宋 杰

(山西省高平市科興米山煤業(yè)有限公司,山西 高平 048400)

我國煤礦災(zāi)害較多,粉塵危害是五大危害之一[1-2]。目前我國煤礦安全生產(chǎn)事故發(fā)生頻次逐年減少,但粉塵危害卻隨著機械化開采程度的加深而越發(fā)嚴重。由于長期作業(yè)吸入大量粉塵可能導致塵肺病等呼吸系統(tǒng)疾病,塵肺病是我國第一大職業(yè)病,目前依舊無法治愈,目前約有90萬塵肺病患者,每年新增1.5萬人左右[3]。采煤、掘進工作面是煤礦井下主要粉塵產(chǎn)生地點,采煤機割煤或掘進機截割產(chǎn)生的碎煤塊通過膠帶運輸機運送至地面,運送過程中當膠帶機需要轉(zhuǎn)向時,通常采用轉(zhuǎn)載實現(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。煤流拋落時與下膠帶上的煤塊碰撞會產(chǎn)生大量揚塵。目前轉(zhuǎn)載點多采用水噴霧、除塵器、靜電除塵等措施,由于降塵效果不佳、系統(tǒng)復雜等原因,在工作面轉(zhuǎn)載點處應(yīng)用較少[4-5]。本文以米山礦15112采煤面轉(zhuǎn)載點為例,提出了考慮轉(zhuǎn)載點產(chǎn)塵特征的密閉控塵和超細水霧降塵,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號煤層,工作面傾向長度為145.5 m,走向長度平均為1 227 m,煤層平均厚為2.7 m,煤層傾角3°～8°.工作面開采過程中,瓦斯最大絕對涌出量為0.45 m3/min,煤塵無爆炸性,煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類。采煤機型號為MG300/730-WD,平均采高為2.7 m,割煤深度為0.6 m,工作面供風量為735 m3/min.

2 轉(zhuǎn)載點產(chǎn)塵特點分析

轉(zhuǎn)載點處粉塵的產(chǎn)生主要有以下幾個方面(圖1)[6-7]:①膠帶機輸煤速度快,上下膠帶機存在較大的高度差,煤流從上膠帶向下膠帶拋落時做平拋運動,在此過程中,煤流中的粉塵被拋向空氣中隨風流擴散,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煤流拋落時并非連續(xù)穩(wěn)定掉落,松散的煤流落到下膠帶時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;③煤流比較干燥,水分含量低,煤體表面沉積粉塵無法被粘結(jié)在煤體上容易飛揚,煤體脆性大產(chǎn)塵能力高;④誘導風流產(chǎn)塵,大量煤流從上膠帶掉落過程中,將帶動煤流周圍空氣運動,而且煤流掉落時還會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至空中,且膠帶運行時對周圍空氣同樣產(chǎn)生誘導風流,研究表明,膠帶運輸速度從1 m/s加快至3 m/s時,粉塵質(zhì)量濃度增加了近50%.

圖1 轉(zhuǎn)載點處粉塵起塵示意

3 轉(zhuǎn)載點粉塵治理技術(shù)

3.1 降塵技術(shù)設(shè)計思路

根據(jù)上述對粉塵產(chǎn)生原因的分析,轉(zhuǎn)載點處煤流沖擊產(chǎn)塵和揚塵是造成轉(zhuǎn)載點處粉塵污染的最主要原因之一。因此,控制粉塵問題的直接方法是在轉(zhuǎn)移點增加密閉裝置,利用密閉空間阻止粉塵向外擴散。密閉的除塵裝置利用減少粉塵和工作空間內(nèi)風流的接觸來防止粉塵擴散,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的功能是避免外部氣流對粉塵的擾動使其飛揚,同時阻止空中的粉塵向外部擴散。而此類控塵措施的缺點是,只能在密閉裝置封閉的部分空間中控制粉塵擴散范圍,沒有對粉塵做沉降治理,依然有粉塵向外流出。如果將超細水霧(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)。

考慮到膠帶輸送機轉(zhuǎn)載點處的作業(yè)特點,普通噴霧液滴尺寸過大,容易增加煤中的水分含量,煤泥嚴重影響膠帶輸送機正常輸煤作業(yè),因此利用超細水霧治理粉塵。超細霧滴與粉塵的作用機理和粒徑較大的水霧相似,對粉塵主要有抑制、捕獲兩種作用。抑制是使沉積的粉塵表面潤濕,彼此粘黏或黏附在煤體上,抑制粉塵飛揚;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。

運輸過程中膠帶振動、煤塊相互碰撞將造成粉塵飛揚。僅在煤塊表面噴灑水霧很難完全濕潤新粉。此外,由于粉塵產(chǎn)生量大,粉塵初始動能高,抑塵效果有限,導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流之后,風流跡線繞過霧滴,但粒徑較大的粉塵顆粒由于慣性將從風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、潤濕作用使粉塵被潤濕沉降,實現(xiàn)對粉塵顆粒的捕獲效果。當粉塵粒徑較小時,如呼吸性粉塵或PM2.5,會受到風流中氣體分子的撞擊作用形成布朗運動,同時向粉塵質(zhì)量濃度相對較低的位置擴散。在布朗運動作用下,粉塵與較小粒徑的霧滴相互碰撞后被潤濕截留,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流板,導流板為從上向下的弧形,可以避免煤塊由于膠帶機傳送速度高拋出較遠距離,能夠減少煤塊拋落過程中卷入的空氣和粉塵,還通過縮短拋落路徑的方式將煤塊掉落至下膠帶上的動能減小,降低煤體相互沖擊。密閉裝置要包裹轉(zhuǎn)載點上下膠帶,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。超細水霧水源為礦井降塵用水,通過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末端和下膠帶機煤流掉落處,共有4個噴嘴,孔徑1.0 mm,供水壓力為6 MPa,總供水量為1.5 m3/h,噴霧擴散角度為45°,霧滴場能夠完全覆蓋膠帶機煤流。

圖2 控塵除塵系統(tǒng)示意

根據(jù)上述分析可知,轉(zhuǎn)載點粉塵大部分為二次揚塵所致。膠帶是循環(huán)使用的部件,運煤過程中膠帶表面會粘黏很多沉積粉塵,這些粉塵在膠帶發(fā)生振動時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,可及時清理將膠帶表面粘黏的粉塵,避免長距離運輸時因振動等作用飛揚。

為分析密閉裝置和超細水霧在轉(zhuǎn)載點處粉塵治理效果,在轉(zhuǎn)載點下膠帶后方布置粉塵質(zhì)量濃度測定點,直讀式測塵儀采樣流量固定為5 L/min,采樣時間為5 min.測塵結(jié)果如表1所示。未治理粉塵時,轉(zhuǎn)載點處全塵和呼塵質(zhì)量濃度平均值分別達到了176.8 mg/m3和37.9 mg/m3,嚴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,降塵率達到了95.5%和94.3%.

表1 粉塵質(zhì)量濃度測定

4 結(jié) 語

轉(zhuǎn)載點上膠帶碎塊掉落沖擊下膠帶產(chǎn)塵,沖擊時的反作用力擠壓煤流造成沉積粉塵二次飛揚,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,降塵率達到了95.5%和94.3%.