器與放煤板安裝噴嘴噴霧相結(jié)合的方法，可以有效地控制放煤區(qū)粉塵向人員作業(yè)區(qū)擴(kuò)散。該方法可為大傾角綜放工作面放煤口處的粉塵防治工作提供參考依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Research on Dust Source Characteristics and Suppression Ejector Systems in High Inclination-angle Fully Mechanized Caving Face

Yao Xiwen1Lu Guangli2Xu Kaili1Li Xing3

(1.SchoolofResources&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China；2.SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China；3.ShenhuaGuohuaShouguangPowerGenerationLimitedCorporation，Weifang252700，China)

In consideration of the fact that the production conditions of high inclination-angle fully mechanized caving face is complicated，coal winning machine produces a great quantity of dust，and the caving coal dust is easy to float in the sky.In combination of field measurement and experimental analysis，a research on dust producing quantity and particle size distribution was conducted on coal mining machine，and the floating dust amount and fall dust amount of coal winning machine are calculated by measuring in caving face.The suppression ejector systems in high inclination-angle fully mechanized caving face is designed，which can prevent dust from floating in the sky，strengthen the spray dusting and dust flow control.And then，it was applied to caving faces.The results showed that about half of dust produced by coal machine is floating dust with the dust median diameter of 8.22 μm，and the respirable dust accounted for 44.5% of all the dust.It should be focused on.The respirable dust collection efficiency with coal mining machine suppression ejector systems is improved from 49.5% to 65.3%.In combination of ejector spray filter and nozzle installation in hydraulic support，the whole dust collection efficiency is improved from 69.4% to 85.7%.This technique may provide a reference for the dust prevention in caving coal location of high inclination-angle fully mechanized caving face.

Fully mechanized caving face，Dust，Particle size distribution，Caving coal，Dust removal

2013-12-11

遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):2013020137)。

姚錫文(1987—)，男，博士研究生。

TD714

A

1001-1250(2014)-10-171-05