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煤矿
2.4
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曹村煤矿2.4Mta新井设计含5张CAD图,煤矿,2.4,Mta,设计,CAD
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专题部分煤矿粉尘防治技术研究摘要：在煤矿开采中，掘进、回采、运输各环节中都会产生大量粉尘，粉尘不仅会危害井下职工的身体健康，还可能导致煤尘爆炸等恶性事件。目前国内外粉尘的防治技术主要在减尘、降尘、排尘、隔尘、捕尘、个体防护六个方面展开研究。关键词：煤矿；粉尘；防治0 引言世界一次能源的27%来自于煤炭，煤炭提供了世界发电量的45%，煤炭衍生物生产25000多种消费品，在世界经济中占有重要地位，我国的煤炭在一次能源消费中，占70%左右，预计到2050年，仍将占50%左右。目前我国的煤炭产量位居世界各国之前，但仍供不应求1。我国90%以上的煤矿为地下开采，矿井及工作面正朝着向大型化、集约化、安全、可靠与机械自动化化方向发展。煤炭在开采过程中，矿井面临六大灾害(水、火、瓦斯、粉尘、顶板)的威胁，其中，粉尘是煤矿井下主要灾害之一，严重影响着矿井的安全生产和工人的身体健康2。随着煤矿机械化水平的不断提高，井下工作面粉尘的产生量越来越大，其中煤矿井下的采煤、掘进、运输、提升等生产环节是主要的产尘环节，粉尘产生量的大小一与地质构造、开采方法、采掘机械化程度、环境温、湿度及通风条件等因素有关，在现有的防尘技术条件下，各生产环节所产生的浮游粉尘量大致为采煤工作面产尘占40%-80%;掘进工作面产尘占20%-40%:装、运、卸煤环节产尘占10%-15%;喷浆作业点产尘占5%10%;其它作业点产尘占2%-5%。采、掘工作面是煤矿最主要的两大产尘源3。采煤工作面除尘是煤矿防尘的重中之重，一般采煤工作面无防降尘措施时，工作面粉尘浓度高达3000mg加3左右，采取一般单项降尘措施后还有1500mg/m3左右。煤矿粉尘具有很大的危害性，主要表现在以下几个方面:一、粉尘危害人的身体健康。各种职业危害中以粉尘的分布最为广泛、对人体健康的影响最为严重。粉尘对人体的危害最直接、最严重的是引起尘肺病。由于吸入大量粉尘，导致肺组织纤维化，严重损害呼吸功能。病情严重者，丧失劳动能力，痛苦不堪，最后因肺功能丧失而窒息死亡。在煤矿井下粉尘污染的作业场所工作，工人长期吸入大量的粉尘，往往会患有尘肺病。据统计4，截至2006年全国累计报告尘肺病累计发病 616442例，死亡 146195例，现患 470247例;近15年平均每年新发尘肺病人近1万例。报告职业病例数居前三位的行业依次为煤炭、有色金属和建材行业，分别占总病例数的40%、12%和6%。2006年诊断尘肺病例接触粉尘时间不足10年的占诊断尘肺病例总数的22.62%，其中不足5年的占0.04%，不足2年的占1.57%。截至1992年底，全国121个部属重点煤矿和各省、自治区、直辖市县以上地方煤矿的总接尘人数近184万人，尘肺病患者近12万人，尘肺病率6.49%，仅1992年内全国就新发生煤矿尘肺5369例，发病率高达2.92%，死亡率达2.42%的。2003年，国有重点煤矿新报告尘肺病1.2万例，约占当年井下工人总数的1.5%。这样高的尘肺病患病人数，给国家和煤矿企业造成巨大的经济损失，也给企业带来沉重的负担5。二、煤尘易引发爆炸。具有爆炸危险的煤尘达到一定浓度时，在引爆热源的作用下，可以发生猛烈的爆炸，对井下作业人员的人身安全造成严重威胁，并且可瞬间摧毁工作面及生产设备。煤尘爆炸是煤矿生产中的主要五大灾害之一，其破坏性很大，往往造成井巷、生产设备的损坏，尤其是人员伤亡惨重。解放以来，死亡人数超过百人的纯煤尘恶性爆炸事故达到4次，死亡人数超过前人。据1983年至1994年的统计，全国重点和地方煤矿中，仅一次死亡3人以上的瓦斯粉尘爆炸事故发生690起，平均每月发生5起以上，其中一次死亡10人以上的特大事故121起，平均每月发生一起。煤尘爆炸的下限浓度为459/m3，上限浓度为2000g/m，浓度为3009/m3左右时煤尘的爆炸力最强。虽然井下煤尘很少能达到这个浓度，但局部空间粉尘浓度过高仍会引起爆炸，也会增加瓦斯爆炸的危险性。而一旦发生煤尘爆炸，就会造成人员大量伤亡、设备严重损坏，同时爆炸时产生的高温、高压和冲击波甚至会毁坏整个矿井，其后果不堪设想。煤尘还参与瓦斯爆炸，形成瓦斯煤尘爆炸，使灾害范围扩大，造成更为严重的人员伤亡和巨大的经济损失。三、粉尘降低了工作场所的能见度。尤其在井下采掘工作面，煤尘浓度高，其能见度极低，易导致误操作，增加工伤事故的发生率。四、粉尘加速了机械磨损，缩短了井下生产装备和仪器设备的使用寿命。综上所述，煤尘爆炸给煤矿井带来突然的毁灭性灾难，同时煤矿粉尘还恶化了井下作业环境，影响了劳动生产率的提高，所有这些都严重制约了煤矿企业的生存发展和经济效益的提高，影响了煤矿企业的社会形象和可持续发展。1 国内外研究现状1.1煤矿粉尘防治技术现状1.1.1国外现状美国双城采矿研究中心认为，采煤机截深与产尘量成反比;同时美国和英国都认为，减少截割机构上的截齿数，降低产尘量效果显著;前苏联认为，当采煤机的推进速度为0.14-0.6m/s时，降尘效果最好;波兰则认为，减慢滚筒截割速度和实现粗齿化有利于减少产尘量。移支架也是综采工作面一个重要产尘源，前苏联与1979年研制出了一种新型支架(KTK型支架)可以减少移支架时的产尘量。以水抑尘是综采工作面应用最早，也是目前应用最广泛、最有效的一项防尘技术措施6。例如:前苏联，仅在顿巴斯矿区，就有1000多个采煤工作面进行了煤层注水，在波兰，有75%的工作面，采用了注水降尘;在比利时，60%的煤矿使用了煤层注水方法。煤层注水工艺发展的趋势是:研制先进的注水专用设备及仪表，推行长钻孔连续注水工艺，以及根据不同煤层条件，寻找合理的注水参数、选用合适的湿润剂等喷雾降尘是国外几乎所有的综采工作面一直都在采用的一项防尘技术措施。目前研究的方向是:如何提高喷雾降尘效果，如何根据综采工艺和采煤方法设计更有效的喷雾降尘系统等。如德国、英国、波兰等国采用高压喷雾系统来提高降尘效果，美国科林费尔矿在采煤机上安装水风扇，借以提高工作面风量，清洗采煤机截割头的煤尘和瓦斯等。此外，国外许多国家在本着传统综采工作面除尘技术的同时，又有着许多值得学习和借鉴的除尘技术，如早在英国，就研制出采煤机的吸尘滚筒，可以降低采煤机割煤时产生的呼吸性粉尘。在七十年代，原苏联和美国就研制出了高效除尘器，用来防治综采工作面，呼吸性粉尘。在综采工作面还使用了泡沫降尘法等物理化学方法。如美国研究出的降尘泡沫是由98.8%的水和0.2%的泡沫剂配置而成，泡沫发生器可安装在各种采煤机上。1.1.2国内现状我国借助国外的经验，在20世纪50年代，就开展了煤层注水防尘试验研究，并取得了一些成果，并在煤矿生产现场获得了推广和应用。而从20世纪80年代起，随着采掘机械化的广泛应用，煤矿粉尘防治技术得到了全面发展。尤其是在近十年来的科技攻关中，进一步地开展了煤矿粉尘防治技术的试验研究工作，取得了很多成果，并在煤矿生产中发挥了良好的作用。目前，煤层注水防尘技术，由于完备了配套设备，改进了注水与封孔工艺，该技术已达到了国际先进水平;采煤机割煤外喷雾降尘技术，由于采用了新的外喷雾方式、合理的喷雾参数及研制成功电动和液动为动力的机载泵而使该技术上了一个新台阶;液压支架移架和放顶煤支架放煤喷雾降尘技术，由于研究出喷雾自动控制技术，达到了支架移架和放煤时同步喷雾降尘的目的;破碎机及带式输送机作业防尘技术，也研究出新方法和新设备，有效地控制了粉尘的飞扬。目前，煤矿主要采取以风、水为主的综合防尘措施。即:一方面用水将粉尘湿润捕获，另一方面借助风流将粉尘排出井外。通常按防尘技术措施的功能分为五大类:一、减尘措施。主要包括:湿式凿岩、水封及水炮泥填充爆破、封闭捕尘、预湿煤体以及改革采掘机械结构及其运行参数减尘等。这些措施主要用来减少尘源的产尘量。二、降尘措施。主要是用喷雾洒水的方法来降低空气中的粉尘浓度。如采煤机上内外喷雾、放炮喷雾、支架喷雾、装岩洒水、巷道净化水幕等。三、通风排尘或除尘。在工作面用适宜的风速将粉尘直接排出作业地点，或用除尘器净化后再排出。四、个体防护。在井下粉尘浓度较大的作业地点，作业人员佩戴防尘面罩、防尘帽、防尘呼吸器等个体防护用具。五、隔爆措施。如:隔爆岩粉棚、隔爆水袋，分区通风等。隔爆措施主要是尽量缩小煤尘爆炸影响范围，减少人员伤亡7。1.1.3煤矿粉尘防治技术发展趋势近几年来，随着高产高效矿井的发展，综掘工作面的产尘浓度越来越高。粉尘污染越来越严重，己经成为煤矿的最大污染源。粉尘的产生不仅严重危及综采工作面工人的身体健康，也存在着煤尘爆炸隐患。国内外针对矿尘治理的研究越来越多：矿尘治理的手段也越来越成熟。总的看来，这些技术或手段可归为两大类：干法除尘与湿法除尘。煤尘污染的控制是煤矿的主要安全课题之一。许多煤矿已经成立专门的部门负责煤尘的测定及控制。同时，许多研究机构也对除尘作的研究也越来越多，并且，已经有很多的研究成果应用于工业现场中。从煤矿生产的环保趋势和目前除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智能化和精确化方面发展。1. 2粉尘分布规律研究现状粉尘是指在空气中浮游的、粒径一般小于1mm的、一些各种形状的固体颗粒物质。通常以尘雾的形式出现，成为一般由空气和粉尘组成的两相流。粒径是粉尘大小的度量。粉尘的大小不仅是影响作业工人身体健康的主要因素，也是影响除(降)尘效果的最主要因素，只有空气动力学直径小于7.1pm的粉尘才能进入人体肺部，对人体健康造成危害，特别是2pm左右的粉尘危害最大，且这部分粉尘也最难捕集，因此，测量粉尘粒径非常重要。由于粉尘颗粒一般是不规则的，因此，通常采用物理当量径来表示。物理当量径是指与粉尘的某一物理量相同时的球形粒子的直径。由于粉尘在气流中的运动属于气固两相流的范畴，所以建立粉尘的浓度分布和运动规律的数学模型，实质上就是建立气固两相流动的数学模型。大型计算机的出现又扫除了数值分析在流体力学中应用的一大障碍，于是出现了有限差分法、有限元法、有限容积法等流体力学的计算方法，并得到了广泛的工程应用7。1.2.1粉尘产生机理综采工作面有三个主要的尘源：采煤机割煤时产生大量煤尘，是综采工作面的第一尘源，也是最主要的尘源；自移式液压支架的降柱、移架、采空区岩石移动也产生很多粉尘，是综采工作面的第二尘源；在运输过程中也产生很多煤尘，是综采面的第三尘源。粉尘的生成，从客观因素来看与煤本身的品级有关，影响粉尘产生的自然条件有地质构造情况，即地质构造复杂、断层褶皱等，受地质构造运动破坏强烈地区，开采时粉尘量较大，反之较小。煤层的赋存条件：在同样的技术条件下，开采缓倾斜煤层产量比急倾斜煤层小。煤、岩的物理性质也起着至关重要的作用，节理发育、结构疏松、水分较低，矿物坚硬脆性大的煤岩采掘时粉尘的产生较大。采煤机产尘量大小复杂的原因在于：直接与采煤机本身的机械参数和工作状况有关。其中包括滚筒的结构和形状、截齿结构和数目、滚筒转速和旋转方向、采煤机的牵引速度、截深、采取顺风或逆风等等方面。环境湿度对降尘效果有很大影响。有资料表明，当风流中湿度自74%增至100%，粉尘浓度则从530mg/m3降到20 mg/m3，在截割强度相同的条件下，湿度增大26%，粉尘浓度就下降96.2%。1.2.2粉尘分布规律研究风速和尘源是决定尘源附近区域粉尘分布的关键因素，巷道断面下半部分浓度高于上半部分。有试验研究表明，将巷道内的风速设定在 0.7m/s-2.lm/s，考察不同风速下粉尘浓度和粒度的沿程变化规律，定量分析风流排尘能力与风速、尘源位置的关系，速度增大有利于独头巷道通风，但易引起二次扬尘，根据实验，在煤尘干燥的情况下，风速大于2m/s即产生二次扬尘。影响工作面粉尘浓度的主要因素有两个，即采煤机割煤和移架，最大粉尘浓度一都发生在离采煤机10m20m处的回风测，移架时产生的大颗粒粉尘较多，呼吸性尘所占的比例较少，粉尘浓度沿程分布规律。发现粉尘向工作面下风侧扩散时，其扩散角受工作面的风速影响很大，工作面风速越小，粉尘的扩散角越大。综采工作面呼吸性粉尘占总粉尘的70%以上，并且在采煤过程中，采煤机割煤是工作面粉尘的第一大来源，无论是顺风割煤，还是逆风割煤，粉尘的浓度都比较大，并且伴随较多的呼吸性粉尘。经实测，顺风割煤时，全尘浓度最高达到890mg/m3，粉尘最大值出现在采煤机下风流10m左右的位置，到30m以后粉尘的浓度趋于平缓；逆风割煤时，粉尘最大值出现在采煤机下风流20m左右的位置，到50m处基本平缓。采煤机割煤时所产生的粉尘，在工作面风流的作用下从产尘区向其它区域转移的过程是一个传输过程。传输过程产生的原因很多，其中弥散和扩散是主要原因之一。所谓弥散，是指工作面紊流通风中，由于时均速度分布不均匀产生粉尘随风流散开的现象称为弥散;而扩散则是指工作面风流中的粉尘从浓度高的地方向浓度低的地方传输现象，它包括分子扩散和紊动扩散。分子扩散是由分子运动产生，而紊动扩散则是在紊流中由于流体质团的紊动向各方传递产生的扩散，紊动扩散一般从高值处向低值处扩散。研究表明，紊动扩散比分子扩散要快得多，在大气中要快1 2倍，故在紊流中分子扩散常可忽略不计。在综采工作面，风流受巷道周边及设备阻力的作用，断面风速分布呈现不均性。综采工作面滚筒截煤时，其滚筒的截齿不断破碎煤体，产生大量粉尘，粉尘释放到工作面风流中，被风流所携带，随风流一起运动。这种流动在主流方向上表现为对污染物的平移输送作用和污染物的浓度梯度而引起的迁移作用(主要是紊流扩散)。在紊流风流中，由于紊动脉动，使粉尘在离开尘源一定距离后，沿工作面横断面扩散，综采工作面粉尘的转移过程是平移输送与紊动扩散的综合作用。假设只考虑采煤机上风侧滚筒产尘产生的紊动扩散，其粉尘的扩散现象如图1.1。图1.1工作面粉尘扩散示意图表1-1工作面司机处粉尘的分布1.2.3粉尘运动规律有研究认为粉尘粒子在气体中的运动一般是由两种简单运动组合而成，一是随气流一起的水平运动;二是在重力作用下的重力沉降。(1)粉尘颗粒的水平方向运动当不同直径的尘粒以一定速度抛向空气中时，由于空气阻力的作用，尘粒的运动速度减慢，最终由重力作用而沉降。若气体在运动过程中，忽略重力沉降作用，那么尘粒的初速度一旦克服摩擦便随气流运动，忽略重力和浮力的作用，尘粒的水平。粒径越小尘粒速度衰减得越快，抛射的水平距离越短，对于初速度为10m/s的粉尘颗粒，当运动速度衰减到0.lm/s时，10pm的尘粒运行时间为0.0037s，水平距离为7.94mm;50pm的尘粒运行时间为0.09s，水平距离为198.6mm。有空气阻力的作用下尘粒的水平运行距离很短，几乎不能依靠机械力而给予动能飞扬。因此机械力的作用不是尘粒飞扬的根本原因，而主要取决于尘源周围空气的流动速度。因此要控制粉尘颗粒的运动，就要控制其所在流场的气流流动速度和方向。(2)粉尘颗粒在重力作用下的运动球形尘粒在静止空气中从静止或某一速度开始沉降，沉降过程中尘粒的速度不断变化，阻力也随之变化，当阻力浮力和重力平衡时，尘粒以恒定速度沉降，此速度称为最终沉降速度:.球形粉尘颗粒的沉降速度，与尘粒的直径和密度有关，粒径和密度越大的尘粒，其沉降速度也越大，同时在不同的流体中沉降速度也不相同。此外，在层流与过渡区中沉降速度与流体的粘性有关，而在紊流中沉降速度与流体的粘性无关。同一流体和尘粒在不同粉尘颗粒雷诺数下，沉降速度与粒径的关系。由于通风除尘中的粒径一般小于5pm，也小于1，属StokeS区。沉降速度随粒径的减小而急剧降低，粒径小于5pm的尘粒其沉降速度很小，能够长时间悬浮于相对静止的空气中。如1pm的粉尘颗粒从人的呼吸带(离地面1.5m高处)降落到地面需6小时，但在生产条件下工作环境中常有气流运动，并且尘粒形状极不规则(形状不规则粉尘颗粒的阻力系数大于球形颗粒的阻力系数)，所以小于5pm的呼吸性粉尘实际上几乎不能沉降。（3）粉尘的沉降速度要提高尘粒与水滴的相对速度，降低水的表面张力，最有效的方法就是采用煤尘与水滴撞击等方法增加煤尘的黏度系数。这一点从矿尘在空气中沉降速度计算方法中可以得到验证。VS=(rS-r)d2/18u 式中，rS、r分别为尘粒与空气的重率，N/m3;u为空气的绝对黏度系数，Pas;d为尘粒直径，m。从式中可以得出:尘粒的沉降速度和粒径的平方成正比，对于粒径大的粉尘因重率大，能较快降落下来。而微细粉尘由于重率小，在紊流脉动速度条件下作业，微细尘粒将能长时间悬浮于空气中并随风扩散.2 粉尘防治技术2.1采煤机内外喷雾2.1.1喷雾降尘机理为了防止采煤机产生的粉尘随风流向人行道方向扩散，在滚筒摇臂靠人行道一侧设一组弧形的喷嘴组，当喷雾时，在滚筒靠人行道一侧形成一道径向喷雾屏障。是喷雾泵加压后的高压水源经采煤机滚筒截齿周围喷嘴(每只滚筒约40个喷嘴，在滚筒周围形成一层喷雾包围区，雾化水滴与煤尘不断发生碰撞、湿润、凝聚，同时采煤机内喷雾嘴形成喷雾气流，引射工作面含尘风流向滚筒周围及煤壁侧流动，煤尘不断被喷雾雾滴吸附，从而达到降尘目的。经过统计得出10MPa的供水压力，20个喷嘴数量及每个喷嘴供应水量 2L/min3L/min，对控制和降低滚筒产生的煤尘有较好的效果。采煤机高压外喷雾降尘利用高压减小喷雾雾粒粒度，提高雾粒密度、飞行速度、引射风量、涡流强度及带电量，增加了雾粒与尘粒的碰撞几率、能量及附着力，从而提高了水雾粒对尘粒的捕获率。同时，在液压支架探梁上设喷嘴，在采煤机部位开启这些喷嘴进行喷雾，在采煤机上方形成第二道喷雾屏障5。能有效起到控尘降尘的作用，保证采煤机司机有良好的视野和工作空间。常规喷雾降尘机理的物理过程表现为：重力沉降、惯性碰撞、惰性凝结与扩散捕集。(1)凝聚：当空气中的湿度较高的时候，水气往往以尘粒为核心凝集，加大了尘粒的直和质量，使其碰撞的概率增大，并且由于尘粒已被润湿，即使是憎水性尘粒，也可减少弹，从而提高了除尘的效率，这叫做凝聚作用。(2)拦截捕尘：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方向运动。不考虑尘粒的质量，则尘粒将和风流同步，因尘粒有体积，当粉尘粒质心所在流线与水粒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，就是拦截捕尘作用。(3)惯性碰撞：主要是捕集大于0.51m的较粗的粉尘。反应惯性碰撞特性的是惯性系，它与水滴与粉尘的相对速度和水滴的直径有关。实验证明，值越大，水滴与粉尘碰撞概率越高，除尘效率也就越高的。(4)扩散：对粉尘的粒径小于0.2m时，扩散运动起主要作用，由于布朗扩散作用，可被水雾粒捕集，这叫做扩散捕集。图2.1水雾降尘机理示意图2.1.2喷雾介质喷雾系统的工作介质是水。在系统运行过程中，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、扩散和重力沉降等作用，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。由于水资源比较紧张，对许多矿井来说生产用水都需要回收再利用，同时从地面水池到综掘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、较大的杂质。而喷雾系统中的关键元件雾化喷嘴的孔径十分微小，极易造成堵塞，导致喷雾系统失效。从关于水介质的物理学特性分析中可以得到各种因素对水射流的影响作用。这里主要研究对于喷雾射流的影响作用。其中水的表面张力对雾化及降尘效果最大。水与气体交界的自由表面因内聚力作用，使表面好象形成一层膜，其上受有张紧的力，称为表面张力。水与固体接触，由于水表面张力的存在以及水与固体附着力大小的不同，有的固体能“润湿”，有的就不能“润湿”。这对研究水滴捕捉固体粉尘颗粒很有实用价值。此外，水的酸碱性对喷雾系统也有影响。控制喷雾用水的PH值对保证喷雾系统的正常工作也是很重要的。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嘴，严重影响喷雾效果。最后，水的荷电性对喷雾降尘也有很大影响，由于水雾的电荷效应，压力水从喷嘴喷出后，部分雾粒自然就带上了电荷，电荷的数量及雾粒荷电比例由喷雾方式决定，矿尘在产生过程中的碰撞、摩擦，部分矿尘也带上一定的电荷，尘粒和雾粒带有电荷能够提高降尘效率，尤其是捕集呼吸性粉尘的效果很明显。2.1.3雾流结构喷雾过程从能量角度来看是具有较大压力能的水，经过管路在喷嘴的作用下，进而成发散的雾流喷射出去，雾流具有较大的速度，即水流的压力能转化为水雾的动能。(1)低压雾流雾体的长度由水的压力决定，压力低时，在一定距离内，初射出的水流是密集的，距离渐远由于水压不足，速度衰减或逐渐降落，出现了射流衰减区。衰减区的水雾捕尘效率很低，此时雾粒在重力作用下呈下沉状态，已没有足够的能量与粉尘碰撞凝结。压力越大，密集水流段的长度越小，涡流段的长度越长，全部射流长度上发生沉降水的地点也会延长。低压喷雾效果图如图2.2所示。图2.2低压喷雾效果图(2)高压雾流高压喷雾从喷嘴中喷出的高速水流，在很短的距离上就分散成雾粒，并在雾粒之后形成一股气流，由于水压和气流的作用，射流中雾粒继续高速运动。实验表明，压力达6MPa时，就有较强的含尘气流被卷入雾区，压力超过10MPa，由于水流速度的进一步增加，周围空气被大量带走，水雾与边界层负压值增高。附近空气加剧补充形成强烈的卷吸作用，甚至发出吱吱的尖叫声。雾流在射流全长上的运动速度均超过沉降速度，不出现低压时明显的衰减沉降区。如图2.3所示。图2.3高压喷雾效果图2.1.4雾流形式喷雾形式在很大程度上取决于水压力的大小。压力较低时，例如2.5MPa时，雾流的形式为实心圆锥，随着压力的增加，可以明显的观察到圆锥形部分长度的缩短，雾流逐渐变为圆柱，实验表明，射流圆柱段越长，捕尘效率越高。表4.1为苏联学者试验的在不同压力下射流圆锥形和圆柱形的长度。表2-1不同压力的射流段长度压力（MPa）喷嘴直径1mm射流段长度（m）圆锥形圆柱形2.54.50.6541.57.53.52.5103.52.612.52.53.5喷雾是将液体通过喷嘴喷射进入气体介质中，使之分散并碎裂成小颗粒液滴的过程。喷雾可以由多种途径产生，有几个基本的因素适于所有的雾化过程：喷嘴内部的液体动力学；圆射流或液膜射流喷射表面波对气体的扰动作用；喷嘴的几何形状、喷射压力与环境气体背的差值、气体介质的性质和液体本身的物理特性。这些因素并非独立存在，而是相互影响，相辅相成，最终决定了雾化的效果。水压力越高，雾粒直径越小，分散均匀度越好。但也不是越小越好，有学者试验证明：粒径越小的雾滴越容易汽化，它在空气中可存在的时间能由经验公式算出：t=D/8K(P-P)(4.3)式中：t时间，s；D雾滴直径，m；K比例系数，取0.150.2；P雾滴的蒸汽压力，mmHg；P湿空气的压力，mmHg。通过试验所获数据列于表：指出了平均粒径为30m的雾滴在温度为20、16和10时，空气相对湿度为80%和90%条件下保持液态的时间。表2-2雾滴在不同条件下保持时间温度（）雾滴存在时间，（s）空气相对湿度为80%207.1169.51014空气相对湿度为90%2014.71617.81028通过对喷雾雾流分析可知：低压喷雾时，雾流出现明显的衰减区，而高压喷雾时则没有衰减沉降区，对于结构一定的喷嘴而言，随着压力的增大，雾流中水的含量在增多、雾滴的个数也随之增加、雾滴直径随着压力的增大在逐渐变小。研究得出：当恒压供水时，对于1mm和1.25mm喷嘴，当喷嘴雾流压力为7.5MPa和10MPa时，雾粒为100m左右，压力为12.5和15MPa时，雾滴粒度为8050m，因此最佳喷雾压力为7.510MPa。对某一确定喷嘴来说，雾化体积与压力的升高成正比关系，但对应关系是不同的直径为1.5mm的喷嘴为向下凹的曲线，与2.0mm和1.0mm的喷嘴相比，压力增大相同量，l.5mm喷嘴体积增大较多。2.1.4喷雾除尘效果喷雾流量是指单位时间内流过喷嘴的水量。随着喷雾流量的增加，射流单位体积内雾粒数量增加，与粉尘接触的表面积也增加，因此发生惰性捕集的概率也就相应增加，降尘效果越好。表2-3是在某煤矿实测的三种流量下的除尘结果，但是喷雾流量的增加也带来一些问题。一方面流量的增加会增加煤的水分，影响到煤的售价；另一方面，对于某些具有膨胀土底、顶板的工作面，将造成巷道的底鼓和变形；此外，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。静电凝结时，两个带电区(雾粒和粉尘粒)的相互作用力，由电荷的种类、电量大小及雾粒和粉尘的粒度以及它们之间的距离所决定。带不同电荷的粉尘粒比不带电荷的粉尘粒容易凝结，而带同一电荷的粉尘粒比不带电荷的粉尘粒更难凝结。同时，在利用自然的静电凝结时，粉尘粒之间的所有接触都应当有一定的效应。雾粒和粉尘粒的电荷越多，这种凝结法的效果和喷雾除尘的效果就越显著。由于煤岩在被破碎时，许多粉尘带有正电或负电荷，因此也要求喷雾的雾粒带有不同的电荷，才能使粉尘与雾粒较好的凝并，取得好的降尘效果2.2空气幕2.2.1空气幕简介空气幕是使空气以一定的风速从条缝风口吹出而形成的隔断气帘。当出风缝长边与短边比超过10:1时，称为条缝射流。空气幕是利用喷射气流的射流理使污染源散发出来的污染物与周围空气隔离，以保证工作区的卫生条件。采工作面空气幕安装在采煤机机身上，其作用在于使滚筒截煤时向采煤机司机扩散的微尘折转向上，并携带周围的空气冲向顶板，气流同时向两侧分散，微尘被阻隔在煤壁侧，同时煤壁侧的粉尘被工作面风流带走。空气幕用在采煤工作面隔离司机与煤壁侧，在中间形成一道“无形透明屏割顶煤滚简采煤机障”，其空气幕的隔离作用是由于空气幕不断卷吸煤壁侧的含尘空气，不断去稀释和带走卷吸进来的含尘空气，使尘粒不能穿透气幕，只有少数尘粒可能由于气流的横向脉动进入气幕的中心区，一部分穿透空气幕射流的尘粒又进入司机侧的空气幕卷吸流中而随空气幕气运动上升扩散带到非司机呼吸带，以阻止工作面截煤过程中粉尘向采煤机司机处扩散，从而保证了采煤机司机处空气的新鲜，司机创造良好的工作环境。综采工作面空气幕隔尘作用是由于空气幕射流不断卷吸两侧气流并与空气幕出口气流混合后射向顶板，冲击顶板后再向空气幕两侧分流，从而阻止煤壁侧粉尘直接穿透空气幕进入司机工作区。由于本文所研究的空气幕隔尘作用主要是针对呼吸性粉尘，因此，在分析空气幕隔尘效果时，不考粉尘的穿透的作用。因为呼吸性粉尘的粒径小，完全随风流运动，即使获得了运动初速度，其运动距离也非常小，对粉尘的运动影响很小。综采工作面空气幕沿工作面纵向布置在采煤机上，工作面风流在气幕处被分成两条风路:一条是靠煤壁侧，为污染区;另一条是靠司机侧(行人侧)，为清洁区。分析空气幕隔尘效率时，假定采煤机滚筒产尘是连续的，污染区的粉尘浓度均匀分布，空气幕风量较工作面风量小得多，可忽略空气幕风量对工作面风流的影响;假定呼吸性粉尘穿透空气幕的动量较小而不能穿透空气幕。同时空气幕抵抗粉尘穿透最小出口宽度不能太小。由于空气幕卷吸了煤壁侧的粉尘，在空气幕射流中混合后射向顶板，并向两侧扩散。一部分扩散到了司机侧，一部分又扩散回到了煤壁侧。因此煤壁侧的呼吸性粉尘由空气幕射流卷吸扩散被带到了司机侧，这样司机侧也含有一定浓度的粉尘。之后，空气幕仍不断卷吸两侧空气，并不断向两侧扩散，当到达一定时间后，其两侧浓度达到稳定值。2.2.2空气幕两侧粉尘浓度与卷吸风量的关系卷吸风量分别为0.1、0.2、0.3、0.4m2/sm时的空气幕两侧粉尘浓度变化曲线如图所示。2.2.3空气幕吸风量与出口半宽度空气幕卷吸风量与出口半宽度及最小设计风速的关系。从图3一12中可以看出，在设计最小风速一定时，增加出口宽度，空气幕卷吸风量下降，但从实际计算看，下降并不明显。而在空气幕出口宽度一定时，空气幕最小末端风速对其卷吸风量影响较大，最小末端取决于空气幕出口风速，因此提高空气幕出口设计风速会使其卷吸风量增大。为此，在设计空气幕出口风速时，应根据现场实测，取满足控制呼吸性粉尘所需最小风速即可2.2.4空气幕出口与安装角度的关系如果将空气幕出口倾斜于工作面煤壁侧一定的角度安装，那么，空气幕冲击工作面顶板后分流煤壁侧的空气流量与空气幕出口角度的关系式如图2.6，将关系式绘制成关系曲线。随着空气幕出口向煤壁倾斜的角度增大，空气幕达到顶板后，分流到煤壁侧的气流量增大，而分流到司机侧的气流量减少了2.2.5空气幕出口宽度与最佳风速的关系不同出口宽度的空气幕，其最佳隔尘风速是不相同的。空气幕出口宽度越小，其最佳隔尘出口风速要求越高。根据图2.7得出空气幕的最佳隔尘出口风速随其出口宽度的变化曲线。2.2.6空气幕出口风速在测得空气幕的最佳隔尘出口风速的同时，测得空气幕接近工作面顶板时的端风速如表4一1所示。从测试结果可以看出，虽然不同出口宽度的空气幕，其最佳隔尘出口风速相差较大，但空气幕达到工作面接近时的最佳末端中心风速都在1.451.65而s范围内.图2.7空气幕最佳隔尘出口风速与空气幕出口宽度之间的关系说明要使空气幕获得良好的隔尘效果，空气幕达到顶板时的中心风速设计为1.51.6可s比较合理。表2-3空气幕的最佳隔尘效果出口和末端风速空气幕出口宽度(m/s)10152025最佳出口风速(m/s)32.52.22最佳末端风速(m/s)1.61.51.51.452.2.7空气幕最佳喷射角度当空气幕出口喷射角0在5100，采煤机司机处的粉尘浓度最低，说明空气幕在出口喷射角为510a时的隔尘效果最好。这是因为:一方面随着空气幕出口喷射角夕的增大，空气幕气流在水平方向上阻止粉尘扩散的分速度增大，即使空气幕在同样的风速条件下，其抗扩散能力将增强;另一方面，根据平面冲击射流理论，随着空气幕出口喷射角0的增大，空气幕气流遇顶板后分流到司机侧的含尘气流量减少了。因此，在0-10度范围内，空气幕隔尘效率随之增大而提高。随喷射角的继续增大，采煤机司机处的粉尘浓度又逐渐升高，表明其隔尘效率在下降。究其原因，主要是由于喷射角太大，一部分粉尘从空气幕末端(巷道顶部)，越过空气幕直接进入司机侧，造成司机区粉尘浓度升高，表现出空气幕隔尘效果下降。因此，根据这一实验结果，空气幕的喷射角度安装在510度范围较为合适。根据平面冲击射流特性，将空气幕出口倾斜于工作面煤壁侧一定的角度安装，空气幕冲击工作面顶板后分流煤壁侧的空气流量随着空气幕出口角度的增大而增大，同时分流到司机侧的空气幕气流流量则相应减少，说明进入到司机侧的含尘气流量减少，从而可以提高空气幕隔尘效果。不过，如果空气幕出口角度太大，采煤机滚筒割顶煤时，工作面顶部尘源难以控制，出现煤壁侧顶板部位尘源直接向司机侧扩散。2.2.8空气幕隔尘效率不同卷吸量穿情况时空气幕各断面隔尘效率沿x的变化规律曲线，如图2.9。从图可以看出，在工作面风量和粉尘量一定的情况下，空气幕断面的尘效率与卷吸风量有关。同一断面，卷吸风量越小，空气幕隔尘效率越高。从图上还可以看出，在同一卷吸风量下，空气幕断面隔尘效率随着距割煤滚筒距离的增大而下降。这主要是由于煤壁侧粉尘浓度朝风流方向按指数规律降低的同时，而司机侧粉尘浓度则朝风流方向按指数规律图2.8空气幕的出口喷射角对隔尘效果的影响空气幕总隔尘效率随卷吸风量的变化规律曲线，如图2.10图2.10空气幕总隔尘效率随卷吸风量变化图3 其他防尘技术3. 1减尘3.1.1煤层注水防尘煤层注水防尘是国内外公认的减少粉尘产生的较好技术措施。为了使综放面厚煤层中顶层煤炭得到较好的湿润，可采用双向扇形铝孔布置和三巷钻孔长钻孔静压注水的方式，在工作面的动压区利用矿山压力所致的次生裂隙进行煤层注水，可有较好的防尘效果。煤层预先注水基本防尘机理是通过打钻孔向煤体中注水，提高煤体的含水量和润湿性，从而减少采煤时粉尘的产生。添加湿润剂可以改善水对煤的湿润能力，如德国选用氯化钙作为注水添加剂，显著提高了抑制粉尘产生的作用，同时煤层注水可以预先软化煤层，对于冒放性差煤层的放顶煤开采时尤为有利。回风巷在靠工作面一端60 m左右范围内，进风巷靠工作面35 m左右范围内，根据矿压及顶板位移规律，选择煤层中较发育的次生裂隙，提高煤层的渗透性，降低注水压力。在距工作面3540 m开始注水。注水系统主要由注水流量表、分流器、高压阀门、注水管、封孔器等组成。3.1.2改进采煤机截割机构及选择合理的截割参数采煤机滚筒割煤产尘量大小，与煤的机械物理性质(如:脆性程度、粉碎性、机械强度、弹性等)、煤体的含水量、采煤机本身的机械参数及工作状况（采煤机滚筒截齿结构和数目、滚筒转速、采煤机牵引速度、截深、喷雾降尘效率以及采煤机的割煤方向等)有关。采煤机的牵引速度、截割速度、截割深度以及截齿的类型、数量、锐度和滚筒形状等都可以影响采煤时产尘量的大小。Q=KLBh式中Q单孔注水量，m3;K注水系数，取K=1.1;L钻孔长度，m;B钻孔间距，m;h钻孔范围内应湿润的煤层厚度，m;煤的密度，t/m3;吨煤注水量，m3/t，取=0025 m3/t。例如，加大采煤机的牵引速度，同时降低滚筒转速(截割速度)，或者同时增加截割深度，可优化出单位产尘量最低的最佳匹配值。加大截齿的截割厚度，同时降低截齿速度，可以取得单位产尘量最低的效果。圆柱形滚筒整个滚筒深度具有相同螺旋高度和输煤断面，产生碎煤多，产尘量大;而锥形滚筒与阶梯形螺旋滚筒，由于滚筒出煤端的空间愈来愈大，运煤流程通畅，适用于各种不同出煤量，煤块破碎少，产尘量低10。3.1.3水炮泥和水封爆破炮采工作面的矿尘来源主要来自炸药爆炸过程：炸药爆炸产生的巨大作用力挤压煤壁从而使爆点附近的煤壁粉末化，急剧膨胀的爆炸气体把煤块从煤壁上大面积撕落下来，爆点附近粉末化的煤壁随爆炸气体进入空气就形成了煤尘。另外在煤块剥落和下落的过程中也会产生大量的煤尘。如果产生的煤尘随着爆炸气流运动并漂浮在该气体中，就会造成煤尘在空气中扩散。这些煤尘悬浮在空气中随工作面气流扩散，如果不在尘源及时捕灭，就会使煤尘充斥整个巷道。水炮泥和水封爆破可以及时减少炮采工作面的尘源，水炮泥是利用特制的塑料袋装水，代替粘土炮泥填入炮眼内，在爆炸的瞬间，水在高温高压下汽化，大量水汽急剧向周围扩散，同时水在爆炸压力作用下强力渗透到煤体中，从而有效地抑制大量煤尘的产生，同时也可使爆破后产生的有毒有害气体大为减少13。还可以减少放炮的通风时间，有利于提高工作效率。3. 2降尘3.2.1采煤机负压二次降尘技术采煤机负压二次降尘技术基本原理是水活塞技术，主要针对采煤机滚筒割煤时产生的涡风流即尘源点，利用负压降尘装置产生2倍采煤机滚筒的涡旋风流，将采煤机滚筒割煤产生粉尘就地净化，阻止和减少粉尘向外扩散15。采煤机负压二次降尘装置利用高压水使其喷出水雾形成严密的气雾屏障，将涡旋风流封住、吸收、净化。该装置体积小，安装方便，易于维护，运行成本低，能够实现采煤机割煤产尘的有效控制。其对改善现场作业环境，提高生产效率，降低粉尘危害都具有很大作用，值得推广和应用。负压二次除尘装置同时具有拦截粉尘外逸的汽雾流屏障和含尘气流净化系统，装置体积小，安装方便、维护容易。采煤机负压二次降尘技术是对采煤机内外喷雾降尘效果的补充和完善，降低粉尘浓度效果明显，能有效改善现场作业环境。3.2.2磁化水、泡沫降尘磁化水、荷电水、泡沫等都是使水的物理化学性质发生暂时的明显变化，大大提高了降尘效果。磁化水是使水的表面张力、吸附能力、溶解能力及渗透能力增加，水的粘度降低，使雾粒变小，增加水雾与粉尘的接触机会14。磁化水降尘技术是降低呼吸性粉尘的另一条途径。它是用物理的方法改变水的性质，使水的雾化能力增大，是一种简单有效的方法。水是抗磁性物质，当对水施加一种外磁场时，水就要产生一个附加磁场，其方向与外磁场方向相反，由于外磁场与分子力的相互作用，削弱了分子间的内聚力，改变了水分子的氢键连接，迫使水的粘性下降，从而改变水的表面张力，同时水中存在的杂质在流经磁场时也要被磁化，其中含电解质的离子磁化后产生的附加磁场的方向与外磁场方向相同，而非电解质的分子产生的附加磁场的方向与外磁场方向相反，这些磁力的相互作用最终促使水分子的内聚力下降，粘滞力减弱，从而不同程度地改变水的基本结构，成为磁化水。由于粘度、表面张力降低，吸附、溶解能力增强，致使雾化程度得到提高，可以提高捕捉粉尘的几率。如果让水雾带有极性相反的电荷，就可以使雾粒和尘粒之间产生较强的静电引力，从而提高水雾对粉尘的捕获效果。荷电水雾对呼吸性粉尘的降尘效率是随水雾荷质比的提高而线性上升的，最高达到75.7%。泡沫除尘是由压缩空气在混合器内使水与活性剂进行混合后通过发泡装置的金属网格而形成细小泡沫，在通过导管喷向采煤及截煤部位;或者使压力水通过引射器将活性剂从贮液罐中定量吸出，经软管送到发泡喷头，同时从喷头尾部吸进空气，在金属网上成泡喷向采煤机截割部。泡沫能够大大地增加尘粒相互作用的表面，从而将尘源隔绝，达到降尘的效果.3.3捕尘3.3.1综放支架负压捕尘装置综放支架负压捕尘装置主要是在液压支架放煤口吸尘罩外形成低压空气幕。其工作原理:利用压力水为动力，通过喷嘴射流水质点的横向紊动作用将接受管内的空气带走，形成负压区，在吸喷筒内外压差作用下，含尘空气不断从吸尘罩流入接受管，并随喷嘴喷出的水流在喉管混合，此时2股流体速度逐渐趋向一致，在渐扩管煤尘被水雾充分包围湿润，最后被排出16。按不完全密闭形式，尘源在吸尘罩外利用吸风速控制粉尘飞扬，随粉尘控制区域与罩口距离的平方而衰减20。放顶煤液压支架放煤口负压捕尘装置，能将综放工作面放煤产生的大部分粉尘消灭和控制在一定区域，不扩散到人行道，从而改善了井下职工的工作环境，对防治和降低井下职工尘肺病的发生，防止煤尘爆炸都具有重大的安全效益和社会效益。支架放煤口放煤、移架自动供水主要由联动阀实现。支架放煤时，收缩放煤千斤顶油路中分出一股乳化液进入联动阀，阀座的千斤顶收缩油孔后打开控制水路的阀芯，使喷雾水接通，放煤口放煤和负压降尘装置开始工作。放煤完毕，放煤千斤顶伸出关闭放煤口，此时，放煤千斤顶伸出时油路中分出一股乳化液进入联动阀阀座的
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