綜采工作面采場(chǎng)噴霧降塵系統(tǒng)優(yōu)化與實(shí)踐

郭明信

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦 河南平頂山 467000）

引言

在煤炭開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，尤其隨著綜采設(shè)備的應(yīng)用，開采強(qiáng)度和開采能力得到大幅度提升，工作面產(chǎn)塵量也相應(yīng)增加[1-2]。綜采工作面粉塵危害主要表現(xiàn)在威脅職工身體健康、造成設(shè)備磨損、降低工作場(chǎng)所可視度差等，此外，粉塵在一定的條件下會(huì)發(fā)生連續(xù)性爆炸，粉塵爆炸的后果往往會(huì)造成設(shè)備損壞和人員傷亡[3]。為了降低綜采工作面粉塵濃度，現(xiàn)場(chǎng)多采用通風(fēng)降塵、噴霧降塵、煤層注水減塵等治理粉塵措施，但是受井下特殊環(huán)境的限制，減塵和降塵效果并不明顯。鑒于此，決定對(duì)綜采工作面常規(guī)噴霧降塵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以期達(dá)到粉塵治理的目的，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所選在平煤股份六礦丁5、6-22240工作面。

1 工作面產(chǎn)塵分析

根據(jù)塵源來說，工作面粉塵主要來自于割煤和拉移支架。在采煤機(jī)割煤時(shí)，截齒給予煤體一定的應(yīng)力，煤體在接受應(yīng)力作用過程中集聚有大量彈性能，在煤體受應(yīng)力破壞時(shí)彈性能釋放，煤體遭到破壞，且同時(shí)煤體內(nèi)部存在大量的裂隙，煤體受截齒應(yīng)力作用，裂隙進(jìn)一步發(fā)育，同時(shí)煤體內(nèi)部彈性能突然釋放，在該過程中產(chǎn)生大量的煤塵，且隨著采煤機(jī)截強(qiáng)度度的增加，煤體塊度會(huì)進(jìn)一步降低，粉塵量則相應(yīng)增加。在回采過程中，上部一定深度的煤巖體已經(jīng)遭到破壞，支架的升降和拉移會(huì)進(jìn)一步造成這部份煤巖體破壞，煤炭體破壞過程中產(chǎn)生大量的粉塵。另外，在支架升降和拉移過程中，支架后方冒漏的煤巖體碎屑會(huì)竄入采場(chǎng)，造成采場(chǎng)粉塵量增加，尤其對(duì)于頂板條件較差、頂板巖體強(qiáng)度較低的工作面而言，拉移支架產(chǎn)生的煤塵量可達(dá)工作面粉塵總量的40%。

2 噴霧降塵影響因素

噴霧降塵研究認(rèn)為，噴霧降塵是通過噴霧降塵裝置噴出的水霧粒子與粉塵粒子相遇后因凝結(jié)而實(shí)現(xiàn)粉塵采沉降的過程，而噴霧降塵效果是由水霧粒子與粉塵粒子凝結(jié)效率決定。噴霧降塵主要是通過噴霧裝置產(chǎn)生的水霧粒子與粉塵產(chǎn)生碰撞和攔截實(shí)現(xiàn)粉塵降落，實(shí)踐研究表明，噴霧降塵影響因素主要有水量水質(zhì)、粉塵粒度、噴霧粒度、噴嘴孔徑等。

2.1 水量、水質(zhì)影響

理論上認(rèn)為，噴霧流量能夠反映單位時(shí)間內(nèi)霧粒水量，當(dāng)流量增加后，噴霧產(chǎn)生的霧粒與粉塵發(fā)生接觸碰撞的概率也大大提高，霧粒捕塵效率也相應(yīng)提高。水質(zhì)對(duì)噴霧的影響主要表現(xiàn)在噴霧裝置噴嘴的堵塞，水體含雜質(zhì)較多容易堵塞噴嘴。

2.2 噴霧粒度和粉塵粒度影響

噴霧降塵是通過霧粒與粉塵凝結(jié)而實(shí)現(xiàn)降塵，實(shí)踐表明，隨著噴霧粒徑在一定范圍內(nèi)的逐漸降低，霧粒在空氣中的分散均勻性越好，與粉塵接觸發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)越多，噴霧效果越來越好，當(dāng)噴霧粒徑過小時(shí)，在沉降過程中易發(fā)生蒸發(fā)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)噴霧降塵效果；粉塵粒徑越大越有利與降塵，其中粉塵粒徑超過2μm時(shí)采用噴霧降塵，降塵率可達(dá)95%以上，粉塵粒徑超過1μm時(shí)，降塵率可達(dá)85%以上，而當(dāng)粉塵粒徑低于0.5μm時(shí)，降塵率急劇降低，不足20%。

2.3 噴霧噴嘴孔徑

資料顯示，在噴霧壓力一定的條件下，隨著噴霧噴嘴孔徑的不斷增加，噴霧耗水量逐漸加大，全塵降塵效率逐漸提高，而呼吸性粉塵降塵效率呈現(xiàn)先提高而后降低的趨勢(shì)，且在噴嘴孔徑為1.5mm時(shí)呼吸性粉塵降塵率最好。

3 工作面噴霧降塵系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 采煤機(jī)噴霧優(yōu)化

實(shí)踐表明，采煤機(jī)內(nèi)噴霧在滾筒長(zhǎng)期割煤過程中易出現(xiàn)堵塞和損壞，采煤機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后往往將內(nèi)噴霧廢置不用，外噴霧噴射范圍有限。為了提高采場(chǎng)噴霧效果，決定對(duì)采煤機(jī)噴霧基于“先隔塵后降塵”的原則進(jìn)行改造，即先通過隔塵噴嘴將采煤機(jī)滾筒附近粉塵包裹起來，然后利用降塵噴嘴進(jìn)行噴射降塵。根據(jù)丁5、6-22240工作面所用采煤機(jī)型號(hào)，設(shè)計(jì)的采煤機(jī)隔塵降塵噴霧裝置共布置有2個(gè)隔塵噴嘴和3個(gè)降塵噴嘴，隔塵降塵噴霧裝置安裝在采煤機(jī)搖臂末端。通過調(diào)整噴嘴孔徑、角度和水壓來滿足隔塵噴嘴噴霧能夠覆蓋整個(gè)滾筒附近達(dá)到降塵的目的，通過多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定噴嘴孔徑d=2mm，噴霧壓力為3～5MPa。采煤機(jī)隔塵降塵噴霧裝置安設(shè)見圖1所示。

圖1 丁5、6-22240工作面采煤機(jī)隔塵降塵噴霧裝置安設(shè)示意圖

3.2 支架架間噴霧優(yōu)化

丁5、6-22240工作面原支架架間噴霧采用的是支架上安設(shè)一路Φ25mm的高壓膠管作為主主供水管，然后在采面每隔10架引出一路Φ10mm的高壓膠管連接噴霧桿，每個(gè)噴霧桿上安設(shè)4-6個(gè)噴嘴，噴霧開啟后呈扇形狀，噴霧開啟方式為人工開啟。由于受人為因素的制約，架間噴霧開啟往往不及時(shí)甚至出現(xiàn)開車不開噴霧的現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管難度較大。為了避免該現(xiàn)象，在丁5、6-22240工作面引進(jìn)了一套自動(dòng)噴霧裝置。該自動(dòng)噴霧裝置由電磁閥、集控器、通訊電纜、噴霧管、噴嘴、紅外發(fā)射器和紅外接收器等，其中紅外發(fā)射器安設(shè)在采煤機(jī)機(jī)身上，紅外接收器安設(shè)在支架上。自動(dòng)噴霧裝置工作原理是：采煤機(jī)機(jī)身上紅外發(fā)射器始終發(fā)射信號(hào)，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行至安設(shè)有紅外接收器的支架處時(shí)，紅外接收器接收信號(hào)，電磁閥啟動(dòng)，噴霧裝置開始噴霧，噴霧延續(xù)時(shí)長(zhǎng)設(shè)定位30s，當(dāng)采煤機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行到下一個(gè)安設(shè)有紅外接收器的支架處時(shí)開啟噴霧，如此循環(huán)。六礦丁5、6-22240工作面架間自動(dòng)噴霧系統(tǒng)見圖2所示。

圖2 丁5、6-22240工作面工作面架間自動(dòng)噴霧系統(tǒng)示意圖

3.3 降塵效果分析

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)顯示，工作面粉塵濃度分布隨風(fēng)流變化而變化，其中距離采煤機(jī)司機(jī)處10m范圍內(nèi)最大，超出10m范圍后逐漸減小直至趨于穩(wěn)定。為了掌握丁5、6-22240工作面采場(chǎng)噴霧系統(tǒng)優(yōu)化后降塵效果，進(jìn)行了為期1月的現(xiàn)場(chǎng)粉塵監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示：應(yīng)用架間自動(dòng)噴霧后，采煤機(jī)割煤處全塵濃度由659.7mg/m3降低至62.2 mg/m3，降塵效率達(dá) 90.6%，呼吸性粉塵濃度由原來的586.4 mg/m3降低到35.8 mg/m3，降塵效率達(dá) 93.9%；整個(gè)工作面的全塵降塵率在76.5%～90.6%，呼吸性粉塵降塵率在81.1%～93.9%。由此說明，通過對(duì)丁5、6-22240工作面采場(chǎng)噴霧系統(tǒng)優(yōu)化后，工作面采場(chǎng)粉塵降塵明顯，達(dá)到了預(yù)期降塵效果。

結(jié)語(yǔ)

在分析丁5、6-22240工作面產(chǎn)塵機(jī)理和影響噴霧降塵因素的基礎(chǔ)上，通過隔塵降塵采煤機(jī)噴霧和架間自動(dòng)噴霧裝置的應(yīng)用，優(yōu)化了丁5、6-22240工作面采場(chǎng)噴霧系統(tǒng)。噴霧系統(tǒng)優(yōu)化后，工作面粉塵得到有效控制，相比于未優(yōu)化前采場(chǎng)全塵和呼塵濃度分別降低了76.5%～90.6%和81.1%～93.9%，工作面環(huán)境得到了大幅度改善。