韓 力

(山西焦煤霍州煤電霍源通新產(chǎn)業(yè)投資有限公司,山西 霍州 031400)

1 5-1022綜掘工作面概況

汾源煤礦隸屬于霍州煤電集團。礦井絕對瓦斯涌出量為1.45 m3/min、相對瓦斯涌出量為0.89 m3/t,工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.1 m3/min,屬低瓦斯礦井。5-1022屬于第5煤層,煤層傾角23°～27°,平均傾角25°,煤層所含節(jié)理發(fā)育。工作面總長780 m,其中包含長度為147 m的5-1022回風(fēng)聯(lián)巷和長633 m的5-1022巷道?；仫L(fēng)聯(lián)巷為矩形斷面,長和高分別為3.2 m和2.9 m;5-1022巷道斷面為面積為15 m2的梯形,上部寬3.9 m、下部寬5.0 m、高3.4 m.工作面供風(fēng)量為300 m3/min,采用FBD-№6.0型對旋局部風(fēng)機壓入式供風(fēng)。采用EBZ-200型綜掘機掘進,掘進時從巷道中下部開始進刀,截割深度為600～800 mm,截割路線從下向上呈“S”形。

2 5-1022綜掘過程產(chǎn)塵分析

掘進機高強度截割會產(chǎn)生大量粉塵,明確產(chǎn)塵及粉塵運移特征對高效粉塵治理有重要意義[1-2]。按照國家標(biāo)準(zhǔn),在5-1022工作面布置7個測點,見圖1.由于掘進機司機是距離截割塵源最近的工作人員,因此以掘進機司機作為起點。利用直讀式測塵儀進行粉塵濃度測定,每次測定時測塵儀固定在1.5 m的人體呼吸帶高度,每個測點測3個數(shù)據(jù),取平均值以減小誤差。將5-1022回風(fēng)聯(lián)巷測得的粉塵濃度記為第1組,5-1022巷道的粉塵濃度記為第2組。

圖1 測點布置圖

測塵結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?兩組全塵濃度相差并不大,第2組的呼塵濃度在不同測點都高于第1組。從整體上來看,兩組總粉塵濃度、呼吸性粉塵濃度的變化趨勢比較相近,尤其是總粉塵濃度,均在距離掘進機司機15 m處下降變緩出現(xiàn)拐點,可以將15 m之前分為快速沉降區(qū),之后分為緩慢沉降區(qū)。呼吸性粉塵濃度的下降速度比較平緩,并未出現(xiàn)與總粉塵濃度類似的明顯拐點。這是由于總粉塵粒徑小于100 μm,粒徑較大的顆粒受重力影響更大,沉降速度更快,隨風(fēng)流運移較短距離后就會掉落至地面,而細(xì)微顆粒如呼吸性粉塵、PM2.5等沉降速度慢,可以隨空氣運移較遠(yuǎn)距離。

圖2 測塵結(jié)果

對粉塵粒徑分布進行細(xì)致量化分析,可以判斷產(chǎn)生粉塵的危害程度。測塵儀采用濾膜獲取掘進面粉塵樣本,直接利用Winner-2000粒徑分析儀進行粉塵粒徑分布測定。這里將空氣動力學(xué)直徑小于7.07 μm的劃分為呼吸性粉塵,7.07～50 μm的劃分為中等粒徑粉塵,50～100 μm的劃分為氣載粉塵。從圖3可以看出,中等粒徑和氣載粉塵濃度曲線依然以15 m為分區(qū)點,0～15 m處為大小顆粒粉塵共存區(qū)域,15 m以外為小顆粒占主區(qū)域。和圖2對比,發(fā)現(xiàn)這一變化趨勢是相似的。在大小顆粒粉塵共存的區(qū)域內(nèi),粒徑大于50 μm的粉塵占比很少,以圖3(b)為例,該部分粉塵僅占約15%,7.07～50 μm之間的粉塵占比約為80%.隨著產(chǎn)塵源頭之間的距離增加,大顆粒粉塵沉降越來越多,掘進機15 m以外,粒徑大于50 μm的粉塵占比僅為7%左右,7.07～50 μm之間的粉塵占比也降低72%,呼吸性粉塵占比升高至28%.I和II曲線之間y軸的間距隨距離增加而逐漸變小,也能夠說明大顆粒粉塵沉降加速這一現(xiàn)象。

圖3 粉塵粒徑分布

3 噴霧降塵技術(shù)優(yōu)選及應(yīng)用效果

3.1 噴霧降塵原理

粉塵的擴散主要受空氣運移作用,在綜掘巷道內(nèi)部的空氣可以按照不可壓縮流體來對待[3]。將粉塵顆粒的運動方程和空氣自身運動方程相聯(lián)系,能夠得到粉塵在空氣中運動的控制方程,同時需要假設(shè)粉塵為圓球形,只考慮氣固兩相流的相對運動產(chǎn)生的作用力如公式(1)所示[4]:

(1)

式中:ρg為空氣密度,kg/m3;vg為氣體速度,m/s;▽vg為速度梯度,m/s;m為單位體積所受的重力,N/m3;p為空氣壓力,Pa;▽p為壓力梯度,Pa;f為除質(zhì)量、氣體以外的作用力,N/m3;ds為粉塵顆粒直徑,m;ρs為粉塵顆粒密度,kg/m3;CD為阻力系數(shù);vs為固體顆粒的速度,m/s;vr為氣固兩相的相對速度,m/s.

向空氣中噴射霧滴降塵的過程可以視為液體霧滴和固體顆粒之間凝結(jié)、潤濕、沉降的綜合作用,其中以惰性凝結(jié)為主。前人研究表明,霧滴直徑對其能夠捕獲顆粒的直徑有直接關(guān)聯(lián)。因此可以在公式(1)的基礎(chǔ)上分析能夠有效捕獲顆粒所需的最小霧滴直徑,如公式(2)所示。可以看出,如果液滴直徑過大,能夠捕集到細(xì)微顆粒的效果就會變差。當(dāng)粉塵顆粒直徑和霧滴直徑近似時,霧滴降塵效果最佳。因此需要根據(jù)粉塵粒徑的分布情況確定噴霧降塵的最佳霧滴直徑[5]。

(2)

式中:η為空氣粘度系數(shù);D為霧滴直徑;K為比例系數(shù);u為空氣速度。

3.2 降塵工況參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述分析可以看出,若要達到最佳的降塵效果,需要先確定適用于降塵情況的霧滴直徑。5-1022綜掘面截割過程中,掘進機司機處的粉塵濃度最高,隨著距離的增加,濃度逐漸降低且到15 m后降低速度減緩。在前15 m范圍內(nèi),占比最多的是中等大小的粉塵顆粒,大顆粒粉塵占比也達到了15%,因此該部分降塵的霧滴中位徑確定為50 μm;在15 m以外,大顆粒粉塵沉降明顯,該區(qū)域內(nèi)的粉塵治理應(yīng)該以中小顆粒為主,因此確定噴霧霧滴中位徑為25 μm.

確定不同區(qū)域的最佳降塵霧滴粒徑后,需要選定能夠?qū)崿F(xiàn)該粒徑的噴頭。本研究選定兩個地點為主要降塵位置,分別是掘進機截割頭旋轉(zhuǎn)截割產(chǎn)塵和全斷面粉塵,分別利用綜掘機截割頭外噴霧和司機后方25 m處的全斷面自動啟閉水幕簾治理。掘進機外噴霧噴射的霧滴中位徑為50 μm,而且還需要有較高的出口速度能夠在掘進頭周圍形成具有沖擊力的霧滴場,保證對掘進機截割頭周圍的包裹。水幕簾處的噴霧中位徑為25 μm,為避免水量較大造成工作面積水影響作業(yè)效率,要求噴霧擴散角度大、流量小且霧滴粒徑較小。經(jīng)過選型后,確定掘進機高壓外噴霧噴嘴孔徑為1 mm,水壓為12 MPa,噴射的霧滴中位徑為48 μm,射程為3 m,滿足了掘進機截割噴霧降塵技術(shù)的參數(shù)要求。全斷面水幕簾處利用氣水霧技術(shù),能夠在較少水量的情況下實現(xiàn)較好的霧化效果,降低霧滴粒徑。最終確定氣水霧水壓為2 MPa、氣壓為0.6 MPa,產(chǎn)生的霧滴中位徑為21 μm.全斷面水幕簾的開啟關(guān)閉利用紅外傳感器控制,當(dāng)檢測到有作業(yè)人員經(jīng)過時關(guān)閉氣水霧,避免打濕作業(yè)人員衣物,影響工作效率。

3.3 降塵效果分析

在掘進機司機處和司機后方25 m處布置兩個測塵點,以分析噴霧降塵效果,測塵結(jié)果如表1所示。除塵率按照公式(3)計算。

表1 各測塵點粉塵濃度

(3)

式中:μ為除塵率,%;c1為沒有降塵措施時的粉塵濃度,mg/m3;c2為采用綜合降塵措施后的粉塵濃度,mg/m3.利用噴霧降塵之前,掘進機司機處的總粉塵和呼吸性粉塵原始濃度分別為601.3 mg/m3和93.9 mg/m3,采用中位徑為48 μm的掘進機外噴霧降塵以后,總粉塵和呼吸性粉塵濃度被降低至48.2 mg/m3和8.6 mg/m3,降塵率分別為92%和90.8%;掘進機司機后25 m處的原始總粉塵和呼吸性粉塵濃度分別為209.4 mg/m3和73.5 mg/m3,利用掘進機外噴霧和中位徑為21 μm的全斷面氣水霧進行綜合治理后,粉塵濃度被降低至13.2 mg/m3和4.6 mg/m3,降塵率達到了93.7%和93.8%.

4 結(jié) 語

汾源礦5-1022綜掘面掘進機截割產(chǎn)塵強度大,濃度值最高位置為掘進機司機處,大顆粒粉塵隨空氣運移過程中沉降比較明顯,到15 m后出現(xiàn)拐點,濃度下降速度變緩,呼吸性粉塵沉降較慢,濃度隨距離增加平緩下降。

利用中位徑為48 μm的掘進機外噴霧和中位徑為21 μm的全斷面氣水霧綜合治理后,掘進機司機處的總粉塵和呼吸性粉塵濃度從601.3 mg/m3和93.9 mg/m3降低到48.2 mg/m3和8.6 mg/m3,降塵率分別為92%和90.8%;掘進機司機后25 m處總粉塵和呼吸性粉塵濃度從209.4 mg/m3和73.5 mg/m3降低到13.2 mg/m3和4.6 mg/m3,降塵率達到了93.7%和93.8%.