第三章矿山粉尘防治方法

第一节矿山防尘的理论基础第二节采掘工作面防尘技术第三节物理化学降尘技术第四节个体防护技术第一节矿山防尘的理论基础一、预湿煤体防尘理论二、湿式除尘基础理论三、干法除尘基础理论一、预湿煤体防尘理论(一)预湿煤体减尘机理(二)预湿煤体防尘效果影响因素(一)预湿煤体减尘机理1.通过物理化学作用润湿煤层2.注入水可有效地包裹煤体内的每一细小部分3.克服各项阻力及煤层瓦斯压力4.通过改变煤体的物理力学性质减尘1.通过物理化学作用润湿煤层煤层的湿润过程实质上是水在煤层裂隙和孔隙中的运动过程，是一个复杂的水动力学和物理化学过程的综合。水在煤层中的运动可以分为压差所造成的运动和它的自运动。压差所造成的运动是水在煤层中沿裂隙和大的孔隙按渗透规律流动。自运动与注水压力无关，它取决于水的重力和水与煤炭的化学、物理化学的作用。自重使水在裂隙与孔隙内向下运动；化学作用是水作用于煤层内的无机的和有机的组分，使之氧化或溶解；物理化学作用包括毛细管凝聚、表面吸着和湿润等。压差和重力造成的水渗透流动，时间不长，范围不大，湿润效果不高，一般只能达到10%～40%。物理化学作用是煤层湿润的主导作用，可以持续很长时间，并能使煤体均匀、充分地湿润，将湿润效果提高到70%～80%。2.注入水可有效地包裹煤体内的每一细小部分水进入煤体各种裂隙和层理后，在极其微小的孔隙内部，都有水的注入，这就使整个煤体有效地被水包裹起来。当煤体由于开采而受到破碎时，因绝大多数的破碎面中充满着水，可以达到减少煤尘飞扬的目的。3.克服各项阻力及煤层瓦斯压力水在煤层中的运动，主要是注水压力、毛细管力和重力三种力综合作用克服煤层裂隙面的阻力、孔隙通路的阻力和煤层的瓦斯压力。4.通过改变煤体的物理力学性质减尘通过钻孔注入压力水，使其渗入煤体内部，增加煤的水分和尘粒间的粘着力，并降低煤的强度和脆性，增加塑性，减少采煤时煤尘的生成量；同时将煤体中原生细尘粘结为较大的尘粒，使之失去飞扬能力。(二)预湿煤体防尘效果影响因素1.煤的裂隙和孔隙特征2.煤体孔隙率大小3.上覆岩层压力及支承压力4.注水参数5.液体性质6.煤层内瓦斯压力1.煤的裂隙和孔隙特征(1)煤体孔、裂隙特征。(2)煤层孔隙、裂隙发育程度。(1)煤体孔、裂隙特征。煤体是一种孔隙和裂隙都很发育的介质，孔隙和裂隙共同构成了煤层注水渗透通道。在煤层注水渗透的过程中，煤层孔隙发育程度对注水时煤体均匀润湿、物理力学性质改变的影响举足轻重。煤中的孔隙包括相互连通的渗透-扩散孔隙、“死端”孔隙和孤立孔隙三类。渗透-扩散孔隙及与其连通的“死端”孔隙属于有效孔隙，注水时液体可沿这些孔隙进行渗流，而孤立孔隙对渗流来说则是无效孔隙。(2)煤层孔隙、裂隙发育程度。对于不同成因及煤岩种类的煤层来说，其裂隙和孔隙的发育程度不同，注水效果也存在较大差异。影响煤层孔隙、裂隙发育的因素很多且复杂，煤的岩相成分及煤的变质程度是其中的两个重要内在因素，而采动影响是其主要的外在因素。2.煤体孔隙率大小(1)孔隙率。(2)煤体孔隙率大小对注水的影响。(1)孔隙率。1)总孔隙率的测定与计算。2)部分孔隙率的测定。1)总孔隙率的测定与计算。煤的总孔隙率为孔隙的总体积与煤的总体积的比率，按下式计算：2)部分孔隙率的测定。部分孔隙率是指单位质量煤中某一孔径及其以上的孔隙体积与单位质量煤总体积之比。目前，煤的部分孔隙率主要采用压汞仪测定。(2)煤体孔隙率大小对注水的影响。在我国煤矿，孔隙率Kzx=1%～4%时，煤层通常不能注水；Kzx=5%～15%时，煤层能注水，且有较好的润湿效果；Kzx＞15%时能取得很好的注水效果。3.上覆岩层压力及支承压力地压的集中程度与煤层的埋藏深度有关，煤层埋藏越深则地层压力越大，而裂隙和孔隙变得更小，导致透水性能降低。因而随着矿井开采深度的增加，要取得良好的煤体湿润效果，需要提高注水压力。在长壁工作面的超前集中应力带以及其他大面积采空区附近的集中应力带，因承受的压力增高，其煤体的孔隙率与受采动影响的煤体相比要小60%～70%，由此减弱了煤层的透水性。4.注水参数煤层注水参数是指注水压力、注水速度、注水量和注水时间。注水量或煤的水分增量既是煤层注水效果的标志，也是决定煤层注水除尘率高低的重要因素。通常，注水量或煤的水分增量变化在50%～80%之间。注水量和煤的水分增量都和煤层的渗透性、注水压力、注水速度和注水时间有关。5.液体性质煤是极性小的物质，水是极性大的物质，两者之间极性差越小越易湿润。为了降低水的表面张力，减小水的极性，提高对煤的湿润效果，可以在水中添加表面活性剂。例如阳泉一矿在注水时加入0.5%浓度的洗衣粉后，注水速度比原来提高24%。6.煤层内瓦斯压力煤层内的瓦斯压力是注水的附加阻力。水压克服瓦斯压力后才是注水的有效压力，所以在瓦斯压力大的煤层中注水时，往往要提高注水压力，以保证注水的湿润效果。同时，煤层注水也是防止煤与瓦斯突出的一个很好的措施。二、湿式除尘基础理论(一)单一液滴的捕集机理和捕集效率(二)液滴群的分级效率(三)喷雾形成和降尘机理(一)单一液滴的捕集机理和捕集效率1.捕集机理2.各种机理的联合捕集效率图3-1典型的除尘机理1—惯性碰撞2—截留3—布朗扩散4—重力1.捕集机理•如图3-1所示，当含尘空气流过液滴时，液滴掠过尘粒，大部分尘粒与空气一道流经液滴，但一些尘粒接触液滴表面而附于其上，因此，液滴在其运动路径上捕集一些尘粒，而不是捕集全部尘粒。孤立液滴的捕集效率ηE定义为捕集的颗粒数与掠过液滴周围的气体体积中最初所含的颗粒数之比：1.捕集机理1.捕集机理(1)惯性碰撞。(2)截留。(3)布朗扩散。(4)重力效应。(1)惯性碰撞。当含较大尘粒的气流在运动过程中遇到液滴时，其自身的惯性作用，使得它们不能沿流线绕过液滴，仍保持其原来方向运动而碰撞到液滴，从而被液滴捕集，如图3-1所示尘粒1。(2)截留。当尘粒沿气体流线随着气流直接向液滴运动时，由于气流流线离液滴表面的距离在dp/2粒径范围以内，则该尘粒与液滴接触并被捕集，如图3-1所示尘粒2。对截留捕尘起作用的是尘粒大小，而不是尘粒的惯性，并且与气流速度无关。(3)布朗扩散。当微细尘粒受气流的夹带作用围绕液滴运动时，由于布朗扩散作用，尘粒的运动轨迹与气流流线不一致而沉积在液滴上。如图3-1中尘粒3，尘粒越小，布朗扩散越强烈，在分析dp＜2μm的尘粒沉积时，通常要考虑这种机理。(4)重力效应。当尘粒具有一定的大小和密度时，尘粒会因重力作用而沉降到液滴上，被液滴捕集。如图3-1中尘粒4。在重力作用下粉尘的沉降取决于尘粒的大小、密度和流速，显然，只有当尘粒比较大、密度大，同时气流小时，重力沉降的捕集效率才明显。在捕集细小粉尘时，重力沉降的作用不大。当重力与气流方向不相同时，沉降效率还取决于重力与气流方向的夹角。2.各种机理的联合捕集效率在实际除尘过程中，经常是几种机理的联合作用，这时的捕集效率要高于某一种单独机理的捕集效率。然而，总捕集效率并不简单地等于各种机理的捕集效率的叠加，因为一种粒径的尘粒可以因不同机理而被捕集，但只能计算一次。对各种机理分析一下，便可知道单一捕集体(液滴)的总捕集效率值取决于这些参数，即：(二)液滴群的分级效率1.湿式除尘器的总效率计算步骤2.模拟除尘器除尘效率的基本模型1.湿式除尘器的总效率计算步骤(1)计算在相同捕集速度下孤立液滴的捕集效率。(2)计算有邻近液滴影响时的液滴群中的液滴捕集效率。(3)由液滴群中的捕集效率计算整个液滴群(即除尘器)的分级效率。(4)由液滴群的分级效率计算液滴群的总除尘效率。(5)对各种影响因素进行修正。2.模拟除尘器除尘效率的基本模型(1)活塞流，未捕集的尘粒既无径向混合也无轴向混合(无混合模型)。(2)未捕集的尘粒完全径向(或横向)混合(横向混合模型)。(3)完全后向混合，即既有径向混合又有轴向混合(后向混合模型)。(三)喷雾形成和降尘机理1.喷雾形成机理2.喷雾降尘机理1.喷雾形成机理图3-2低压喷雾1.喷雾形成机理图3-3高压喷雾2.喷雾降尘机理图3-4喷雾降尘机理说明图三、干法除尘基础理论(一)通风除尘(二)抽尘净化(三)高压风屏蔽(一)通风除尘图3-5混合式通风方式1—抽出式风筒2—压入式风筒(二)抽尘净化抽尘净化是利用除尘器运行中产生的负压，通过吸尘风筒与靠近尘源的吸尘罩，在尘源处造成一个负压区，使含尘空气由吸尘罩经吸尘风筒进入除尘器中进行净化处理。除尘器包括湿式除尘器和干式除尘器两种，湿式除尘器有湿式旋流除尘器、湿式风流除尘器、文丘里除尘器和湿式纤维除尘器等；干式除尘器主要是布袋除尘器。根据我国机掘工作面目前的生产技术条件及对除尘器既要能耗低又要除尘效率高(特别对于呼尘)的要求，通过理论分析和实践证明，干式布袋除尘器由于具有惯性、截留、扩散、静电等捕尘机理和粉尘层捕集机理的综合作用，它不仅对总粉尘具有很高的捕尘效率，对呼尘仍具有很高的捕集效率。因此，在机掘工作面大都选用了干式布袋除尘器。抽尘净化除尘效率比较高，但设备成本也高，因此制约了它的推广应用。(三)高压风屏蔽高压风屏蔽是将一个开窄缝的金属筒(长约3m)横置于掘进机驾驶员前2m处，内有高压风由窄缝喷出，向上形成一道风墙，阻止粉尘的扩散，使空气保持清新，防尘效果好。但只是将粉尘隔离在前面，必须配套采取其他除尘措施来实现高效除尘。第二节采掘工作面防尘技术一、采煤工作面尘源的形成与分布二、掘进工作面粉尘的产生与分布三、采煤工作面防尘技术四、掘进工作面防尘技术一、采煤工作面尘源的形成与分布(一)炮采工作面(二)机采工作面(三)综采工作面(一)炮采工作面(一)炮采工作面表3-1炮采工作面各工序的煤尘浓度(二)机采工作面表3-2机采工作面各工序的粉尘浓度(三)综采工作面1.压固核的形成及其对产尘的影响2.摩擦与碾压3.冲击与振动1.压固核的形成及其对产尘的影响图3-6压固核的形成及其产尘过程2.摩擦与碾压滚筒采煤机运行一段时间后，若不及时更换被磨钝的截齿，则在截煤时截齿与煤体的接触由切割变成研磨，就将导致细微粉尘的大量增加3.冲击与振动截齿对煤的冲击必将产生煤尘，而且冲击力越大所产生的煤粉越多。此外，煤体或煤块受到强烈振动，可使原来的裂隙增加和变大，有的变为更小的煤块，有的成为煤尘。二、掘进工作面粉尘的产生与分布(一)炮掘工作面(二)综掘工作面二、掘进工作面粉尘的产生与分布图3-7煤巷掘进粉尘分布曲线(一)炮掘工作面1.机械打眼2.火药爆破作业3.装车与运输产尘(一)炮掘工作面1.机械打眼表3-4机械打眼时产尘情况2.火药爆破作业图3-8炮采工作面爆破后产尘情况1—干式爆破2—水封爆破3—水封爆破加水幕3.装车与运输产尘机械装矸和矿车运输也是掘进工作面产尘的主要原因之一。这部分粉尘虽然大多不是直接来源于煤岩体破碎，但它可以使风流中的粉尘浓度相对增加，改变堆积粉尘与浮尘的比例关系，使静态的沉积粉尘转化为浮游粉尘。岩巷干式装矸一般可使风流中的粉尘浓度增加的10～15mg/m3。干燥的煤巷用人工攉煤、铁铲装车，煤尘常达几十甚至几百毫克每立方米。另外，矿车和其他运输机械摩擦振动也可使风流中的粉尘浓度增加5～10mg/m3。这部分二次飞扬粉尘,在干式作业条件下可占掘进工作面总浮尘量的5%～10%。(二)综掘工作面(1)掘进机掘进过程中煤岩破碎产生的粉尘，即原生粉尘，它包括煤岩受到截齿的压碎和摩擦作用产生的粉尘，占机掘工作面粉尘的80%以上。(2)煤块塌落后与机器和地面碰撞，挡煤板、运输溜子转载造成的摩擦破碎形成的粉尘。(3)由于地质作用，煤层发生错位、断裂，在裂缝中留存的粉煤，在掘进过程中暴露出来，形成粉尘。(4)随着进风流带入机掘工作面的尘粒。(5)工作面上沉积的粉尘在开采作业过程中或通风过程中又被扬起，即次生粉尘。三、采煤工作面防尘技术(一)采煤机内外喷雾除尘(二)煤层注水减尘(三)液压支架喷雾系统(四)液压支架架间封闭尘源技术(五)综放支架放煤口负压捕尘装置(六)净化雾幕降尘技术(一)采煤机内外喷雾除尘图3-9采煤机内喷雾效果图(二)煤层注水减尘1.钻孔布置2.注水方法3.