張運國，朱偉

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）濟(jì)寧七五煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 277699）

1 研究的目的意義

隨著煤礦開采強(qiáng)度的不斷增加且回采工藝機(jī)械化與自動化程度日益進(jìn)步，井下作業(yè)現(xiàn)場的煤塵污染問題尤為突出。在不采取任何防塵措施的條件下，綜采面最高產(chǎn)塵濃度可以達(dá)到8000mg/m3，遠(yuǎn)超煤礦安全規(guī)程規(guī)定的容許濃度，并嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)與礦工的身心健康。塵肺病是粉塵污染導(dǎo)致的主要職業(yè)危害，截至2020年，累計報告職業(yè)病病例101.1萬余例，其中煤礦行業(yè)的塵肺病患病率占到全部人數(shù)的60%以上。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，七五煤業(yè)公司23上11綜采面機(jī)械設(shè)備繁多，產(chǎn)塵作業(yè)工序復(fù)雜，致使現(xiàn)場采取的粉塵防治措施的不能取得預(yù)期效果，粉塵污染問題十分突出，已嚴(yán)重威脅了現(xiàn)場作業(yè)人員的身心健康與礦井的安全、高效生產(chǎn)。為從源頭上緩解七五煤業(yè)公司23上11綜采面的粉塵污染問題，本文提出了高產(chǎn)高效綜采面空間立體化霧化控除塵技術(shù)，構(gòu)建出針對七五煤業(yè)公司23上11綜采面空間立體化霧化控除塵技術(shù)體系，有效降低了工作面綜采現(xiàn)場的粉塵濃度，為煤礦采煤、運輸、噴漿等作業(yè)環(huán)境的粉塵防治工作提供了重要借鑒。

2 總體技術(shù)路線

高產(chǎn)高效綜采面空間立體化霧化控除塵技術(shù)采用理論分析、數(shù)值模擬、實驗測定以及現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的方法開展，具體技術(shù)路線如下。

（1）首先，在正常開采條件下采集粉塵樣本，實驗測定綜采面多源粉塵的濃度、粒徑、分散度、潤濕性等，為數(shù)值模擬與實驗研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，并從本質(zhì)上闡釋綜采現(xiàn)場粉塵污染嚴(yán)重且防治困難的問題。

（2）其次，開展CFD數(shù)值模擬研究，明確綜采面截割-移架作業(yè)時宏觀粉塵團(tuán)與細(xì)觀顆粒流時空演化污染規(guī)律，為構(gòu)建空間立體化霧化控除塵技術(shù)體系提供理論支撐。

（3）再次，通過對不同類型噴嘴在多因素擾動條件下的微霧化特性進(jìn)行實驗，優(yōu)化了適用于采煤機(jī)區(qū)域和機(jī)架移動區(qū)域三維霧化除塵技術(shù)系統(tǒng)的高效噴嘴組件。

（4）最后，基于上述數(shù)值模擬與實驗研究結(jié)果，構(gòu)建23上11綜采面空間立體化霧化控除塵技術(shù)體系并考察其實際控除塵效果。

3 主要研究內(nèi)容及試驗方法

3.1 綜采面多源粉塵離散特征與理化特性實驗研究

針對七五煤業(yè)公司23上11綜采面多源粉塵的濃度、粒度、分散度、濕潤性等參數(shù)進(jìn)行測定與分析，為綜采工作面宏觀塵團(tuán)和微觀顆粒流的時空演化和污染規(guī)律的數(shù)值模擬研究，以及不同類型噴嘴在多因素擾動條件下的微觀霧化特性的實驗研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

（1）粉塵粒度及分散度分析。在七五煤業(yè)公司3上211綜采面正常生產(chǎn)的環(huán)境下，針對截割、移架等主要產(chǎn)塵區(qū)域的逸散粉塵進(jìn)行采樣，應(yīng)用英國馬爾文儀器有限公司生產(chǎn)的Mastersizer 3000E激光粒度分析儀和Winner99型顯微顆粒圖像分析儀對所采煤樣粒度和分散度進(jìn)行實驗測定，并采用濾膜稱重法確定不同產(chǎn)塵區(qū)域的粉塵濃度。

（2）粉塵濕潤性分析。清水對粉塵的潤濕邊角（接觸角）反應(yīng)水分子與煤巖塵分子之間吸引力大小。潤濕邊角θ＜90°時，水容易在巖體表面鋪展，粉塵易于潤濕，潤濕邊角θ≥90°時，水難以在煤體表面鋪展，粉塵不易潤濕。項目應(yīng)用了DSA100視頻光學(xué)接觸角測量儀對不同粉塵區(qū)域的粉塵濕潤性進(jìn)行測試。

（3）粉塵微觀堆垛及分子結(jié)構(gòu)分析。運用紅外光譜、X-射線衍射、X射線光電子能譜、核磁共振等測試技術(shù)對3上211綜采面多源粉塵的脂肪烴、芳香烴基團(tuán)、羧基、羥基、礦物基團(tuán)、微晶結(jié)構(gòu)等微觀理化結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，從微觀層面確定了七五煤業(yè)公司3上211綜采面粉塵潤濕性的影響因素。

3.2 綜采面宏觀粉塵團(tuán)與細(xì)觀顆粒流時空演化污染規(guī)律研究

七五煤業(yè)公司23上11綜采面中的主要產(chǎn)塵工序為采煤機(jī)截割與液壓支架移架，而作業(yè)空間中運移的風(fēng)流是致使粉塵逸散的主要媒介。將EULERIAN-EULERIAN模型和EULERIAN- LAGRANGIAN模型相結(jié)合，結(jié)合連續(xù)介質(zhì)模型和粒子軌道模型的優(yōu)點，建立了一個新的氣相湍流和粒子相湍流的雙流體數(shù)學(xué)模型。首先，在有限體積法的基礎(chǔ)上，采用混合差分格式對偏微分方程進(jìn)行離散化。然后，采用混合差分格式和基于并置網(wǎng)格的SIMPLE算法，數(shù)值求解了綜采工作面氣流場遷移和粉塵流場擴(kuò)散的時空演化過程。

將23上11綜采面的實際作業(yè)環(huán)境作為原型構(gòu)建全尺寸、等比例的數(shù)值計算域，并建立新型氣相湍流－顆粒相湍流的雙流體數(shù)學(xué)模型，針對綜采作業(yè)環(huán)境中截割-移架粉塵在工作面運移風(fēng)流擾動條件下的時空演化過程以及其在截割湍流風(fēng)誘導(dǎo)下的污染特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析作業(yè)空間中的風(fēng)流矢量、流動軌跡以及粉塵濃度、逸散軌跡的空間分布特性，明確了七五煤業(yè)公司23上11綜采面截割-移架粉塵在作業(yè)空間中的時空演化規(guī)律，從而指導(dǎo)綜采面空間立體化霧化控除塵技術(shù)的設(shè)計與實施。

圖1 某綜采面呼吸帶高度粉塵濃度分布情況

3.3 多因素擾動條件下不同類型噴嘴細(xì)觀霧化特性實驗研究

通過調(diào)研各大煤礦企業(yè)普通采高綜采(放)面、大采高綜采(放)面以及超大采高綜采(放)面普遍采用的各類型噴霧降塵噴嘴，在不同噴霧壓力(2～10MPa)下進(jìn)行霧化角、有效射程以及流量等宏觀霧化特性，從中優(yōu)選霧化角較大，有效射程較遠(yuǎn)且流量相對較小的噴嘴?；谧灾餮兄频娘L(fēng)流-霧滴-粉塵三相耦合測試平臺，對優(yōu)選噴嘴在風(fēng)流、壓力以及自身結(jié)構(gòu)等因素擾動下的霧滴粒徑-速度等細(xì)觀霧化特性與噴霧降塵效率進(jìn)行實驗測定。

通過分析多因素擾動條件下不同類型噴嘴細(xì)觀霧化特性實驗結(jié)果，研究不同類型噴嘴噴霧壓力、流量，霧化粒度、速度以及噴霧降塵效率的對應(yīng)關(guān)系，揭示了霧滴有效捕塵的宏、細(xì)觀霧化參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為七五煤業(yè)公司3上211綜采面不同塵源作業(yè)區(qū)域降塵噴嘴的理論依據(jù)。

3.4 采煤機(jī)區(qū)域空間立體化霧化控除塵技術(shù)與裝備研究

針對七五煤業(yè)公司3上211綜采面，基于數(shù)值模擬與實驗測定的研究結(jié)果，研發(fā)了綜采面空間立體化霧化控除塵技術(shù)。該技術(shù)通過新型水動力濕式除塵器、采煤機(jī)搖臂環(huán)繞復(fù)合噴嘴噴霧器構(gòu)建采煤機(jī)區(qū)域空間立體化霧化控除塵技術(shù)體系，形成水霧幕，以密封切割和移動灰塵的擴(kuò)散空間，并抑制其遷移到框架前部和人行道等有人值守的工作空間。

為構(gòu)建采煤機(jī)區(qū)域空間立體化霧化控除塵技術(shù)體系，研發(fā)了新型采煤機(jī)水動力濕式除塵器與復(fù)合噴嘴噴霧器。項目采煤機(jī)順、逆風(fēng)截割部各安設(shè)一臺新型水動力除塵器，采用高強(qiáng)磁體固定，現(xiàn)場需提供2路壓力≥4MPa，流量≥30L/min的噴霧水源。水除塵器在動力作用下產(chǎn)生的高密度、顆粒大小的風(fēng)和水霧幕封閉了切割粉塵的逃逸空間，并使霧滴和塵粒在霧化的封閉空間中反復(fù)冷凝，捕獲高濃度的塵團(tuán)。

圖2 采煤機(jī)區(qū)域空間立體化霧化控除塵技術(shù)工藝現(xiàn)場布置示意圖

同時，研發(fā)的采煤機(jī)復(fù)合噴嘴噴霧器，能夠有效捕集截割垮落產(chǎn)生的粉塵及滾筒轉(zhuǎn)動揚起的浮塵，阻礙其向工作面空間逸散。采煤機(jī)前后滾筒處各安設(shè)三個復(fù)合噴嘴噴霧器，分別使用強(qiáng)力磁鐵固定，其中噴霧器1布置在搖臂根部采煤機(jī)機(jī)身上部，靠近煤壁側(cè)，向靠近煤壁滾筒一側(cè)方向噴射，用于降低煤體垮落產(chǎn)生的粉塵；噴霧器2布置在采煤機(jī)機(jī)身前部，向遠(yuǎn)離煤壁滾筒側(cè)噴射，用于阻礙因滾筒截割湍流風(fēng)造成的截割粉塵逸散；噴霧器3布置在采煤機(jī)搖臂根部，向滾筒下側(cè)噴射，可實現(xiàn)對采煤機(jī)滾筒揚起的粉塵有效抑制，阻礙其向人行道擴(kuò)散。

3.5 液壓支架區(qū)域空間立體化霧化控除塵技術(shù)與裝備研究

針對七五煤業(yè)公司3上211綜采面，為構(gòu)建液壓支架區(qū)域空間立體化霧化控除塵技術(shù)體系，項目研發(fā)了液壓支架負(fù)壓卷吸除塵器、全斷面霧化引射噴霧器，并設(shè)計塵源自動跟蹤噴霧的實操方法。

我們開發(fā)了一種負(fù)壓線圈吸入式除塵器，用于液壓支架區(qū)域的封閉霧化，該除塵器使用強(qiáng)磁體安裝在液壓支架的頂梁上。沿偶數(shù)液壓支架（單機(jī)）的中心對中心方向布置四套負(fù)壓盤管吸塵器，間距約300mm。左右兩組在高度方向上的距離約為500mm，噴霧方向與煤壁成30°～45°向采空區(qū)方向。它形成的多級水霧可以有效抑制切割和框架移動產(chǎn)生的灰塵逃逸到人行道空間，并實現(xiàn)對滯留在人行道區(qū)域的懸浮灰塵的有效抽吸。同時，它具有弱噴水減少灰塵的優(yōu)點。

同時，研發(fā)全斷面霧化引射噴霧降塵裝置，項目沿工作面通風(fēng)方向，間隔兩架負(fù)壓卷吸除塵器組安裝一架全斷面霧化引射噴霧降塵裝置（即每三架支架除塵器構(gòu)成一個循環(huán)，包括兩架負(fù)壓卷吸除塵器、一架全斷面霧化引射噴霧降塵裝置），通過強(qiáng)力磁鐵作為固定元件將其固定于液壓支架頂梁，其內(nèi)部布設(shè)3個噴射方向不同的噴嘴，霧化范圍可覆蓋工作面煤壁至液壓支架立柱間的中上部空間，可有效降低工作面粉塵濃度并吸入人行道處粉塵。

基于采面現(xiàn)有自動控制系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計塵源自動跟蹤噴霧的實操方法。順風(fēng)截割作業(yè)時采煤區(qū)域以前后滾筒為參考依據(jù)，對于前滾筒區(qū)域，支架噴霧開啟滾筒中心下風(fēng)側(cè)的第1、3、5架；對于后滾筒區(qū)域，支架噴霧開啟滾筒中心下風(fēng)側(cè)的第1架和上風(fēng)側(cè)的第1、3架。移架時以當(dāng)前移架位置為參考依據(jù)，支架噴霧開啟移架位置下風(fēng)側(cè)的第1、3架。逆風(fēng)割煤時，開啟方式同理。

4 主要研究成果

（1）煤塵的基本物理和化學(xué)特性，如粒度、粒度分布和潤濕性，煤塵的基礎(chǔ)空氣動力學(xué)特性，如重力沉降和布朗運動，水射流的基本理論，如自由射流和沖擊射流，以及液滴霧化和塵霧凝結(jié)的影響，對其進(jìn)行了理論分析和研究，揭示了煤塵在空氣中遷移的基本動力學(xué)理論和噴霧降塵機(jī)理，構(gòu)建了空間三維霧化降塵技術(shù)體系的理論基礎(chǔ)。

（2）基于Eulerian-Lagrangian坐標(biāo)系的可實現(xiàn)Realizable k-ε模型和DPM模型闡明了氣流流線軌跡、氣流矢量速度和偏移速度的分布模式，揭示了切割湍流風(fēng)對氣流傳輸特性的擾動效應(yīng)；比較分析了切割湍流風(fēng)合流前后煤塵顆粒軌跡的分布規(guī)律和煤塵濃度分布規(guī)律的差異，確定了切割湍流對煤塵污染特性的擾動作用。

（3）基于相位多普勒激光干涉儀噴霧模擬實驗平臺，測試了15種噴嘴在多因素擾動下的噴霧特性。通過對不同噴霧壓力下噴嘴噴霧角度、有效范圍和流量等宏觀參數(shù)的測量，確定了不同類型噴嘴的基本霧化特性，并選擇了適合綜采工作面噴霧降塵的噴嘴；在模擬工作面實際風(fēng)速的實驗條件下，測量了基于宏觀參數(shù)選擇的噴嘴液滴尺寸和速度等微觀參數(shù)，闡明了不同類型噴嘴在氣流擾動下的液滴尺寸及速度分布規(guī)律。

（4）基于數(shù)值模擬和實驗研究的結(jié)果，提出了一種綜采工作面三維霧化抑塵技術(shù)。在多因素擾動下噴嘴霧化特性實驗的基礎(chǔ)上，對采煤機(jī)和液壓支架的噴嘴類型和噴嘴布局進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)；我們采用正交實驗、對比實驗和數(shù)值模擬等方法，開發(fā)了負(fù)壓盤管吸塵器及其在應(yīng)用現(xiàn)場的布局；通過傳動元件的比較和選擇，對噴霧組噴嘴的類型和布局、采煤機(jī)液壓濕式除塵器及其在應(yīng)用現(xiàn)場的布局進(jìn)行了研究和設(shè)計。

5 研究應(yīng)用效果

通過在七五煤業(yè)公司3上211工作面開展綜采面空間立體化霧化控除塵技術(shù)研究應(yīng)用，不僅降低了綜采工作面現(xiàn)場粉塵的危險性，確保了礦井的安全生產(chǎn)，而且提高了礦工的勞動生產(chǎn)率和職業(yè)安全健康程度，為礦井的生產(chǎn)接續(xù)提供了保證。為此，全礦新增原煤產(chǎn)量約8.8萬t，新增產(chǎn)值約6200萬元，新增利稅2200萬元。建立了可靠、有效和經(jīng)濟(jì)的礦井綜合防塵技術(shù)系統(tǒng)，為公司節(jié)約大量礦工個體防護(hù)、塵肺病治療、防塵管理和技術(shù)專項資金70萬元。同時，實現(xiàn)了綜采面粉塵污染的高效控除，從而保障礦工生命健康，滿足我國煤炭智能-綠色-安全開采對粉塵防治的迫切需求，為推動煤炭行業(yè)粉塵治理技術(shù)進(jìn)步起到了典范作用，社會效益巨大。