宋 杰

(山西省高平市科興米山煤業(yè)有限公司,山西 高平 048400)

我國(guó)煤礦災(zāi)害較多,粉塵危害是五大危害之一[1-2]。目前我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)事故發(fā)生頻次逐年減少,但粉塵危害卻隨著機(jī)械化開采程度的加深而越發(fā)嚴(yán)重。由于長(zhǎng)期作業(yè)吸入大量粉塵可能導(dǎo)致塵肺病等呼吸系統(tǒng)疾病,塵肺病是我國(guó)第一大職業(yè)病,目前依舊無(wú)法治愈,目前約有90萬(wàn)塵肺病患者,每年新增1.5萬(wàn)人左右[3]。采煤、掘進(jìn)工作面是煤礦井下主要粉塵產(chǎn)生地點(diǎn),采煤機(jī)割煤或掘進(jìn)機(jī)截割產(chǎn)生的碎煤塊通過(guò)膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送至地面,運(yùn)送過(guò)程中當(dāng)膠帶機(jī)需要轉(zhuǎn)向時(shí),通常采用轉(zhuǎn)載實(shí)現(xiàn),前一段膠帶位于上方,后一段膠帶位于下方,上膠帶將煤巖碎塊拋落至下膠帶上完成轉(zhuǎn)向。煤流拋落時(shí)與下膠帶上的煤塊碰撞會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵。目前轉(zhuǎn)載點(diǎn)多采用水噴霧、除塵器、靜電除塵等措施,由于降塵效果不佳、系統(tǒng)復(fù)雜等原因,在工作面轉(zhuǎn)載點(diǎn)處應(yīng)用較少[4-5]。本文以米山礦15112采煤面轉(zhuǎn)載點(diǎn)為例,提出了考慮轉(zhuǎn)載點(diǎn)產(chǎn)塵特征的密閉控塵和超細(xì)水霧降塵,粉塵治理效果很好。

1 米山礦15112采煤工作面概況

米山15112采煤面位于15號(hào)煤層,工作面傾向長(zhǎng)度為145.5 m,走向長(zhǎng)度平均為1 227 m,煤層平均厚為2.7 m,煤層傾角3°～8°.工作面開采過(guò)程中,瓦斯最大絕對(duì)涌出量為0.45 m3/min,煤塵無(wú)爆炸性,煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類。采煤機(jī)型號(hào)為MG300/730-WD,平均采高為2.7 m,割煤深度為0.6 m,工作面供風(fēng)量為735 m3/min.

2 轉(zhuǎn)載點(diǎn)產(chǎn)塵特點(diǎn)分析

轉(zhuǎn)載點(diǎn)處粉塵的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)方面(圖1)[6-7]:①膠帶機(jī)輸煤速度快,上下膠帶機(jī)存在較大的高度差,煤流從上膠帶向下膠帶拋落時(shí)做平拋運(yùn)動(dòng),在此過(guò)程中,煤流中的粉塵被拋向空氣中隨風(fēng)流擴(kuò)散,體積較大的碎塊掉落在下膠帶上,相互沖擊破碎后產(chǎn)生粉塵;②煤流拋落時(shí)并非連續(xù)穩(wěn)定掉落,松散的煤流落到下膠帶時(shí)受到反作用力擠壓煤流,將間斷煤流之間的空隙擠壓出去,造成原有的沉積粉塵再次飛揚(yáng);③煤流比較干燥,水分含量低,煤體表面沉積粉塵無(wú)法被粘結(jié)在煤體上容易飛揚(yáng),煤體脆性大產(chǎn)塵能力高;④誘導(dǎo)風(fēng)流產(chǎn)塵,大量煤流從上膠帶掉落過(guò)程中,將帶動(dòng)煤流周圍空氣運(yùn)動(dòng),而且煤流掉落時(shí)還會(huì)在掉落路徑上形成湍流,這部分空氣使下落煤流表面的沉積粉塵飛揚(yáng)至空中,且膠帶運(yùn)行時(shí)對(duì)周圍空氣同樣產(chǎn)生誘導(dǎo)風(fēng)流,研究表明,膠帶運(yùn)輸速度從1 m/s加快至3 m/s時(shí),粉塵質(zhì)量濃度增加了近50%.

圖1 轉(zhuǎn)載點(diǎn)處粉塵起塵示意

3 轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵治理技術(shù)

3.1 降塵技術(shù)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)上述對(duì)粉塵產(chǎn)生原因的分析,轉(zhuǎn)載點(diǎn)處煤流沖擊產(chǎn)塵和揚(yáng)塵是造成轉(zhuǎn)載點(diǎn)處粉塵污染的最主要原因之一。因此,控制粉塵問(wèn)題的直接方法是在轉(zhuǎn)移點(diǎn)增加密閉裝置,利用密閉空間阻止粉塵向外擴(kuò)散。密閉的除塵裝置利用減少粉塵和工作空間內(nèi)風(fēng)流的接觸來(lái)防止粉塵擴(kuò)散,還要注意提高除塵設(shè)備的密閉性,避免粉塵從縫隙中逃逸污染外部環(huán)境。使用密閉除塵裝置抑制粉塵飛揚(yáng)的功能是避免外部氣流對(duì)粉塵的擾動(dòng)使其飛揚(yáng),同時(shí)阻止空中的粉塵向外部擴(kuò)散。而此類控塵措施的缺點(diǎn)是,只能在密閉裝置封閉的部分空間中控制粉塵擴(kuò)散范圍,沒(méi)有對(duì)粉塵做沉降治理,依然有粉塵向外流出。如果將超細(xì)水霧(霧滴粒徑<100 μm)裝置安裝在密閉裝置內(nèi)并一起使用,則可以控制密閉空間中的粉塵,并將密閉的粉塵集中潤(rùn)濕沉降,最終形成有效的控塵-降塵結(jié)合系統(tǒng)。

考慮到膠帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的作業(yè)特點(diǎn),普通噴霧液滴尺寸過(guò)大,容易增加煤中的水分含量,煤泥嚴(yán)重影響膠帶輸送機(jī)正常輸煤作業(yè),因此利用超細(xì)水霧治理粉塵。超細(xì)霧滴與粉塵的作用機(jī)理和粒徑較大的水霧相似,對(duì)粉塵主要有抑制、捕獲兩種作用。抑制是使沉積的粉塵表面潤(rùn)濕,彼此粘黏或黏附在煤體上,抑制粉塵飛揚(yáng);捕獲是霧滴碰撞粉塵將其攔截,粉塵顆粒質(zhì)量增加快速沉降。

運(yùn)輸過(guò)程中膠帶振動(dòng)、煤塊相互碰撞將造成粉塵飛揚(yáng)。僅在煤塊表面噴灑水霧很難完全濕潤(rùn)新粉。此外,由于粉塵產(chǎn)生量大,粉塵初始動(dòng)能高,抑塵效果有限,導(dǎo)致部分粉塵泄漏到空氣中,這就是水霧的捕塵效果。

液滴被噴射到包含粉塵的風(fēng)流之后,風(fēng)流跡線繞過(guò)霧滴,但粒徑較大的粉塵顆粒由于慣性將從風(fēng)流跡線中脫離并和液滴接觸后被捕獲,依靠粉塵和霧滴之間的碰撞、潤(rùn)濕作用使粉塵被潤(rùn)濕沉降,實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵顆粒的捕獲效果。當(dāng)粉塵粒徑較小時(shí),如呼吸性粉塵或PM2.5,會(huì)受到風(fēng)流中氣體分子的撞擊作用形成布朗運(yùn)動(dòng),同時(shí)向粉塵質(zhì)量濃度相對(duì)較低的位置擴(kuò)散。在布朗運(yùn)動(dòng)作用下,粉塵與較小粒徑的霧滴相互碰撞后被潤(rùn)濕截留,最終沉降。

3.2 降塵技術(shù)應(yīng)用及效果

如圖2所示,在上部膠帶末端上方布置導(dǎo)流板,導(dǎo)流板為從上向下的弧形,可以避免煤塊由于膠帶機(jī)傳送速度高拋出較遠(yuǎn)距離,能夠減少煤塊拋落過(guò)程中卷入的空氣和粉塵,還通過(guò)縮短拋落路徑的方式將煤塊掉落至下膠帶上的動(dòng)能減小,降低煤體相互沖擊。密閉裝置要包裹轉(zhuǎn)載點(diǎn)上下膠帶,并且在下膠帶延伸3～5 m,在密閉裝置煤流出入口均固定柔性防塵簾,和密閉裝置一起構(gòu)成完全密閉空間。超細(xì)水霧水源為礦井降塵用水,通過(guò)增加水壓降低噴嘴孔徑提高霧化效果,霧滴噴射流型為平扇形,噴嘴固定在上膠帶機(jī)末端和下膠帶機(jī)煤流掉落處,共有4個(gè)噴嘴,孔徑1.0 mm,供水壓力為6 MPa,總供水量為1.5 m3/h,噴霧擴(kuò)散角度為45°,霧滴場(chǎng)能夠完全覆蓋膠帶機(jī)煤流。

圖2 控塵除塵系統(tǒng)示意

根據(jù)上述分析可知,轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵大部分為二次揚(yáng)塵所致。膠帶是循環(huán)使用的部件,運(yùn)煤過(guò)程中膠帶表面會(huì)粘黏很多沉積粉塵,這些粉塵在膠帶發(fā)生振動(dòng)時(shí)極易脫落造成空氣污染,因此在膠帶回轉(zhuǎn)處布置膠帶清理裝置,如圖3所示,該裝置主要為帶阻尼的刷子,可及時(shí)清理將膠帶表面粘黏的粉塵,避免長(zhǎng)距離運(yùn)輸時(shí)因振動(dòng)等作用飛揚(yáng)。

為分析密閉裝置和超細(xì)水霧在轉(zhuǎn)載點(diǎn)處粉塵治理效果,在轉(zhuǎn)載點(diǎn)下膠帶后方布置粉塵質(zhì)量濃度測(cè)定點(diǎn),直讀式測(cè)塵儀采樣流量固定為5 L/min,采樣時(shí)間為5 min.測(cè)塵結(jié)果如表1所示。未治理粉塵時(shí),轉(zhuǎn)載點(diǎn)處全塵和呼塵質(zhì)量濃度平均值分別達(dá)到了176.8 mg/m3和37.9 mg/m3,嚴(yán)重威脅操作人員的健康。如果僅采用密閉裝置控制粉塵向外逸散路徑,全塵和呼塵質(zhì)量濃度分別降低至39.5 mg/m3和13 mg/m3,能夠治理77%和65.6%的全塵和呼塵。在密閉裝置內(nèi)部使用超細(xì)水霧后,全塵和呼塵分別降低至8 mg/m3和2.2 mg/m3,降塵率達(dá)到了95.5%和94.3%.

表1 粉塵質(zhì)量濃度測(cè)定

4 結(jié) 語(yǔ)

轉(zhuǎn)載點(diǎn)上膠帶碎塊掉落沖擊下膠帶產(chǎn)塵,沖擊時(shí)的反作用力擠壓煤流造成沉積粉塵二次飛揚(yáng),煤流干燥狀態(tài)下易發(fā)生脆性破碎產(chǎn)塵。全塵和呼塵平均濃度分別達(dá)到176.8 mg/m3和37.9 mg/m3.僅采用密閉裝置全塵和呼塵質(zhì)量濃度分別降低至39.5 mg/m3和13 mg/m3,能夠治理77%和65.6%的全塵和呼塵。增加超細(xì)水霧后,全塵和呼塵分別降低至8 mg/m3和2.2 mg/m3,降塵率達(dá)到了95.5%和94.3%.