仝瑞剛

（1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590）

煤礦粉塵是礦山五大災(zāi)害之一，不但影響安全生產(chǎn)，而且危害從業(yè)人員的健康和造成環(huán)境污染。綜掘工作面是煤礦粉塵治理的重要作業(yè)場所。

1 綜掘工作面概況及產(chǎn)塵機(jī)理

1.1 工作面概況

蔣莊煤礦3下610煤巷綜掘面斷面形狀為矩形，巷道寬、高分別為4m、3.1m，斷面積為12.4m2，主要服務(wù)于3下610工作面生產(chǎn)系統(tǒng)和采煤工作面回采時通風(fēng)、行人、運(yùn)輸、管線敷設(shè)的需要。3下610煤巷位于3下煤中，3下煤在本區(qū)內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定，全區(qū)可采，煤層厚度在1.85～6.17m，平均4.01m。結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且局部含夾石，煤層傾角在0～15°之間，平均7°。

測定綜掘面粉塵濃度時，先要關(guān)閉綜掘面所有的抑塵設(shè)備，然后測出現(xiàn)場各工序的原始粉塵濃度，主要是迎頭處、司機(jī)處，距迎頭不同距離處的粉塵濃度，得到不同測點(diǎn)的粉塵測定表，如表1所示。

表1 不同測點(diǎn)處粉塵濃度表

1.2 產(chǎn)塵機(jī)理

綜掘面產(chǎn)生粉塵的機(jī)理：當(dāng)比較尖的截割齒截割煤時，在截割齒與煤巖接觸點(diǎn)會產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，這個應(yīng)力會讓接觸點(diǎn)的煤巖首先產(chǎn)生破碎[1]。受應(yīng)力作用在一個很小的區(qū)域內(nèi)會發(fā)生破碎，同時由破碎產(chǎn)生的破碎物比較小，并且在截割齒與煤巖的接觸點(diǎn)及其附近煤巖一般都會受三項(xiàng)壓應(yīng)力，所以被破壞的這部分破碎體一般很難被排除到刀外，隨著截齒向前行進(jìn)，剛被破壞的那部分破碎體會再次遇到破壞，一直到最后形成堅實(shí)的煤粉核，伴隨著截割力度的增加，一些不太穩(wěn)定的裂隙便會開始失去穩(wěn)定性，向四周擴(kuò)展，當(dāng)截割齒的載荷達(dá)到其臨界值時，裂隙便開始失穩(wěn)擴(kuò)展，很快到達(dá)自由面，與此同時釋放出剩余的能量，使煤塊與煤體分離崩出，解除煤粉核的約束狀態(tài)，其自身集聚的能量也會釋放出來，這樣就會造成工作面粉塵的飛揚(yáng)[2]。

2 噴霧試驗(yàn)

本次試驗(yàn)運(yùn)用噴霧降塵試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行降塵試驗(yàn)，該模型裝置可以模擬綜掘面不同通風(fēng)風(fēng)速的封閉性試驗(yàn)，它是通過低負(fù)壓、高風(fēng)量的風(fēng)機(jī)特制的煤粉揚(yáng)起，同時利用安裝在噴霧儀器上的不同噴嘴進(jìn)行噴霧降塵，并在出口處架設(shè)全自動的粉塵測定儀，對煤塵濃度進(jìn)行測定，粉塵濃度測定試驗(yàn)過程如圖1所示。在噴霧降塵的過程中，利用安設(shè)在模型外的Winner312工業(yè)噴霧激光粒度分析儀測定液滴與粉塵顆粒的耦合情況[3]。

圖1 粉塵濃度測定試驗(yàn)過程示意圖

2.1 試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)采用的噴嘴是廣角旋口X芯式實(shí)心圓錐噴嘴，其霧化類型為含X形導(dǎo)流芯混合式，噴孔直徑為1.6mm、2.0mm和2.4mm，編號為1#、2#和3#，分別進(jìn)行以下步驟：

（1）選取1#噴嘴。

（2）啟動風(fēng)機(jī)和供水系統(tǒng)，等到風(fēng)速和供水均穩(wěn)定時，慢慢開始改變噴霧的壓力，與此同時啟動截止閥，待其穩(wěn)定之后觀測記錄供水管路上的壓力表、流量表和高壓泵壓力指示計讀數(shù)。

（3）利用觀測的數(shù)據(jù)，噴嘴的流量和霧化結(jié)構(gòu)都穩(wěn)定后，啟動揚(yáng)塵風(fēng)機(jī)開始發(fā)射煤粉來模擬現(xiàn)場環(huán)境。經(jīng)過計算，通過與煤粉發(fā)射器相連的塑膠管的煤粉量應(yīng)該控制在250g/min，噴霧前煤塵發(fā)射器的產(chǎn)生粉塵濃度是：全塵265mg/m3，呼吸性粉塵118mg/m3。

（4）通過分體式噴霧激光粒度分析儀Winner313測定不同壓力時水霧粒徑分布的情況，再根據(jù)分布情況分析得到整個噴霧場水霧滴分散分布的情況[4]。

（5）等到煤粉發(fā)射器發(fā)塵穩(wěn)定和噴霧設(shè)備工作穩(wěn)定后啟動位于模型出口的測塵儀設(shè)備（AKFC-92A型），然后采集粉塵，需要保證氣體流量控制在20L/min，采樣時間2min。

（6）重復(fù)以上步驟，對另外的噴嘴再進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

此次試驗(yàn)測得了三種噴嘴在不同的噴霧壓力和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為100r/min的情況下煤塵霧場耦合后的顆粒粒徑分布規(guī)律，測得霧場的塵霧顆粒粒徑數(shù)據(jù)如表2所示。

通過表中測得的數(shù)據(jù)可知：所測得的霧滴粒徑與只進(jìn)行噴霧不釋放煤塵時相比有所增大，這種情況說明了霧滴與煤塵發(fā)生了碰撞、凝結(jié)等作用，從而導(dǎo)致了霧滴的粒徑有所增大；隨著霧滴粒徑的增大，與其對應(yīng)捕獲的煤塵粒徑基本上也同樣會呈現(xiàn)出線性增加的趨勢[5]。

煤塵濃度及計算所得的噴霧降塵效率如表3所示。

表3 3種噴嘴不同壓力下的噴霧降塵效率

由表3可知：（1）在4MPa噴霧壓力下，噴嘴孔徑為2.4mm的3#噴嘴，全塵和呼吸性粉塵沉降效率不同，全塵的沉降效率是65.8%，呼吸性粉塵的降塵率是61.7%，由表中數(shù)據(jù)可以明顯看出在此次噴霧降塵試驗(yàn)中全塵降塵率和呼塵的降塵率都是最高的，這說明在此次試驗(yàn)中3#噴嘴在4MPa壓力下降塵效果是最明顯的；（2）同樣在4MPa的壓力下1#噴嘴也具有較好的降塵率，而且單位時間消耗的水量也較小。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3下610綜掘工作面凈斷面達(dá)12.4m2，工作面風(fēng)速較高。3下610煤巷綜掘面采用最大截煤巖硬度為8.5的EBZ220型掘進(jìn)機(jī)，在掘進(jìn)機(jī)搖臂左右側(cè)分別布置3個廣角旋口X芯式實(shí)心圓錐噴嘴，噴嘴直徑為2.4mm。噴霧裝置設(shè)計圖如圖2所示，噴霧后的粉塵濃度如表3所示。

圖2 噴霧裝置設(shè)計圖

表4 降塵后不同測點(diǎn)處粉塵濃度表

工作面現(xiàn)場的粉塵濃度大大降低，全塵和呼塵的平均降塵率分別高達(dá)96.0%和95.2%，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處，全塵和呼塵濃度也分別降至14.8mg/m3和8.3mg/m3，這表明，綜掘面的粉塵抑制系統(tǒng)有效降低了生產(chǎn)現(xiàn)場的粉塵濃度，并且改善了井下綜掘面的作業(yè)環(huán)境，對工人的身體健康和礦井的安全高效開采起到了保障作用[6]。

4 結(jié)論

（1）通過研究綜掘面產(chǎn)塵機(jī)理，對現(xiàn)場3下610煤巷綜掘面進(jìn)行測試，主要是迎頭處、司機(jī)處、距迎頭不同距離處的粉塵濃度。

（2）采用噴霧降塵試驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎貌煌讖降膰娮?，大小分別為1.6mm、2.0mm以及2.4mm，根據(jù)通水壓力的不同，研究霧滴粒徑與粉塵的耦合情況，進(jìn)而得到其降塵效果。

（3）對3下610煤巷進(jìn)行測試，現(xiàn)場采用噴孔直徑為2.4mm的廣角實(shí)心噴嘴，對迎頭處、司機(jī)處、距迎頭不同距離處的粉塵濃度進(jìn)行測定，其中迎頭處全塵濃度為195.7mg/m3，降塵效率達(dá)到69.3%，呼塵濃度為81.5mg/m3，降塵效率達(dá)到67.9%。