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1、综掘工作面喷雾降尘技术分析钟廷盛山西焦煤集团公司屯兰矿，山西 古交 030206摘 要 在分析综掘工作面降尘技术的基础上，介绍了综掘工作面中主要的喷雾降尘技术的机理、分析了影响喷雾降尘效果的主要因素，并提出了相应的解决方法，对提高综掘工作面喷雾系统的设计及提高降尘效果有显著的意义。关键词 综掘工作面 降尘 喷雾-煤矿井下掘进工作面作为综采工作的前期开拓工作面，它的产尘量占到井下总尘量的三分之一以上，井巷的开拓掘进工作面以其尘源分散、粉尘分散度高的特点，成为井下防尘的重点。1 粉尘的产生及危害综掘工作面的粉尘是指弥漫在综掘工作面范围内，能够较长时间呈悬浮状态的微小粉尘颗粒。粉尘主要来自截割过程中
2、截齿与煤壁接触挤压形成密实核，密实核破碎而成粉尘状掉落下来形成的煤尘，降落的煤尘随着截割滚筒的旋转而飞扬，进入运动的气流中扩散；在工作面通风、切割头旋转及煤下落形成的风流作用下也会产生粉尘，这些粉尘呈悬浮状态随着工作面风流扩散；在掘进机装载、转运过程中也会产生大量的岩尘和土尘。如果不在产尘源及时灭尘，则会使煤尘充斥整个巷道，在整个综掘工作面上百米巷道中造成很严重的煤尘污染。九十年代以来，随着高产高效工作面被广泛推广应用，综掘技术迅猛发展。由于综掘工作面环境的特点，掘进迎头为“堵头”，风流遇煤壁后折回，携带大量粉尘吹向掘进机，致使粉尘在整个工作面飞扬，空气遭到严重污染，严重危害矿工的身体健康（煤
3、矿肺尘患者中85%以上发生在掘进工作面）、加速掘进机械的磨损、降低掘进机司机的视觉能见度而增加事故发生几率，当直径小于0.751.0mm的煤尘达到一定浓度时很容易引起煤尘爆炸。掘进工作面的防尘一直是井下防尘的重点。由于掘进作业的特殊性，许多可以在综采工作面应用的除尘技术并不适合综掘工作面。从掘进机的产尘机理分析中可以看出，最好的防尘技术措施应针对粉尘的形成处，即在截割煤炭时，减少粉尘的形成，其次是尽可能地在粉尘的形成点就近使粉尘凝聚。2 降尘技术分析掘进工作面降尘技术通常采用的降尘方式可归纳为两大类：干法除尘与湿法除尘。干法除尘是采用集尘器收集粉尘，然后进行清除。集尘器的原理大多采用文丘里原理
4、，即让高速风流或者水流通过特定的变截面装置形成的负压，达到吸尘的目的。对于收集到的含尘气流也有多种处理方式，如重力沉降、静电吸附、活性碳吸附等。常见的干式除尘装置有重力沉降室、旋风除尘器、布袋除尘器、静电除尘器等，各针对不同粒径的尘粒具有很高的除尘效率，但是干式除尘大多采用集尘方式工作，并且只能应用于特定环境中，难以在综掘工作面推广使用。湿式除尘的工作介质大多采用水雾。对湿式除尘的研究与应用也比较多，将磁、声、电等领域的新技术引入喷雾降尘的研究，出现了许多高效、先进的喷雾降尘技术，如声波雾化技术、磁化水降尘技术、预荷电喷雾降尘技术以及高压喷雾降尘技术。虽然有些技术离推广适用还有一定距离，但是对
5、它们的研究正在取得不断的进展。从煤矿生产的环保趋势和目前降尘技术的应用方向来看，煤矿井下包括综掘综采工作面的降尘技术的研究将向自动化和细微化（不大于5m的可呼吸尘）方面发展。基于就近降尘的原则，机头喷雾降尘的降尘效率最高，故掘进工作面大都采用此方法降尘。因而，对掘进工作面喷雾降尘机理及喷雾降尘主要影响因素的分析研究，对提高掘进工作面喷雾系统设计及提高降尘效果有显著的意义。3 喷雾降尘技术3.1 喷雾降尘机理常规喷雾除尘形式为：重力沉降、惯性碰撞、惰性凝结、扩散捕集。喷雾喷出的雾状液体与固态尘粒的惰性凝结使尘粒湿润，自重增加而沉降，产生凝聚作用。当风流携带尘粒向水雾粒运动并离开雾粒不远时，就要开
6、始绕流水雾运动。风流中质量较大，颗粒较粗的尘粒因惯性的作用会脱离流线而保持向雾滴方向运动。如不考虑尘粒的质量，则尘粒将和风流同步，因尘粒有体积，粉尘粒质心所在流线与水雾的距离小于尘粒半径时，尘粒便会与水雾滴接触被拦截下来，使尘粒附着于水雾上，产生拦截捕尘作用。对于细微粉尘，特别是直径小于0.5m的粉尘，由于布郎扩散作用，可能被水雾粒捕集，产生扩散捕集。喷雾降尘机理如图1所示。图1 喷雾降尘机理示意图3.2 喷雾降尘关键技术分析对于喷雾降尘来讲，喷雾效果直接影响除尘效果，决定喷雾效果的因素主要有水、喷嘴、喷雾系统的参数和布置。（1）水的特性对喷雾降尘效果的影响综掘工作面喷雾系统的工作介质是水。在
7、系统运行过程中，液态水从常压状态，经加压管路或喷雾泵增加到一定的压力，再经雾化喷嘴，将压力液态水雾化，然后水雾以一定的运动规律与煤尘发生碰撞、拦截、扩散和沉降等作用，最后达到降尘的目的。在此过程中，水作为工作介质对喷雾系统有着十分重大的影响。水的特性影响喷雾降尘的因素有： 从地面水池到掘进工作面有相当长的供水管路，这就难免造成喷雾用水中含有较多杂质，而喷雾系统中的关键元件雾化喷咀的孔径十分微小，极易造成堵塞，导致喷雾系统失效，这是目前国内外掘进机喷雾系统不能正常工作的重要原因之一。 水的物理机械特性表明，水的表面张力对雾化及降尘效果影响最大。当水与固体接触，由于水表面张力的存在以及水与固体附着
8、力大小的不同，有的固体能“润湿”，有的就不能“润湿”。 水的酸碱性对喷雾系统也有影响。水质酸性或碱性过大都会加快各金属部件的腐蚀，不仅会降低管路及元件的使用寿命，而且可能阻塞管路或喷咀，严重影响喷雾效果。 水的荷电性对喷雾降尘有很大的影响，大多数尘粒带有正电荷，而细小的雾粒带有负电荷。这就导致荷电雾化技术的出现，并得到广泛的应用。但是，这一技术在高瓦斯矿井的应用受到限制。针对上述因素，相应的解决方案有： 针对水中杂质的问题，最主要考虑的问题是过滤精度，过滤精度的选择约为喷嘴出口直径的0.10.5倍之间，选用精过滤器同时要考虑损失问题。 尽量改善水的物理机械特性，通过减小水的表面张力，以获得较好
9、的与粉尘的亲和能力。研究试验证明，在水中添加表面活性剂和湿润剂，可以降低水的表面张力，提高水溶液的湿润能力，能得到明显的降尘效果。 改善水的酸碱度，以减小对管路和喷嘴的腐蚀。 减小雾粒的粒度，同时增加其速度，可以使雾粒获得较高的荷电性能，从而提高其捕尘能力。（2）喷嘴参数对喷雾降尘效果的影响当水射流用于喷雾降尘时，一般选用雾化型喷嘴。喷嘴达到将压力能转化成速度能的目的。对雾化型喷嘴，除了使雾滴有较高的运动速度外，还要使雾滴分布均匀和具有大的扩散面积。在实际设计过程中，这种喷水流段各部位的尺寸和加工状况对雾化质量影响较大。喷嘴的主要几何参数包括喷嘴的收缩角、入口和出口过渡形状及圆角的曲率半径、出
10、口直径等。（3）喷雾系统的参数和布置一般情况下，喷雾压力越高，降尘效果越好。但压力过高不仅会导致喷雾泵在较高压力下工作，耗电多，不利于喷雾泵的使用寿命，而且会造成对喷雾泵到喷嘴水路的维护困难，极易使管路破损。因此，在满足喷嘴雾化降尘效果较好的前提下，应尽可能地限制采煤机内喷雾系统的压力，以降低系统的运行成本。随着喷雾流量的增加，降尘率也相应提高。但是喷雾流量的增加也带来一些问题，流量的增加会增加煤的水分，影响到煤的质量及售价；对于某些具有膨胀性的底、顶板工作面，将造成巷道的底鼓和变形；水煤还将使输送机皮带打滑。因此，喷雾流量必须控制在合理的范围内。此时系统压力与流量的参数匹配是低压喷嘴实现高效
11、雾化的关键技术。 在喷雾系统的布置上，应该注意机头喷雾，要使雾体覆盖截割头，最大限度地防治煤尘逃逸；并且辅以水帘，采用倾斜喷雾以形成水平或倾斜雾柱，从而提高降尘有效时间和雾粒与尘粒的相对碰撞速度，最终达到提高降尘效率的目的。参考文献1李晓豁，张日升.采掘工作面的尘源与防治.煤.2000.9（006）：1-22王绪友.煤矿综合防尘技术及降尘效果分析.矿业安全与环保.203，30（b06）：122-1233吴琼，题正义.综采工作面喷雾降尘技术研究.矿业工程.2007，5（004）：47-484许升阳，付贵.我国煤矿矿粉尘防治中的若干技术问题分析.煤矿安全.2000，31（008）：37-395杨忠东，郭立稳，and张嘉勇.综采放顶煤工作面喷雾降尘技术.河北理工学院学报.2007，29（002）：7-106赵栋，刘文虎，姚理忠，张永红.矿井综合防尘措施.矿业安全与环保.2003，30（b06）：111-112作者简介 钟廷盛 男，1974年出生，1998年毕业于太原理工大学流体传动与控制。现在西山煤电集团股份公司屯兰煤矿抽采科工作，工程师。（收稿日期：2009-09-03；责任编辑：陈桂娥）
