晶鑫煤业3220运输顺槽掘进工作面喷雾降尘技术应用研究_宋伟峰.pdf

晶鑫煤业 3220 运输顺槽掘进工作面喷雾降尘技术应用研究 宋 伟 峰 （山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司 ，山西 晋城 048100 ） 摘要 为降低 3220 运输顺槽掘进期间的粉尘含量， 通过具体分析喷雾降尘机理， 确定影响喷雾降尘 效果的主要因素为雾粒大小及分散性、 尘粒与雾粒的相对速度、 喷雾水量、 喷雾水质和粉尘的润湿性； 基于理论分析结果，结合 3220 运输顺槽的具体情况确定降尘系统由喷雾机喷雾 皮带机喷雾 巷 内喷雾组成， 并在喷雾系统中添加抑尘剂添加装置， 在喷雾系统实施前后进行不同区域粉尘浓度的测 试作业。结果表明 喷雾系统实施后， 掘进工作面各个区域的降尘率均达到 80以上， 降尘效果显著。 关键词 掘进工作面 ； 喷雾降尘 ； 降尘系统 ； 粉尘浓度 中图分类号 TD 713文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0094-04 Application Research on Spray Dust Removal Technology for Jingxin Coal Industry 3220 Transportation Along Tunnel Driving Face SONG Weifeng （Shanxi Yangcheng Yangtai Group Jingxin Coal Industry Co. LTD ， Jincheng 048100 ， China ） Abstract In order to reduce the dust content during the 3220 transportation along the tunnel, through specific analysis of the spray dust reduction mechanism, it was determined that the main factors affecting the spray dust reduction effect were the size and dispersion of the spray particles, the relative speed of the dust particles and the spray particles, the spray water volume, spray water quality The wettability of the dust, based on the theoretical analysis results, combined with the specific situation of the 3220 transportation chute, determine that the dust reduction system consists of sprayer spray belt conveyor spray alley spray, and add a dust suppressant addition device to the spray system. Before and after the implementation of the system, test the dust concentration in different areas. The results show that after the spray system is implemented, the dust reduction rate of each area of the tunneling face reaches more than 80, and the dust reduction effect is remarkable. Key words Driving face ; spray dust reduction ; dust reduction system ; dust concentration 1工程概况 山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司 3220 工作面位于井田西南部，工作面主要开采 3 煤层， 煤层均厚 5.65m， 平均倾角为 2， 煤层内部 不含夹层， 煤层上方伪顶为泥岩， 均厚为 0.59m， 直 接顶为细砂岩， 均厚为 8.1m， 基本顶为粗砂岩， 均厚 为 27.8m， 底板岩层为泥岩。 3220 运输顺槽采用综掘 掘进工艺， 巷道断面为梯形， 净宽净高 3.9 （3.3 ） 2.6m， 巷道支护采用工字钢架棚支护， 棚距为 0.8m， 巷道主要为 3220 工作面提供进风和运煤服务。 根据矿井地质资料可知， 3 煤层为低灰～中 灰、 特低硫、 特高热值的无烟煤， 煤层无煤尘爆炸 性， 现为优化 3220 运输顺槽掘进期间的作业环境， 在巷道掘进期间采用喷雾降尘技术， 特进行运输顺 槽掘进期间喷雾降尘系统的设计。 2喷雾降尘机理 当含有粉尘的气体流过液滴时，此时粉尘颗粒 会吸附于液滴上形成雾团， 进而其在自重应力的作用 下而出现沉降。 根据众多理论研究和工程实践结果表 明[1-2]， 喷雾降尘的主要机理为粉尘与液滴之间出现 惯性碰撞、 重力沉降、 扩散捕集和接触捕集， 具体水雾 颗粒与粉尘颗粒相对运动示意图如图 1 所示。 图 1水雾颗粒与粉尘颗粒相对运动示意图 惯性碰撞和重力沉降为含有粉尘的气体流经 雾滴时， 其与雾滴发生碰撞， 由于润湿后的粉尘自 身重力会大幅增加，在自身重力作用下会出现沉 降； 扩散捕集为微细粉尘 （直径小于 5μm ）随着气 流运动时， 粉尘在气体流体的扩散作用下被流场内 的液滴所捕获； 接触捕集为粉尘颗粒所处的流场轨 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 94 ChaoXing 迹与液滴表面的距离相对于粉尘粒径的来说较小 时， 此时液滴便会对粉尘进行捕捉进而沉降下来。 当具有一定喷雾能力的水流经喷嘴时， 喷嘴散 发出来的水流会呈现为发散状态， 经喷嘴散发出来 的水流会与空气形成相互作用， 使得水滴在一定的 空间区域内密集分布形成水雾； 流出喷嘴的水流可 划分为两个区域， 分别为有效作用区和衰减区； 其中 在有效作用区内， 雾粒被以较高的速度喷出， 此时水 流颗粒的自身重力不会对其产生影响；衰减区内， 由 于雾粒速度的降低， 雾粒会逐渐沉降。当采用较高压 力的喷嘴时水流从喷嘴中高速射出， 会在很短的距 离上分散成雾粒， 并形成一股气流， 在水压和气流 的作用下使得射流中的雾粒会继续运动， 进而有效 的增大水流雾化区域和喷雾所能达到的区域。 在进行高压喷雾时， 影响喷雾降尘效果的主要 因素有雾粒大小及分散性、尘粒与雾粒的相对速 度、 喷雾水量、 喷雾水质和粉尘的湿润性， 具体各个 影响因素的对高压喷雾影响的具体机理如下 1）雾粒大小及分散性 根据相关理论研究与工 程实践结果表明[3-4]， 当粉尘颗粒的粒径与雾粒的粒 径相近时， 此时喷雾降尘的效果较好， 具体粉尘最 小粒度的计算公式为 dmin 18nDK ρν姨 （1） 式中 ρ 为粉尘的密度； ν 为气流的速度； K 为 比例系数； D 为雾滴直径； n 为空气的黏度系数。 当高压喷雾系统采用恒压供水时， 雾粒在空气 中存在的时间的表达式为 t D 8K （p0- p） D 1.79P1-1K d0p11.26 姨 姨 姨 姨 姨姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 （2） 式中 p 为湿空气的压力； p0为雾粒蒸汽的压 力； d0为喷嘴的直径； P1为水压， 其余符号的含义同 上。 2）尘粒与雾粒的相对速度 当雾粒的运动速度 较高时， 此时尘粒的运动速度也相对较高， 便会使得 尘粒与雾粒发生碰撞时产生的动量便会越大， 其产生 的冲击能够利于尘粒克服水表面的张力， 进而利于尘 粒湿润被捕获。 根据众多试验研究得出， 在雾粒运动 速度为 2030m/s 时， 此时雾粒的降尘效率较高。 3）喷雾水量 喷雾降尘作业时， 喷雾降尘的效 率会随着喷雾水量的增大而逐渐增大， 合理的设置 喷雾水量也能提升降尘效率。 4）喷雾水质 喷雾水质较差时， 会使得水的黏 性变差， 形成的雾粒中的液滴相应增大， 从而降低 捕尘效率。 5）粉尘的润湿性当粉尘的润湿性较差时， 此 时液滴与尘粒碰撞后会出现一定程度的反弹， 致使 粉尘不易被雾粒捕获，另一方面若粉尘润湿性较 差， 此时粉尘表面会形成一层薄膜， 使得尘粒的湿 润较为困难。 3降尘系统设计与效果分析 3.1喷雾降尘系统设计 掘进机喷雾降尘 本次掘进机上的喷雾装置为 油压与水压的转换装置，该装置主要包括液压水 泵、 液压油路控制阀组、 2 级精密水质过滤器和旋流 式雾化喷嘴， 具体装置示意图如图 1 所示。该装置 能够通过液压油驱动液压水泵，能够获得高压水， 该装置内的液压油在液压泵内部进行循环， 因此该 装置在缺水的情况依据能够正常运转， 另一方面该 液压水泵本身具有一定的冷却功能， 故装置在液压 油的温度不会在装置运转期间出现大幅升高的现 象， 该装置的各项参数如表 1 所示。 图 1掘进机高压油转换示意图 表 1喷雾系统技术指标参数 皮带机喷雾降尘 为防止掘进出的破碎煤岩体 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 技术指标名称参数值 输入油压 /MPa812 掘进机提供输入油量 /L min-15070 经水压减压阀输入水压 /MPa1 输出喷雾水压 /MPa1015 输出喷雾水流量 /L min-13050 喷雾器的喷雾角度 /60 有效射程 /m2- 4 雾化粒度 /μm30150 雾化速度 /m s-12535 喷雾架数量 / 套2 每套喷雾架上的喷雾器数量 / 个5 95 ChaoXing 在皮带输送机上运输时产生大量的煤尘， 现设置在 皮带输送机上方 60cm 处设置喷雾水管，并在水管 上每间隔 5m 设置一处横向水管，每个横向水管上 安设 3 个雾化喷头，喷雾水管与供水管路相连， 通 过在掘进头处设置挡板的方式进行喷雾系统的启 动与关闭装置， 当皮带机开始输送时， 此时煤岩体 会与挡板发生碰撞进而会启动喷雾， 若煤岩体致使 挡板被抬起的幅度越大其喷雾量也会逐渐增大， 其 系统简单实用， 具体皮带输送机的喷雾降尘系统设 置如图 2 所示。 图 2皮带输送机喷雾降尘系统设计示意图 巷内喷雾降尘系统 在滞后掘进头 10m 的位置 处设置粉尘传感器和弧形喷雾架， 并将粉尘传感器 与弧形喷雾装置相连接， 当粉尘含量超出 300mg/m3 时， 即启动弧形喷雾架进行自动喷雾， 当粉尘浓度 降低至 300mg/m3以下时， 即可关闭喷雾装置， 进而 保障巷道掘进头产生的粉尘不会持续的在巷道内 部进行扩散与蔓延， 具体巷内自动喷雾降尘装置如 图 3所示。 图 3巷内自动喷雾降尘装置示意图 图 4抑尘剂配比添加装置示意图 喷雾装置中添加抑尘剂 上述所有的喷雾系统 均与抑尘剂添加装置相连接， 具体抑尘剂添加装置 如图 4 所示。抑尘剂能够提升尘粒与雾粒的亲和 力， 有效促进尘粒沉降， 本次抑尘剂的掺量为 3‰。 3.2效果分析 为分析 3220 运输顺槽掘进工作面喷雾降尘系 统的效果， 现分别在喷雾防尘系统实施前后在掘进 工作面掘进及司机处、 刮板转载点处、 运输转载点 处进行全尘与呼尘的测试作业， 根据测试结果能够 得出喷雾降尘系统实施前后全尘和呼尘浓度数据 见表 2。 表 2喷雾系统实施前后各个区域粉尘含量测试数据表 分析表 2 可知， 3220 运输顺槽掘进工作面在采 用喷雾系统后， 各个区域的降尘率均达到了 80以 上， 其中在运输转载点处的降尘率最高， 其全尘与 呼尘的降尘率分别为 83.7和 82.7，据此可知喷 雾系统降尘效果显著。 4结论 根据 3220 运输顺槽掘进工作面的具体特征， 通过分析喷雾降尘机理， 确定了影响喷雾降尘效果 的主要因素， 基于理论结果进行掘进工作面喷雾降 尘系统的设计， 降尘系统由喷雾机喷雾 皮带机喷 雾 巷内喷雾组成， 并在喷雾系统中添加抑尘剂添 加装置。根据喷雾系统实施前后的粉尘浓度测试可 知， 喷雾系统降尘效果显著， 有效优化了掘进工作 面的作业环境。 参考文献 [1] 佟林全,王雪涛,徐洋,等.井下回采工作面呼吸性粉尘危 害现状及防治对策[J].中国煤炭,2020,46 （04） 47- 51. [2] 苗懂艳,高贵军.喷嘴螺旋倾角对雾化性能影响的试验研 究[J].煤矿安全,2020,51 （04） 14- 17. [3] 周群. 煤矿井下活性磁化水降尘机制及技术研究 [D].中 国矿业大学,2019. （下转第 99 页） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 测尘点 全尘平均含量 （mg/m3） 降尘率 呼尘平均含量 （mg/m3） 降尘率 喷雾系统 未开启 喷雾系统 开启后 喷雾系统 未开启 喷雾系统 开启后 掘进机司 机位置处 42368.683.719338.680 刮板 转载点 376.572.180.8160.531.280.6 运输 转载点 319.85283.7119.820.782.7 96 ChaoXing （上接第 96 页） [4] 王健,刘荣华,王鹏飞,谭煊昊,石佚捷,田畅.常用压力式喷 嘴雾化特性及降尘性能研究[J].煤矿安全,2019,50 （08） 36- 40. [5] 董荣宝.全断面掘进机冷却、 喷雾系统的设计与分析[J].煤 矿机械,2019,40 （08） 106- 107. [6] 孙峰. 大断面煤巷掘进工作面综掘机高压外喷雾降尘技 术及装备的应用研究[J].矿业安全与环保,2019,46 （03） 52- 56. 作者简介 宋伟峰 （1977-） ， 男， 汉族， 山西省阳城县人， 2014 年 1 月毕业于山西大同大学矿井通风与安全专业，助理工程师， 研究方向 煤矿安全监控系统。 （收稿日期 2020- 6- 5） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 监控。当平台检测发现存在矿井电力安全隐患， 需要 切断某块区域的供电线路进行检修时。 平台可以及时 向电力监控系统下发提示信息， 操作人员根据提示信 息完成对应的操作。另外， 对停电可能造成影响的区 域也会下发断电提示，提醒各方人员做好准备工作。 当平台检测发现矿井某块区域存在严重安全隐患时， 可通过应急联动系统警示该区域内所有人员紧急撤 离， 并告知撤离路线、 附近保存的各种应急救援物资、 设备运行情况等。 同时还可通过工业视频系统实时显 示此区域的现场情况， 通过广播系统和人员定位系统 提醒该区域人员及时撤离。 3矿井安全监测系统融合平台具备的功能 1 ）子系统数据信息采集功能。利用标准化的数 据接口对矿井内所有安全监控子系统的数据信息进 行采集， 确保数据信息采集的准确性和可靠性， 将采 集到的数据信息存储到数据库中。 2 ）数据信息的实时显示功能。融合平台对采集 得到的数据信息进行整理分类、 等级划分， 筛选出有 用的数据信息并在监控屏幕中实时显示。 3 ）分析历史曲线功能。对于不同测点的历史数 据信息可以将它们放在一个坐标系内进行比较分析， 还可以根据实际需要自由定义曲线纵坐标刻度。 4 ）历史数据查询与分析功能。数据信息采集后 存储在数据库中，当需要对历史数据信息进行分析 时， 可通过程序调取数据库中的历史数据信息， 包括 状态数据、 设备运行数据、 报警数据、 故障数据等。 5 ）图形显示功能。 基于电子矿图， 可在图形中实 时显示不同位置的状态数据， 且可直接在图形中查询 相关设备的故障信息等数据。 6 ）应急联动功能。可将不同安全监控子系统进 行联动， 比如遇到突发断电、 瓦斯超限等紧急情况时， 可以将人员定位系统、 通信系统、 广播系统等进行联 动， 通知人员尽快撤离出相关区域。 7 ） 安全等级评估功能。 通过模型评估不同区域的 安全等级，以图形形式显示不同区域的安全等级情 况， 不同等级以不同颜色展示。一旦融合平台提示某 块区域存在安全隐患， 可通过监控画面直接展示潜在 的安全隐患具体情况。 4结论 为了保证矿井人员安全， 煤矿企业建设了大量的 矿用安全监测系统。 但这些系统之间由于建设标准不 统一， 使得它们之间的数据无法实现共享。 基于此， 本 文构建了标准化的安全监控系统融合平台， 通过该平 台可采集不同安全监控子系统的数据信息， 并加以综 合分析利用， 实现了不同安全监控系统之间的互联互 通。 参考文献 [1]雷云涛. 煤矿安全生产主要影响因素及安全管理对策 [J]. 房地产导刊. 2019 （24） 252. [2] 林立深. 行为安全理论在煤矿安全管理中的应用 [J]. 消 费导刊. 2019 （28） 95. [3] 路国红. 煤矿风险预控管理在煤矿安全管理中的作用[J]. 商情. 2019 （40） 127. [4] 段艳艳. 加强煤矿安全管理培训促进我国煤矿安全生产 [J]. 现代经济信息. 2018 （15） 347- 348. [5] 柏宇. 煤矿安全监控系统升级改造及关键性技术研究[J]. 淮南职业技术学院学报. 2019, 19 （5） 6- 7. [6] 刘超. 煤矿安全监控系统精准降误探究 [J]. 环球市场. 2019 （3） 354. 作者简介 张磊 （1984-） ， 男， 山西省高平市人， 2014 年 7 月毕业于 中国矿业大学安全工程专业，现从事煤矿监测监控管理工 作， 工程师 / 注册安全工程师职称， 。 （收稿日期 2020- 4- 13） 99 ChaoXing