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喷雾参数对采煤机产尘降尘效果的影响 煤炭科学研究总院重庆分院 罗茂蜀 煤 炭 科 学 研 究 总 院 朱凤山 摘 要 在对采煤机产尘源及粉尘分布分析的基础上,对常规喷雾降低采煤机 粉尘浓度的影响因素进行了分析,探讨了提高降尘效果的途径。 关键词 采煤机 尘源 喷雾参数 呼吸尘 降尘率 影响 综采工作面产尘约占整个矿井产尘量的 60 ～70 ,而采煤机割煤时产尘占整个采 煤工作面产尘的70 左右。采煤机采煤时 粉尘浓度可高达3000～5000 mg / m3。高浓 度的粉尘严重危害人体健康,并给矿井安全 生产带来事故隐患。因此,国内外都高度重 视采煤机产尘治理。针对采煤机产尘,喷雾 参数对其降尘效果影响如何以及怎样进一步 提高降尘率,本文就常规喷雾对采煤机产尘 降尘效果的影响作一浅析。 1 采煤机尘源分布 采煤机产尘源主要包括采煤机割煤时产 尘、滚筒装煤时产尘、采煤机所在位置煤壁 片帮产尘、采煤机处输送机运煤时扬尘。 采煤机周围的粉尘与工作面风流构成一 个复杂的气溶胶系统,系统中含有体积、密 度、形状和聚合状态都互不相同的尘粒,尘 粒的不规则运动给控尘工作带来一定的难度。 112 采煤机周围粉尘分布 11211 采煤机处粉尘纵向分布 澳大利亚阿齐茨等人在新南威尔士州南 部地区某长壁工作面进行了现场考察。图1 为采煤机周围瞬时呼吸尘浓度分布,图中清 楚地显示了采煤机这一重要尘源的产尘情 况沿工作面长度方向,从进风巷开始至采 图1 采煤机周围瞬时呼吸尘浓度分布 煤机前方段瞬时呼吸尘浓度较低,为2mg/ m3左右;从采煤机位置开始,粉尘浓度显 著上升,为5～9 mg / m3;采煤机机后15 m 左右达到峰值,为32 mg / m3,以后又逐渐 下降。 11212 采煤机机后横断面粉尘分布 煤科总院重庆分院在石炭井矿务局白芨 沟煤矿4321综采工作面进行了试验考察。 在采煤机后10 m处横断面上布置5个测点 表1 ,测点位置如图2所示。 从表1中可以看出,溜子道上的粉尘浓 度最高,人行道空间的粉尘浓度最低。 表1 4321工作面横断面上粉尘浓度测定值 测点编号1号2号3号4号5号 浓度/ mgm- 31561314217871165186314 2 常规喷雾降尘机理 喷雾降尘过程是喷嘴喷出的液态雾粒与 14 第25卷第7期 煤炭科学技术 1997年7月 图2 4321工作面横断面上测点布置 固态尘粒的惰性凝结过程。首先喷雾使局部 空间的湿度增大,部分水雾粒饱和将相互凝 聚成水滴,当悬浮粉尘碰上水滴后相互凝 聚,使尘粒湿润,其自重增加而被沉降,这 就是凝聚作用。当风流携带尘粒向水雾粒运 动并离水雾粒不远时就要开始绕流水雾粒运 动,风流中质量较大、颗粒较粗的尘粒因惯 性作用会脱离流线而保持向雾滴方向直线运 动,以至与水雾粒发生碰撞,这就是惯性碰 撞作用。风流中粒径较小的尘粒,难以脱离 流线,风流将携带这部分尘粒绕流水雾粒运 动,如果不考虑尘粒的质量,则尘粒将和风 流同步运动,因尘粒有体积,当尘粒质心所 在流线与水雾粒的距离小于尘粒半径时,尘 粒便会与雾滴接触而被截留拦截下来,使尘 粒附着于水雾粒上,这就是拦截捕尘作用。 对微细粉尘,特别是直径小于011μm的粉 尘,由于布朗扩散作用,而可能被水雾粒捕 集,这就是扩散捕尘作用。凝聚、惯性碰 撞、拦截捕尘、扩散捕尘的综合作用就是喷 雾降尘机理。 3 常规喷雾影响降尘效果的因素 311 喷雾压力 喷雾压力是指泵站及喷雾系统工作时, 流径喷嘴处的水压。 为了考察喷雾压力对采煤机处尘源降尘 效果的影响,煤科总院重庆分院在石炭井矿 务局马兰煤矿5321综放工作面进行了实地 考察。 表2为两种喷雾压力下的降尘效果。 表2 5321工作面采煤机司机处两种喷雾 压力下的降尘效果 喷雾 压力 / MPa 原始粉尘浓 度/ mgm- 3 总粉尘 呼吸尘 喷雾后的粉尘 浓度/ mgm- 3 总粉尘呼吸尘 降尘率/ 总粉尘 呼吸尘 1107053715232296725 815705371535159560 表2中,喷雾压力较高 8 15 MPa 时,总粉尘降尘率为95 ,呼吸尘降尘率 为60 ;喷雾压力较低 1 10 MPa时,总 粉尘降尘率为67 ,呼吸尘降尘率为25 。 312 喷雾流量 喷雾流量是指单位时间内流过喷嘴的水 量。为了考察喷雾流量对降尘效果的影响, 煤科总院重庆分院在石炭井矿务局白芨沟煤 矿4321综采工作面进行了试验考察。 表3为三种喷雾流量下的降尘效果。 表3 4321工作面采煤机司机处三种 喷雾流量下的降尘效果 喷雾 压力 / MPa 喷雾 流量 / Lmin - 1 原始总粉 尘浓度 / mgm- 3 喷雾后总 粉尘浓度 / mgm- 3 降尘率 / 11010010114205814 11015010163246811 11020010202367618 表3中,当喷雾流量为100 L / min时, 降尘率仅为5814 ;当喷雾流量为200 L / min时,降尘率达到7618 。说明随着喷雾 流量的增加,降尘率相应提高,降尘效果越 好。 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。 当合理喷雾流量确定以后,还可在保持 总流量不变的条件下,增加滚筒喷水量,减 少外喷雾流量,将显著提高降尘效果。 美国矿业局对此专门进行了研究。图3 24 第25卷第7期 煤炭科学技术 1997年7月 为D - 5和D - 6两矿井采用低压喷雾的降 尘效果。 图3 不同的滚筒喷雾流量瞬时呼吸尘浓度 D - 5矿,总流量380 Lmin - 1; 滚筒喷雾流量230 L min - 1; △ D - 6矿,总流量380 Lmin - 1; 滚筒喷雾流量 75 Lmin - 1 由图中可以看出,虽然两矿井采煤机喷 水总流量均为380 L / min ,原始粉尘浓度差 不多,但滚筒处的流量分别为230 L / min 和75 L / min ,其降尘效果明显不同在采 煤机中点的平均呼吸尘浓度, D - 5矿为 314 mg / m3,而D - 6矿则达到817 mg / m3。因此,加大采煤机滚筒的内喷雾流量 能显著降低采煤机采煤时产尘。 313 雾滴粒径及雾滴分布均匀度 雾化后的雾滴粒径有大有小,同时,雾 滴所覆盖的范围,各部分的雾滴数量不同, 水量不均匀,即雾滴分布存在着不均匀性。 表4为四种喷嘴的雾滴粒径分布及降尘 效果。 表4 四种喷嘴的雾粒径分布及降尘效果 喷嘴 型号 喷雾 压力 / MPa 雾滴粒径 分布/ ≤140μm 140μm 雾滴 分布 均匀性 降尘 效果 / 备注 GP1129415515好92① GP2129512418一般86① SD111059134017好73② SD211051144816一般64② 注① 高压喷嘴;② 低压喷嘴。 从表中可以看出 1雾滴分布均匀的GP1型喷嘴比雾 滴分布不均匀的GP2型喷嘴降尘效果好; 雾滴分布均匀的SD1型喷嘴亦比雾滴分布 不均匀的SD2型喷嘴降尘效果好。 2GP1、GP2型两种喷嘴的雾滴粒径 均较小,粒径小于140μm雾滴所占比例大 于94 ;而SD1、SD2型两种喷嘴的雾滴 粒径小于140μm的雾滴所占比例不足 60 ,其降尘效果就明显不同 GP1、GP2 型喷嘴比SD1、SD2型喷嘴降尘率高。 314 喷嘴的布置方式 传统的喷雾系统是将喷嘴对着风流方向 喷雾,由于每个喷出雾流的喷嘴好比一台小 风扇,使空气在喷水器所指的方向上运动, 这就造成一种反抗原有风流的边界流动,即 “沸腾效应”,见图4。风流将携带粉尘流入 人行道,污染采煤机司机作业空间。 图4 采煤机传统的喷雾系统 如果改用采煤机含尘气流控制装置,情 况将大大不同。这种装置利用喷嘴顺着风流 方向喷雾,将新鲜风分一支流流经人行道及 采煤机司机位置;将含尘气流控制在靠煤壁 一侧运动,并在运动中将粉尘沉降。其降尘 效果可在传统喷雾方式的基础上提高50 ～60 。如图5所示。 图5 采煤机含尘气流控制装置 34 第25卷第7期 煤炭科学技术 1997年7月 问题探讨 煤岩组分的氧化及自燃倾向性 淮南工业学院 徐初阳 聂容春 唐修义 摘 要 煤岩组分的自燃倾向性在文献报道中一直有分歧。作者从煤岩组分低 温氧化的难易程度出发,结合着火点检测,认为在同一煤阶,镜质组分最易氧化, 其自燃倾向性亦比丝质组和壳质组强。 关键词 煤岩组分 低温氧化 自燃倾向性 煤与空气接触发生氧化、放热,若热能 积聚,煤温增高,达到燃点即引起自燃。在 这一过程中,煤的氧化性能强是决定自燃的 重要因素,即煤的氧化难易程度预示着煤的 自燃倾向性,因而备受关注。 国内外学者一致认为,变质程度低的煤 比变质程度高的煤容易自燃。在同一煤阶 内,哪 种煤岩组分易自燃文献报道的意 见却不完全一样,主要分歧点在于有人认 为镜煤在自燃中起决定作用[1];有人认为 丝炭是引起自燃最危险的组分;由于样品采 制和实验方法的不同,研究者们对煤岩组分 自燃倾向性的意见不一致是可能的。 本研究采集了几种有代表性的煤样,进 行了低温氧化过程中产出气体的研究并对氧 化煤样进行元素分析,对不同煤岩组分进行 了着火点检测,以探讨煤岩组分的氧化难易 程度及自燃倾向性。 1 试验 111 样品制备 为获得不同的煤岩组分,样品采自具有 代表性的矿区和煤矿,见表1。煤样为褐煤 和气煤,煤岩组分有镜质组、丝质组和壳质 组。精选煤岩组分的方法是先用肉眼挑选宏 观煤岩类型,再经镜下检测显微组分含量; 不用任何试剂处理煤样以避免试剂对样品的 影响。挑选鉴定后的煤样置于氮气密封罐中 备用以防氧化。 112 煤样低温氧化产出气体的检测 4 结 论 1采煤机尘源主要包括采煤机割煤时 产尘、滚筒装煤时产尘、煤壁片帮时产尘。 2采煤机处粉尘纵向分布为粉尘浓 度从采煤机位置开始显著上升,至采煤机机 后15 m左右达到峰值,以后又逐渐下降。 3采煤机机后横断面上粉尘分布为 溜子道上粉尘浓度最高,从煤壁侧向人行道 方向粉尘浓度逐渐降低。 4喷雾压力对采煤机处粉尘降尘效果 影响较大;压力越高,对呼吸尘沉降越有 效,总粉尘降尘效果越好;高压喷雾比低压 喷雾降尘效果好。 5增大喷雾流量,可提高降尘效率, 但喷雾水量的增加应有一定限度。此外,在 44 第25卷第7期 煤炭科学技术 1997年7月 表1 样品来源及煤岩组成 样 品 号 样品来源 矿区矿井 镜质组 反射率 R/ 煤 岩 成 分 宏观 类型 显微组分/ 镜质壳质丝质 1平庄古山0145镜煤9721 2平庄古山-丝炭5095 3滕南柴里0167亮煤8569 4兖州唐村0160亮煤83107 5浑园0160藻煤24706 6东平鸣山0170暗煤22717 7抚顺西露天-树脂体01000 采用煤炭科学研究总院重庆分院的自然 发火模拟装置做升温氧化试验。将一定粒度 和重量的煤样放入反应炉内,压缩空气以一 定的流量通过煤样,控制一定的升温速度, 煤样在反应器中氧化,产出的气体用SP - 2307型103型气相色谱仪作气体成分分析, 检测CO、C2H4、C3H6⋯⋯等气体成分, CO和稀烃的最低检出浓度为01110 - 6。 113 氧化煤样的元素分析 将煤样在管状炉内加热氧化,在设定温 度时恒温5 min取出样品备用,用Carlo - Erba元素分析仪对氧化煤样进行元素分析, 测出的绝对值虽与我国标准规定方法所得结 果略有差异,但该仪器可直接测出氧的百分 含量而不用差减法计算,且为了了解氧化过 程中氧的相对变化,所以用Corlo - Erba仪 取得氧含量的精度较好。 114 着火点检测 按文献[4]中方法对神府大柳塔煤进 行着火点检测,神府煤富含丝炭,选出不同 宏观煤岩类型,再经镜下检测煤岩成分,考 察不同煤岩成分含量对着火点的影响。 2 结果讨论 211 低温氧化过程中气体的产出 对样品在低温氧化中产出的气体,检测 在预报临界值浓度时所对应的煤温,其中 CO按浓度510 - 6为预报临界值 , C2H4临 界值为01110 - 6 , C3H6临界值为0115 10 - 6 ,见表2、3、4。 表2 CO浓度为510 - 6时的产出煤温 煤级煤岩类型产出温度/℃ 褐煤 平庄丝炭 平庄镜煤 60 57 气煤 柴里亮煤 唐村亮煤 浑园藻煤 乐平树皮煤 79 67 105 102 表3 C2H4浓度为01110 - 6时的产出煤温 煤级煤岩类型产出温度/℃ 褐煤 平庄丝炭 平庄镜煤 85 80 气煤 柴里亮煤 唐村亮煤 浑园藻煤 乐平树皮煤 115 130 131 145 保持总喷雾流量不变的条件下,增大滚筒内 喷雾流量,减少外喷务水量,可显著提高降 尘效率。 6喷嘴喷出的水雾中,小颗粒雾滴较 多者比小颗粒雾滴较少者降尘效果好;雾滴 分均匀的喷嘴,比分布不均匀的喷嘴降尘效 果好。 7喷嘴的布置方式对降尘率影响较 大采用顺着工作面风流方向安装的含尘气 流控制装置比传统的逆风流喷雾装置降尘效 果好。 作者简介 罗茂蜀 1964年生,工程师。1985年毕 业于中国矿业大学,现在煤炭科学研究总院重庆分院从事 粉尘防治科研工作。主持和参加科研项目共计18项,发 表论文14篇。地址重庆市上桥,邮码 630037。 收稿日期1996212206;责任编辑王廷圣 54 第25卷第7期 煤炭科学技术 1997年7月