矿井高压喷雾降尘系统的设计及应用_张泽华.pdf

矿井高压喷雾降尘系统的设计及应用张泽华（晋能控股煤业集团煤峪口矿通风区，山西大同037000）摘要：煤矿开采过程中产生大量的粉尘，对煤矿的安全开采及作业人员健康造成威胁。针对煤矿工作面的降尘需求，设计了高压喷雾降尘系统，对系统的布置进行描述，并对喷嘴的结构及安装位置进行设计。对所设计的系统采用滤膜法进行效果分析。结果表明，高压喷雾降尘系统对工作面的降尘效率中总粉尘达 72.9%、呼吸性粉尘达62.3%，具有较好的降尘效果。关键词：粉尘高压喷雾喷嘴粉尘浓度降尘效率中图分类号：TD714.4文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0125-02引言近几年，随着煤矿开采技术的发展，煤矿井下机械化综采成为主要的开采方式，在开采过程中，综采设备的高强度作业会产生大量的粉尘，使得工作面的粉尘浓度较高，造成工作环境的恶化1，对作业人员健康及煤矿的安全造成威胁。为降低矿井工作面的粉尘浓度，通风排尘及煤层注水是常用的除尘措施，通风排尘中加强工作面的通风是有效的粉尘防治手段，但在长距离的工作面巷道中容易形成速度梯度2，不利于粉尘的向外扩散；对煤层进行预先注水的方式可以增加煤层的湿度，从而降低采煤作业中产生的粉尘量3，但随着综采机械化采煤的应用，长钻孔的煤层注水难度增加，难以满足开采效率的需求。高压喷雾除尘是通过向含尘工作面喷射高压雾滴的形式进行降尘4，喷雾降尘可通过掘进机的喷雾装置进行直接喷雾作业，且通过内喷雾及喷雾系统的结合可有效降低工作面的粉尘浓度5。针对煤矿矿井中高压喷雾降尘系统进行设计，并对降尘效果进行分析，从而应用于矿井的降尘系统中，降低工作面的粉尘浓度，保证煤矿的安全开采。1高压喷雾降尘系统的设计高压喷雾降尘通过向工作面中喷射高压水雾，水雾在短时间内分散形成不同粒径的雾滴，雾滴与空气中的粉尘颗粒相互碰撞或截留6，从而形成较大的颗粒，在重力作用下降落，其作用机理如图 1 所示。由于矿井工作面产生的粉尘颗粒一般较大，雾滴与粉尘颗粒之间主要通过惯性碰撞的机理作用7，对于小颗粒的呼吸性粉尘（空气动力直径小于 7.07m）则主要通过截留、静电等作用相结合。掘进机进行工作面煤岩掘进的过程中，产生大量的粉尘，由于掘进机设备的综合性较高，可通过掘进机安装布置高压喷雾降尘系统8。高压喷雾降尘系统组成包括高压喷雾泵站、高压水质过滤器、高压管路及高压喷雾降尘器，系统的安装布置如图 2 所示。在高压喷雾降尘系统中，高压喷雾泵站布置在掘进机的后部位置，泵站中添加一定量的用水，在高压水泵的作用下，将水经高压管路输出给高压喷雾降尘器9，在高压喷雾泵站的出口位置出安装有精密水质过滤器对管路中的高压水进行过滤，保证管路及降尘器的通畅。煤矿开采过程中，经高压喷雾除尘器喷出的水雾中，雾滴粒径的大小形成与高压水的压力具有一定的关系10，由于工作面粉尘的浓度及分布不一，常规的喷水压力为 810 MPa，此时形成的雾滴粒径在5675m之间，可对工作面的粉尘起到较好的结合作用，起到喷雾降尘的作用。高压喷雾降尘器中使用的喷嘴结构及安装位置的不同对喷雾产生的效果具有不同的影响。依据喷雾降尘的研究，G 形高压雾化喷嘴采用实心圆锥形的射流喷嘴，在高压作用下形成的水雾流速高，能够达到的射程较远，且形成较大的覆盖面积，圆锥形的射流收稿日期：2022-03-18作者简介：张泽华（1993），男，山西大同人，本科，毕业于山西工程技术学院，助理工程师，研究方向为一通三防。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.048图 1喷雾降尘的机理图 2高压喷雾降尘系统的安装示意图惯性碰撞扩散拦截流线重力沉降流线轨迹粉尘颗粒水滴颗粒高压管路高压精密水质过滤器高压喷雾泵站高压喷雾降尘器桥式转载机皮带输送机结构设计机械管理开发第 38 卷喷嘴也可节约一定的用水量。对高压喷雾降尘器，采用 0.8 mm 直径的 G 形高压喷雾喷嘴进行降尘使用。喷雾降尘器安装在掘进机的前部位置处，对于具有内喷雾系统的掘进机，在截割头上具有相应的喷嘴安装位置，可实现截割作业粉尘的内喷雾降尘。外喷雾系统将降尘器的喷嘴安装在截割臂的前部位置，降尘器共安装有 10 个喷嘴，其分布位置如图 3 所示，其中顶部位置安装 6 个，两侧位置各安装 2 个。顶部安装的喷嘴中，最外侧位置额喷嘴，调节喷嘴的方向正对巷道两帮顶部方向，喷嘴的间距为 100 mm，两侧位置的喷嘴，上方喷嘴与顶部喷嘴的垂直距离为 100 mm，底部喷嘴的垂直距离为 150 mm，调节底部两个喷嘴的方向正对巷道两帮的底部方向。选择高压喷雾系统的压力为 8 MPa，此时在 10 个喷嘴作用下喷雾降尘系统的用水量为 32 L/min。2高压喷雾降尘系统的应用效果分析对高压喷雾降尘系统的应用效果进行分析，在煤矿矿井中布置测量点位于巷道的回风侧，距离工作面的距离为 20 m，采用供水压力为 8 MPa，采用滤膜法进行降尘效果的分析。对测量点位置进行采样，为便于对高压喷雾降尘系统的应用性进行分析，对工作面的总粉尘量及呼吸性粉尘量分别进行记录统计。采用滤膜法对采集到的粉尘浓度进行计算，粉尘浓度的计算为：c=m2-m1Qt1 000.（1）式中：c 为工作面的粉尘浓度值，mg/m3；m1为采样前滤膜的质量，mg；m2为采样后滤膜的质量，mg；Q 为采样过程中高压喷雾系统的流量，L/min；t 为采样周期时间，min。经过高压喷雾降尘后的降尘效率计算为：=c1-c2c1100%.（2）式中：c1为工作面喷雾降尘前的粉尘浓度，mg/m3；c2为工作面喷雾降尘后的粉尘浓度，mg/m3。在工作面进行高压喷雾降尘操作前采用滤膜法进行采样，经过 10 min 的采样后，对采样后的滤膜进行称重处理；然后采用新的滤膜对高压喷雾降尘过程中进行采样，经过 10 min 的采样后，对采样后的滤膜进行称重处理，依照式（1）、式（2），对煤矿工作面的总粉尘及呼吸性粉尘进行计算，得到高压喷雾降尘的粉尘浓度及降尘效率变化如表 1 所示。从表 1 中可以看出，在煤矿掘进机进行截割作业的过程中，在巷道的回风侧距离 20 m位置处进行高压喷雾降尘操作，可将工作面的总粉尘浓度由 467mg/m3降至 127 mg/m3，呼吸性粉尘浓度由 37 mg/m3降至 14 mg/m3，对工作面的总粉尘降尘效率达 72.9%，呼吸性粉尘降尘效率达 62.3%。采用高压喷雾降尘系统，可有效降低矿井工作面的粉尘浓度，且对总粉尘的降尘效率要高于呼吸性粉尘，这是由于呼吸性粉尘的颗粒较小，与雾滴相遇结合成较大粒径的粉尘颗粒的概率要低。3结语煤矿工作面的开采过程中，由于机械设备的高强度作业会产生大量的粉尘，对工作面的安全及作业人员的健康造成威胁。采用高压喷雾的形式对矿井工作面进行降尘处理，设计了高压喷雾降尘系统，对其布置位置进行了描述。依据高压降尘器的使用，选用 G形高压雾化喷嘴，并对喷嘴的安装形式进行设计。采用滤膜法对所设计的高压喷雾降尘系统的使用效果进行分析，结果表明，采用高压喷雾降尘系统对工作面的降尘效率总粉尘达 72.9%，呼吸性粉尘达62.3%，可有效降低煤矿工作面的粉尘浓度，保证煤矿的安全开采。参考文献1刘丹丹，刘衡，李德文，等.基于遗传算法的煤矿粉尘浓度测量装置优化J.黑龙江科技大学学报，2018，28（1）：97-101；128.2谢宏，魏童.基于 DEMATEL 的煤矿粉尘职业危害评价指标分析J.华北科技学院学报，2018，15（6）：20-23.3刘丹丹，刘衡，李德文，等.基于响应曲面法煤矿粉尘浓度测量装置优化研究J.煤炭科学技术，2020，48（4）：224-229.4张易容.基于循环神经网络的哈尔乌素露天煤矿粉尘浓度预测D.徐州：中国矿业大学，2020.5叶川，徐宁，周建伟，等.煤矿粉尘润湿性能试验及其影响因素研究J.煤炭科技，2019，40（4）：33-36.6郭春雨.基于物联网的煤矿粉尘浓度监测系统的设计J.科学技术创新，2020（3）：78-79.7谢宏，张萌萌.基于系统动力学理论的煤矿粉尘危害评价及分级管理研究J.华北科技学院学报，2020，17（2）：1-9.8陈凯，宋亚新，王卓龑，等.李家壕煤矿粉尘特性及音爆雾化降尘系统应用J.能源与环保，2021，43（12）：14-19.图 3高压喷雾降尘系统喷嘴的安装位置示意图（单位：mm）高压喷雾操作粉尘浓度/（mg m-3）降尘效率/%总粉尘呼吸性粉尘总粉尘呼吸性粉尘喷雾前46737喷雾后1271472.962.3表 1高压喷雾降尘计算结果10010010010010015015010（下转第 129 页）1262023 年第 2 期2016，48（2）：62-64；686李玉杰，吴海龙，高魁，等.张家峁煤矿综采工作面粉尘综合防治技术J.煤炭工程，2019，51（3）：74-787周刚.综放工作面喷雾降尘理论及工艺技术研究D.青岛：山东科技大学，2009.8王鹏飞，刘荣华，桂哲，等.煤矿井下气水喷雾雾化特性及降尘效率理论研究J.煤炭学报，2016，41（9）：2 256-2 262.9向晓东，陈宝智，张国权.粉尘分形几何特征及在除尘技术中的应用探讨J.建筑热能通风空调，1999，18（2）：14-17.（编辑：王慧芳）Design of High Efficiency Spraying and Dust Reduction Device for Mine ComprehensiveMining Working FaceSun Jiang（Information Management Section,Jinneng Holding Coal Group Dadougou Coal Company Limited,Datong Shanxi 037003）Abstract:In order to reduce the impact of dust on mine production and workers life safety,a high-efficiency spray dust reduction systemdevice was designed based on the mechanism of dust particle trapping by fog droplets,and the dust concentration at the header mining facebefore and after the installation of the device was compared and analysed.The results show that the dust reduction rate at eachmeasurement point has significantly increased after the adoption of the spray dust removal device,and the dust reduction rates at the coalminer driver and frame-shifter positions are 89.6%,89.4%and 89.1%and 90.1%respectively,indicating that the dust at the coal minerand frame-shifter positions,where the original dust concentration is the highest,has been effectively suppressed.Key words:spray dust removal device;fog droplet trapping dust particles;comprehensive mining f