劉慧敏，張 彬

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037024；2.太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 粉塵來源及危害

1.1 礦井生產(chǎn)粉塵來源

煤礦開采產(chǎn)生大量的粉塵，了解粉塵來源可以從根本上抑塵、除塵，以降低礦井粉塵濃度。采煤工作面的產(chǎn)塵量占整個(gè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)塵量的60%以上，采煤工序中產(chǎn)生的粉塵逸散至工作空間并隨風(fēng)流擴(kuò)散至較遠(yuǎn)距離。尤其是放頂煤工作面開采時(shí)，支架前方割煤產(chǎn)生的粉塵和支架后方頂煤垮落、相互碰撞、破碎時(shí)大量的粉塵隨煤塊內(nèi)部彈性能的釋放而逸散至工作空間，使得粉塵濃度遠(yuǎn)大于綜采工作面。雖然煤體預(yù)注水等防塵措施雖能起到一定作用，但水在煤這種多孔介質(zhì)中擴(kuò)散范圍有限，采煤工作面工作空間的粉塵濃度仍很大，需要采取綜合防塵措施以降低粉塵濃度[1]。

掘進(jìn)工作是為形成回采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作，掘進(jìn)與采煤相輔相成，貫穿于煤礦的整個(gè)生產(chǎn)過程。掘進(jìn)作業(yè)包括探煤、截割煤巖、爆破作業(yè)，尤其是巖巷掘進(jìn)會產(chǎn)生對作業(yè)人員呼吸系統(tǒng)危害極大的二氧化硅粉塵，并且由于掘進(jìn)巷道為獨(dú)頭工作面，巷道兼具進(jìn)風(fēng)與回風(fēng)，作業(yè)空間較狹小，無法形成完備的降塵系統(tǒng)，因此掘進(jìn)巷道也是礦井生產(chǎn)粉塵的主要來源，需對掘進(jìn)工作面的產(chǎn)塵源進(jìn)行控制[2]。除采煤和掘進(jìn)工作面外，煤炭運(yùn)輸環(huán)節(jié)中會因振動產(chǎn)生大量的煤塵，尤其是在轉(zhuǎn)載機(jī)處因煤炭的碰撞、跌落會產(chǎn)生大量高濃度粉塵，巷道錨噴、擴(kuò)幫等作業(yè)也會產(chǎn)生粉塵。營造安全、良好的作業(yè)環(huán)境需要從源頭上對各產(chǎn)塵點(diǎn)進(jìn)行有效控制[3]。

1.2 礦井粉塵危害

煤礦機(jī)械化生產(chǎn)在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也使工作空間內(nèi)粉塵濃度大大提升，由于井工開采環(huán)境的特殊性，煤體被截割、破碎形成小塊煤和煤塵，增加了其表面自由能，加速了煤的氧化，煤氧化過程中放出的熱量增加了煤自燃的概率，當(dāng)煤塊或高濃度煤塵氧化放熱升溫至300 ℃時(shí)，煤氧化會生成可燃性氣體，在高溫和有氧環(huán)境下，這些可燃?xì)怏w會燃燒，促使煤生成更多的可燃?xì)怏w，最終引發(fā)煤塵爆炸。我國約80%以上的煤層均有爆炸性，相較于瓦斯爆炸，煤塵爆炸的范圍和強(qiáng)度更大，將給礦井造成經(jīng)濟(jì)損失并危害工作人員的生命安全。

礦井生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵，一部分被各種除塵手段捕集，而很多難以用肉眼觀察的，直徑小于5 μm 的呼吸性粉塵仍漂浮在工作空間內(nèi)，作業(yè)人員長時(shí)間的工作將導(dǎo)致大量的呼吸性粉塵被吸入肺中，數(shù)十年所吸入的粉塵在肺葉上的積聚將使工作人員患上塵肺病，煤礦從業(yè)人員塵肺病確診病例居各行業(yè)之首[4]，嚴(yán)重危害煤礦從業(yè)人員身心健康。

煤礦采掘空間內(nèi)的高濃度粉塵將會嚴(yán)重阻礙作業(yè)人員的視野，影響作業(yè)人員的操作和判斷，從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，并且大量細(xì)微粉塵會擴(kuò)散至儀器設(shè)備內(nèi)部，造成儀器設(shè)備精度下降、壽命降低。

2 噴霧除塵機(jī)理分析

除礦井通風(fēng)外，目前我國煤礦井下的除塵、降塵技術(shù)主要包括煤體預(yù)先注水、噴霧除塵、泡沫除塵、空氣幕和水幕隔塵、個(gè)體防護(hù)措施等。噴霧除塵技術(shù)因其快速拆裝、應(yīng)用面廣，適配程度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于井下大巷、采煤機(jī)、綜掘機(jī)、液壓支架、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶運(yùn)輸機(jī)等主要產(chǎn)塵點(diǎn)以抑制粉塵的擴(kuò)散。

2.1 噴霧技術(shù)

噴霧技術(shù)包括常壓噴霧、低壓噴霧和高壓噴霧。低壓噴霧流體入射壓力低，經(jīng)噴嘴轉(zhuǎn)化為霧滴的射流有一定范圍的有效作用區(qū)，但霧滴集中且易受空氣阻力和重力影響而降低速度，進(jìn)入霧滴擴(kuò)散和沉降的射流衰減階段，低壓噴霧因壓力較低而無法保證水霧均勻分布，有效作用范圍有限且水霧顆粒較大，霧化后的水霧顆粒與粉塵結(jié)合效率低，捕塵效果一般。常壓噴霧流體經(jīng)噴嘴轉(zhuǎn)化為水霧后同樣劃分為有效作用區(qū)與衰減區(qū)，由于其射流速度大，受重力影響小的有效作用段較低壓噴霧長，然后轉(zhuǎn)為以擴(kuò)散和沉降為主的霧流衰減段。液態(tài)水在高壓泵作用下被加壓，高壓水流的壓力能經(jīng)過噴嘴轉(zhuǎn)化為動能，形成高速的細(xì)小霧粒的過程即為高壓噴霧技術(shù)，該技術(shù)經(jīng)噴嘴轉(zhuǎn)化的射流動能大、速度高、霧化效果好且在噴霧圓錐段后段會形成卷吸區(qū)，經(jīng)過圓錐段后，霧化顆粒在氣流與壓力作用下將持續(xù)向前運(yùn)動即噴霧的圓柱段且沒有明顯的衰減區(qū)。低壓、高壓噴霧作用分區(qū)圖，如圖1 所示?，F(xiàn)場資料表明，7.5～15MPa 的噴霧壓力除塵效果高達(dá)80%～95%，是低壓、常壓噴霧除塵效率的2 倍左右，因此高壓噴霧技術(shù)是礦井除塵采用的主要技術(shù)。

圖1 低壓、高壓噴霧作用分區(qū)圖

2.2 高壓噴霧除塵機(jī)理分析

懸浮在空氣中的粉塵和高壓噴霧所產(chǎn)生的霧滴之間發(fā)生慣性碰撞、攔截捕集、重力沉降、靜電作用和布朗擴(kuò)散等實(shí)現(xiàn)降塵的目的[5]。慣性碰撞捕集是指質(zhì)量較大的粉塵具有較大的運(yùn)動慣性，在遇到霧滴時(shí)將與霧滴發(fā)生碰撞而被捕集，而運(yùn)動慣性較小的粉塵將繞過霧滴向前運(yùn)動，粉塵粒徑的增加和霧滴運(yùn)動速度的增加將提升慣性碰撞捕集效率，慣性碰撞捕集的多為大粒徑粉塵。長期懸浮于氣流中的小質(zhì)量粉塵會在其與霧滴之間的范德華力作用下被攔截捕集，攔截捕集效率與粉塵、霧滴粒徑有關(guān)。氣流中的大質(zhì)量粉塵將在自身重力作用下沉降，這將大大增加被霧滴捕集的概率，這個(gè)過程即為重力沉降捕集，重力沉降捕集效率主要受到粉塵質(zhì)量、空氣流速影響下的重力沉降效率有關(guān)，粉塵重力沉降越明顯，重力沉降捕集效率越高?？諝庵蟹蹓m之間、高壓水流與噴嘴之間的相互摩擦、碰撞均會使霧滴和粉塵帶上電荷，當(dāng)粉塵與霧滴所帶電荷相反時(shí)，二者結(jié)合概率將在靜電作用下顯著增加。粉塵的布朗擴(kuò)散捕集是指粒徑小于1 μm 的粉塵途徑霧滴時(shí)不沿氣流方向移動而是在布朗擴(kuò)散作用下直接被霧滴所捕獲的現(xiàn)象，布朗擴(kuò)散捕集一般發(fā)生在霧滴的氣流流線周圍且瞬時(shí)性較強(qiáng)。高壓噴霧的除塵機(jī)理匯總，如圖2 所示。

圖2 高壓噴霧除塵機(jī)理

3 噴霧除塵效果的影響因素分析

高壓噴霧是礦井除塵的必要抑塵措施，系統(tǒng)分析高壓噴霧除塵效率的影響因素有利于提升高壓噴霧除塵效率。

3.1 水的性質(zhì)對除塵效果的影響

礦井高壓噴霧用水一般不做凈化處理，僅經(jīng)過簡單的沉淀、過濾和消毒，當(dāng)噴霧用水中含有雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)將在高壓水流作用下破碎并影響噴嘴的精密結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時(shí)將堵塞噴嘴，從而影響高壓噴霧的除塵效果；噴霧用水的pH 值偏大或偏小時(shí)，均會長期腐蝕高壓噴霧系統(tǒng)的管路及噴嘴的結(jié)構(gòu)，影響噴霧系統(tǒng)的使用壽命及噴霧除塵效果；高壓噴霧用水的成分也將影響噴霧除塵效果，霧滴與空氣的界面存在具有表面張力的薄膜，表面張力的大小將影響其潤濕煤塵的能力，當(dāng)液體的表面張力較大時(shí)，粉塵較難被潤濕，當(dāng)液體的表面張力較小時(shí)，水潤濕粉塵的能力將被顯著提升，因此，在噴霧用水中加入適量潤濕劑可以提升噴霧除塵效果。

3.2 噴霧參數(shù)對除塵效果的影響

噴霧的壓力和流量是影響霧化效果的兩個(gè)重要參數(shù)。高壓噴霧系統(tǒng)的噴霧壓力由泵站提供，當(dāng)噴霧壓力小于1 MPa 時(shí)，噴霧霧滴的粒徑無明顯變化，噴霧有效作用范圍較小，當(dāng)噴霧壓力大于1 MPa 時(shí)，霧滴粒徑、噴霧的速度將隨壓力的增加而增加，霧滴速度越快、粒徑越小，捕塵效率就越高，但是當(dāng)噴霧壓力過大時(shí)不僅會早晨水、電成本的增加，還會導(dǎo)致噴霧系統(tǒng)在長期高壓荷載運(yùn)行下而增大磨損、降低使用壽命；噴霧流量是指固定噴霧壓力時(shí)單位時(shí)間流經(jīng)噴嘴的水量，噴霧流量越大，噴霧形成霧滴的數(shù)量越多且除塵效率越高，但是過大的噴霧流量會導(dǎo)致噴霧空間水分含量較高，造成地面濕滑的同時(shí)會影響煤內(nèi)部的水分含量，因此在具體噴霧除塵工況下需要調(diào)試合理的噴霧參數(shù)達(dá)到較好的噴霧除塵效果。

3.3 噴嘴結(jié)構(gòu)對除塵效果的影響

噴嘴的布置及選型是影響噴霧除塵效果的重要因素。高壓噴霧除塵系統(tǒng)中噴嘴的布置位置和數(shù)量是影響除塵效果的主要因素，采煤機(jī)所布置噴嘴形成的噴霧應(yīng)覆蓋截割頭，液壓支架所布置的噴嘴應(yīng)從豎直方向阻斷粉塵的擴(kuò)散，轉(zhuǎn)載機(jī)破碎機(jī)等定點(diǎn)噴嘴的噴霧應(yīng)針對產(chǎn)塵源進(jìn)行布置，大巷所布置噴嘴形成的噴霧應(yīng)覆蓋巷道橫截面積以實(shí)現(xiàn)高效除塵；目前，直射噴嘴、螺旋噴嘴、十字導(dǎo)水芯式噴嘴及平射噴嘴是礦井除塵常用的壓力霧化噴嘴，不同類型噴嘴將影響噴嘴出口霧滴圓柱段的長度及霧滴粒徑、均勻度、速度等參數(shù)，從而影響噴霧除塵的效率，具體的噴嘴選型應(yīng)根據(jù)高壓噴霧系統(tǒng)安裝位置處的粉塵顆粒直徑、產(chǎn)塵特點(diǎn)等進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)除塵效果。

4 結(jié)論

闡述煤礦井工開采粉塵的主要來源及危害，并對高壓噴霧、低壓噴霧及常壓噴霧技術(shù)的區(qū)別進(jìn)行敘述，將高壓噴霧除塵機(jī)理概括為慣性碰撞捕集、重力沉降捕集、攔截捕集、靜電作用捕集及布朗擴(kuò)撒捕集。進(jìn)一步從噴霧用水的性質(zhì)、噴霧壓力和噴霧流量、噴嘴結(jié)構(gòu)三個(gè)方面分析高壓噴霧除塵效果的主要影響因素，為礦井噴霧除塵作業(yè)、噴霧除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和參考。