采煤機(jī)機(jī)載式噴霧控降塵裝置優(yōu)化研究

張 波

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司永定莊煤礦，山西大同 037000）

0 引言

現(xiàn)代綜合機(jī)械化采煤工藝中，綜采工作面煤塵一直是制約作業(yè)環(huán)境、增大作業(yè)安全隱患的重大危害因素[1]。在采煤機(jī)割煤時(shí)，截割部位對(duì)煤壁的破壞以及煤壁受截齒的沖擊垮落，將產(chǎn)生大量的粉塵，尤其在逆風(fēng)割煤時(shí)對(duì)作業(yè)人員的視線造成嚴(yán)重干擾；同時(shí)增大了塵肺病的發(fā)病率，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)我國現(xiàn)有塵肺病患者達(dá)120多萬，其中煤炭行業(yè)所占比例達(dá)到50%以上；另一方面，我國50%以上的煤礦的煤塵具有爆炸性，潛伏著煤塵爆炸危險(xiǎn)[2]。

目前，我國在綜采工作面采取的防塵措施主要為煤體內(nèi)部及外部空間2種濕式除塵方法。其中，內(nèi)部濕式除塵包括煤塵注水、濕式鉆進(jìn)[3-5]，主要是通過壓力泵注水及打鉆時(shí)注水對(duì)煤體內(nèi)部進(jìn)行濕潤，使得煤體含水率增加，在截割及打鉆過程中產(chǎn)塵量減少；外部濕式除塵包括噴霧、除塵風(fēng)機(jī)的方式進(jìn)行降塵，主要是通過將水進(jìn)行霧化對(duì)作業(yè)空間進(jìn)行噴灑，及通過除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行吸塵的方式進(jìn)行外部降塵[6-8]。針對(duì)采煤工作面粉塵防治，一些專家學(xué)者[9-10]也做了相應(yīng)的研究，基于前人研究成果，本文針對(duì)采煤機(jī)機(jī)載式噴霧控降塵裝置進(jìn)行了優(yōu)化，使得采煤作業(yè)時(shí)煤塵濃度大幅度降低，抑塵效果明顯，極大地改善了工作面作業(yè)環(huán)境，這對(duì)今后采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)及噴霧方式的選擇上提供了一定的借鑒。

1 工作面概況

永定莊煤礦8106綜采工作面位于5#煤層北盤區(qū)，煤層平均厚度為5.8 m，采用走向長壁后退式采煤工藝，開采方式為放頂煤開采，工作面煤柱間凈跨距約15～17 m，工作面煤柱寬約5～7 m。工作面采煤機(jī)滾筒直徑為φ2 700 mm，截深為0.8 m，工作面有效斷面21.3 m2，人行側(cè)斷面為11.8 m2，經(jīng)實(shí)測工作面的風(fēng)量為1 200 m3/min，平均風(fēng)速達(dá)到0.94 m/s。

2 采煤機(jī)附近風(fēng)速及粉塵分布情況

2.1 風(fēng)速分布

為了準(zhǔn)確分析采煤機(jī)附近風(fēng)速對(duì)噴霧的影響，此次以采煤機(jī)機(jī)身段（約7 m）為測定長度，在刮板輸送機(jī)及人行通道設(shè)定上部約1.5 m處，進(jìn)行2次測風(fēng)，并求其平均數(shù)，兩者之間進(jìn)行同步比較，根據(jù)現(xiàn)場所測結(jié)果，繪制了風(fēng)速分布圖如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)機(jī)身段風(fēng)速分布圖

圖2 工作面粉塵濃度分布圖

對(duì)圖1進(jìn)行對(duì)比分析：整個(gè)采煤機(jī)機(jī)身段的最大風(fēng)速差達(dá)到了1.6 m/s以上；人行道從電機(jī)截割處（1～3 m）緩慢增大，經(jīng)過下風(fēng)側(cè)（3～5 m）截割電機(jī)后緩慢減小，而在機(jī)身處達(dá)到了最高風(fēng)速，峰值達(dá)到了5.4 m/s。經(jīng)分析，由于在上風(fēng)側(cè)受到工作面采煤機(jī)的影響，風(fēng)流會(huì)傾向人行通道處，從而導(dǎo)致人行通道處風(fēng)速增大，煤塵會(huì)隨著風(fēng)流涌向人行通道，最終導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境受到極大的污染，同時(shí)增加了作業(yè)時(shí)的安全隱患。

2.2 粉塵分布

此次測試分別測定順、逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵的分布情況，測點(diǎn)選取：距離采煤機(jī)司機(jī)前后20 m范圍內(nèi)，及司機(jī)后50 m范圍內(nèi)。具體測定結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：采煤機(jī)司機(jī)處（即0 m處）粉塵濃度呈迅速增大趨勢，濃度高達(dá)37 mg/m3，尤其在逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度變化區(qū)段比順風(fēng)時(shí)大約提前5 m，可知逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵污染對(duì)采煤機(jī)司機(jī)的影響更大。

3 機(jī)載式噴霧控降塵裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

此次優(yōu)化主要是在采煤機(jī)截割頭端部，順著風(fēng)流方向布置若干噴霧，利用其引射作用將粉塵導(dǎo)向煤壁，使得采煤機(jī)司機(jī)附近粉塵濃度大大降低。

3.1 噴霧引射參數(shù)

3.1.1 噴霧引射量

為了取得較好的降塵效果，引射風(fēng)量不得小于人行通道處受采煤機(jī)影響所增加的風(fēng)量，效果才可達(dá)到最好。其計(jì)算如下：

式中：S人行側(cè)為人行側(cè)的斷面，取11.9 m2；v0為風(fēng)流未達(dá)到采煤機(jī)位置時(shí)人行側(cè)的平均風(fēng)速，取1.07 m/s；v1為采煤機(jī)中部人行側(cè)平均風(fēng)速，取0.94 m/s。

3.1.2 噴嘴選型

此次噴嘴選型，主要是由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬靜壓水在2 MPa下進(jìn)行了測試，對(duì)常用的7種噴嘴進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。由表可知此次選取引射風(fēng)量及半徑最大的PZ1噴嘴，并由式（1）可知至少安裝8個(gè)此型號(hào)噴嘴才能滿足需要。

表1 7種常用的噴嘴噴霧引射風(fēng)量和引射半徑

3.2 噴霧引射裝置優(yōu)化及應(yīng)用

此次優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮到噴霧引射范圍的局限性，分別對(duì)噴霧布置及裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體如下。

3.2.1 噴霧布置

噴霧布置示意圖如圖3所示，在截割滾筒上交叉布置，上排斜向上布置，下排斜向下布置，上、下各布置4個(gè)噴霧，目的是引導(dǎo)粉塵均導(dǎo)向煤壁一側(cè)，從而使得作業(yè)人員處粉塵濃度降低。

圖3 噴霧裝置布置示意圖

3.2.2 裝置結(jié)構(gòu)

裝置由2個(gè)部分組成：噴霧引射筒與噴霧引射腔。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，所布置的PZ1型噴嘴與引射腔相通，當(dāng)采煤機(jī)采煤時(shí)，由于噴霧引射筒形成的負(fù)壓作用，將產(chǎn)生的粉塵抽吸到腔內(nèi)，再將含塵氣流朝煤壁方向噴出，從而降低采煤機(jī)司機(jī)處粉塵濃度。

圖4 噴霧控降塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.3 應(yīng)用效果

在此次試驗(yàn)區(qū)域（8106綜采工作面）進(jìn)行粉塵監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果如表2所示。分析表中數(shù)據(jù)可知：使用前后濃度差范圍在13.23～36之間，降塵效率均達(dá)到了80%以上，效果顯著。

表2 采取控降塵措施后的降塵效果

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)噴霧的優(yōu)化改進(jìn)，利用噴霧引射作用原理，有效地將煤塵引導(dǎo)到了煤壁側(cè)，使得作業(yè)人員處粉塵濃度大幅度降低；對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行粉塵濃度監(jiān)測后，分析得出，使用前后煤塵濃度降到了3 mg/m3以下，降塵效率均達(dá)到了80%以上，效果顯著。