大柳塔煤礦連續采煤機除塵系統優化改進

張江石，王文暉，劉紹燦

（1.中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京100083；2.國家能源集團 神東大柳塔煤礦，陜西 神木719315）

連續采煤機在作業時因截割速度快，截割面積大，產生大量粉塵[1-2]，現大部分型號連續采煤機均采用了外噴霧加機載濕式除塵風機進行除塵[3-4]，仍無法滿足《煤礦安全規程》對礦井粉塵濃度要求，為解決這一問題，現部分礦區連續采煤機掘進工作面采用在破碎機機尾跨騎于輸送膠帶安裝1 套大功率濕式除塵風機，吸風口通過負壓骨架風筒延伸至掘進面迎頭5 m 以內，與局部通風機供風共同形成1 套長壓短抽負壓濕式除塵系統[5-6]，雖能減小掘進工作面粉塵濃度，但因系統存在安裝維護困難，工人勞動強度大等問題，在實際應用中存在一定的缺陷[7]。董超[8]通過在采煤機上增添一種內置式噴霧增壓降塵系統，解決了外噴霧易被粉塵堵塞問題，提高了噴霧降塵效率。王英等[9]通過分析邢東礦綜采工作面粉塵運動的變化規律，設計適用于邢東礦綜采工作面高壓噴霧除塵系統，但不適用于其它煤礦。

為此，從連續采煤機設備自身出發，分析現有連續采煤機的除塵方式和存在的缺陷，通過提高外噴霧的壓力和增添離心式濕式除塵風機，解決連續采煤機除塵系統外噴霧難以霧化、除塵風量小和吸風口布局不合理的設計缺陷，并在礦井掘進工作面進行了現場應用，并對除塵數據進行了采集分析。

1 現有連續采煤機除塵方式及缺陷

1.1 現有連續采煤機除塵方式

現有連采機雖品牌型號較多，但除塵系統設計幾乎一致，主要包含2 部分：一是在截割頭和裝運機構安裝外噴霧噴頭，掘進工作面系統供水水壓經過電機冷卻后經噴頭霧化噴出，通過噴霧除去一部分粉塵；二是機身安裝1 套濕式除塵風機，由1 臺除塵風機提供動力，對連續采煤機截割滾筒附近含塵空氣強制性吸入機身風道，風道內安裝噴霧頭、過濾網、波紋板除霧器對含塵空氣進行過濾降塵，處理后泥水由泥漿泵抽排至連續采煤機運輸機，過濾后的空氣則向機身后部排出[10-13]。

1.2 現有連續采煤機除塵缺陷

1）外噴霧利用掘進工作面系統水水壓形成霧化，而礦井掘進工作面距礦井加壓泵房距離較遠，工作面供水末端壓力不大，造成外噴霧霧化狀況較差，影響外噴霧除塵效率[14-15]。

2）除塵處理風量較小，大斷面掘進時處理粉塵風量不足，受現有連采機機身尺寸限制，各型連續采煤機除塵風機功率在19～26 kW 之間。為提高除塵效率，濾塵濾網網格空隙直徑設置較小，風阻較大，工作阻力在2 000～2 600 Pa 之間，吸風風量200～300 m3/min。以神東大柳塔礦52502 回風巷掘進工作面為例，巷道最大斷面為25.2 m2，巷道風速0.4 m/s 的要求，工作面需風量600 m3/min 以上，即除塵風機需能夠處理風量要略小于600 m3/min，現有除塵風機不能滿足使用要求。

3）吸風口布局不合理，吸風口受機身結構限制，只能分別布置在截割臂下方左右各1 處，裝載鈀爪上方1 處。粉塵產生主要發生在割煤、落煤和裝煤過程中，對截割臂抬起較高時，落煤行程較大，落煤產生的粉塵不能有效被捕獲。而在掃幫作業時，粉塵逸散空間較大，吸塵口不能有效捕獲粉塵，掃幫作業示意圖如圖1。

圖1 掃幫作業示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sweeping operation

4）采用過濾網和波紋板除塵，對7 μm 以下呼吸性粉塵除塵效率較低。除塵風機形成負壓將截割滾筒附近粉塵吸入風道后，經過噴霧濕潤，由密致防銹金屬過濾網將大直徑粉塵顆粒過濾，直徑較小粉塵顆粒由除霧器攔截，除霧器由多片排列的波紋板組成。這種除塵方式對呼吸性粉塵除塵效率較低，在神東大柳塔煤礦52502 回風巷掘進工作面，開啟除塵外噴霧后，該除塵系統對呼吸性粉塵除塵效率遠低于對全塵除塵效率。機載除塵系統對總粉塵和呼塵除塵效率對比見表1。

表1 機載除塵系統對總粉塵和呼塵除塵效率對比Table 1 Comparison of total dust and dust removal efficiency of airborne dust removal system

2 連續采煤機除塵系統改進方案

掘進工作面粉塵在截割滾筒附近濃度最大，粉塵在風流作用下沿巷道全斷面不斷地排出、沉降和被捕集，因此粉塵濃度沿程不斷減小[16-17]，提出的改進方案仍然在粉塵產生源頭進行收集處理。

1）增加水路增壓泵。根據連采機型號不同選擇安裝1 臺合理的液壓型水路增壓泵，利用連續采煤機液壓系統提供動力，對連續采煤機電機冷卻水進行增壓后由噴頭噴出。針對神東大柳塔煤礦掘進面的實際情況，在12CM15-10D 連續采煤機上安裝1臺3520FVH 型號的增壓泵，額定壓力16 MPa，額定水流量87 L/min，水路增壓后壓力達到4.0 MPa，增壓泵液壓動力來自12CM15 連續采煤機液壓先導回路，滿足《煤礦安全規程》規定，提高噴霧除塵效率。

2）增加安裝離心式濕式除塵風機。離心濕式除塵風機主要由吸風道、除塵器、主機、消聲器等組成;離心濕式除塵風機直接利用由葉輪高速旋轉所產生的旋轉氣流強化含塵空氣中的粉塵與水霧霧粒的沖突,使其得到充分混合并形成含塵液滴，由旋轉氣流產生的離心力將含塵液滴拋到內筒壁上，經通孔進入夾層空腔落入積水盒后被排出，從而實現捕獲氣載粉塵、凈化空氣的目的。

3）針對神東大柳塔煤礦掘進面現有連續采煤機處理風量小，吸風口布局受限，對呼吸性粉塵除塵效率低等問題，可根據巷道斷面尺寸，在運輸左側安裝1 臺KCS-300D 離心濕式除塵風機，機身尺寸長×寬×高為2 200 mm×720 mm×800 mm，額定功率為22 kW，額定交流電壓1 140 V，電源取自連續采煤機電控箱，在駕駛室前安裝1 臺南京雙井QJZ-30啟動器控制。每分鐘處理風量為300 m3/min，風機騎跨于連采機機身左后側。根據現場使用經驗離心濕式除塵風機安裝在機身左側，吸風口距截割滾筒3～5 m 時，除塵風機吸塵效果較好。

3 現場應用

設計改進方案應用于神東大柳塔煤礦52502 回風巷（1）、52502 回風巷（2）掘進工作面，該掘進面雙巷掘進，巷道斷面尺寸6.0 m×4.2 m，每隔65 m 掘進1 個聯絡巷，月均進尺1 600 m。工作面掘進頭使用φ800 mm 風筒，供風量600 m3/min，風筒末端距工作面迎頭20 m。使用12CM15-10D 型連續采煤機，機載除塵風機功率為26 kW，除塵風機處理風量220 m3/min。在不開啟除塵風機時，噴霧水路增壓前后除塵效率對比見表2。噴霧水路增壓后，2 臺風機開啟和只開啟機載除塵風機除塵效率對比見表3。

表2 噴霧水路增壓前后除塵效率對比Table 2 Comparison of dust removal efficiency before and after pressurized water spray

表3 2 臺風機開啟和只開啟機載除塵風機除塵效率對比Table 3 Comparison of dust removal efficiency of two sets of fan on and only on-board dust removal fan

通過表2 分析可知，將水路壓力增加到4 MPa的時候，煤機司機作業點的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率較噴霧水路增壓前分別提高了29.12%和22.14%；煤機后5 m 的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率較噴霧水路增壓前分別提高了19.12%和21.59%；煤機后15 m 的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率較噴霧水路增壓前分別提高了19.80%和15.64%。只通過增加噴霧壓力對提高降塵效率不是很顯著，尤其是對呼吸性粉塵的降塵效率的提高更為不理想，相較不增加噴霧壓力，在煤機司機作業點、煤機后5 m 和煤機后15 m 3 個測量點，總塵和呼吸性粉塵提高最大的除塵效率分別為29.12%和22.14%。

通過表3 分析可知，2 臺除塵風機同時開啟相較只開啟機載除塵風機除塵率在煤機司機作業點的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率較分別提高了83.19%和67.23%；2 臺除塵風機同時開啟相較只開啟機載除塵風機除塵率在煤機后5 m 的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率分別提高了80.01%和66.12%；2 臺除塵風機同時開啟相較只開啟機載除塵風機除塵率在煤機后15 m 的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率分別提高了73.36%和31.95%。通過增加噴霧壓力和增加離心濕式除塵風機，相較只增加噴霧壓力，在煤機司機作業點、煤機后5 m 和煤機后15 m 3 個測量點，總塵和呼吸性粉塵除塵效率提高的最大效率分別為83.19%和67.23%。

4 結 語

1）機載除塵風機和新增設除塵風機除塵效果與煤機滾筒割巷道底部或者中上部有較大影響，割巷道底部時，機載除塵風機除塵效果更為明顯，煤機滾筒割巷道中上部時，新增設除塵風機效果相較割巷道底部時除塵效果更為明顯。

2）通過增加噴霧壓力對提高降塵效率不是很顯著，尤其是對呼吸性粉塵的降塵效率的提高更為不理想，相較不增加噴霧壓力，在煤機司機作業點、煤機后5 m 和煤機后15 m 3 個測量點，總塵和呼吸性粉塵提高最大的除塵效率分別為29.12%和22.14%；通過增加噴霧壓力和增加離心濕式除塵風機，相較只增加噴霧壓力，在煤機司機作業點、煤機后5 m 和煤機后15 m 3 個測量點，總塵和呼吸性粉塵除塵效率提高的最大效率分別為83.19%和67.23%。