綜采工作面噴霧降塵裝備的優化研究

馮建亮

（大同煤礦集團虎龍溝煤業有限公司， 山西 大同 036010）

引言

為了減少煤礦井下粉塵對工人的危害，通常會在采煤機滾筒位置安裝噴霧降塵裝置，降低工作面的粉塵濃度。一般情況下，提高工作面的除塵效果，主要有通風降塵、噴霧降塵等兩個方面[1-2]。根據煤礦開采條件，改變通風方式或風量顯然是不可取的，為了降低粉塵濃度，改善工作面環境，本文對采煤機噴霧裝置進行改進優化研究，探討優化后的除塵效果。

1 綜采工作面粉塵成因及運動規律分析

綜采工作面的粉塵主要是來自采煤機的割煤和支架的拉架與移架。在采煤機割煤過程中，要想使煤割下，截割齒會施加給煤巖體一定的力，在破煤的整個過程會有彈性能的積聚與釋放，而在煤炭受到破壞后部分彈性能被釋放，會產生大量的粉塵。同時，也破壞了煤巖體的原有強度，進一步加大粉塵的生成。

順、逆風流采煤時采煤機割頭產生的粉塵和移動規律各有不同。順風流采煤，前面是低滾筒，后面是高滾筒，低滾筒拋煤揚程相對較近，則煤塵漂移的距離較短；高滾筒拋煤揚程相對較遠，粉塵擴散范圍廣且漂移的距離也相對較遠；逆風流采煤，滾筒位置和前滾筒粉塵移動規律相同，而后滾筒拋煤揚程較遠，在逆風流和采煤機的移動共同作用下，粉塵的擴散范圍也相對廣泛。煤炭開采時，在液壓支架移動和升降過程中也會產生大量的粉塵，其主要在綜采工作面主風流通道液壓支架前半部位置，隨著風流運動。

2 噴霧降塵原理及影響因素

2.1 噴霧降塵原理

噴霧降塵是將水細化形成液態霧粒與固態塵粒相互凝結，使其重量和體積增加，從而實現粉塵除塵。凝結方式主要是通過慣性碰撞、布朗擴散、攔截捕塵、電荷吸塵等機理綜合作用來實現工作面除塵的。粉塵顆粒與水霧之間的凝結效果決定工作面的除塵能力。

2.2 噴霧降塵影響因素

通過對噴霧降塵原理的認識，噴霧降塵主要是通過噴霧裝置將水細化產生水霧粒子與粉塵產生相互作用實現粉塵降落。其主要影響因素有：噴口形式和參數、噴霧流量、水質量、粉塵顆粒分布、噴霧壓力等[3]。其中最為關鍵的是噴霧壓力、粉塵分布及噴嘴參數。

根據研究顯示，不同噴霧裝置，在其壓力作用下噴出的霧流顆粒和速度有很大的差別。壓力較低時霧流顆粒射程較近，壓力較高時霧流顆粒射程較遠，在空氣阻力的作用下霧流顆粒變成霧粒，降塵效果下降。適當的高壓噴霧對細微粉塵的除塵效果最好，因為水在高壓作用下通過噴霧裝置會帶有一定的靜電荷，會與帶異性電荷的粉塵相互吸引，可對細微粉塵有效凈化。在恒壓噴霧條件下，水化霧粒直徑滿足如下關系[4]：

其中：Dd為霧粒直徑，μm；Dp為噴嘴直徑，mm；Pp為噴霧壓力；MPa；Kb為比例系數，取34 530。從式中可以看出：在噴霧壓力不變的情況下，噴嘴直徑與霧粒直徑成正比關系；在噴嘴直徑不變的情況下，噴霧壓力與霧粒直徑成反比關系。通過對上述公式的分析，根據煤礦具體的數據通過理論計算和現場觀測，可以找出最合適的噴嘴直徑和噴霧壓力。

3 工作面概況

某礦81505 綜采工作面煤體干燥不易破碎，濕潤性一般。通風方式采用U 型全負壓上型通風，工作面所配風量為2 500 m3/min。煤層總厚度在11.99～14.36 m，平均煤層在12.73 m 煤層傾角在3°～5°之間，普氏系數f=4.5，屬于穩定煤層。本工作面采用單一走向長臂后退式綜合機械化低位放頂煤開采的采煤方法，采空區頂板處理方式為自然全部跨落法。為此，在采煤時對綜采工作面進行了粉塵現場采集，并通過粉塵度分析儀進行測定，結果分析：綜采面采煤機司機出的粉塵粒度小于10 μm 的占總粉塵的1/10，呼吸性粉塵占總粉塵比重較多，粉塵的平均直徑為56.4 μm。在實際生產過程中，采煤機霧噴嘴經常堵塞和因安裝位置不合理而在割煤過程中造成損壞，導致除塵效果不理想，從而影響工作面的正常生產。

4 噴霧降塵裝備優化及巷道防塵措施

4.1 工作面噴霧裝置的優化

4.1.1 采煤機的噴霧優化

根據綜采工作面采煤機噴霧裝置在運轉過程中出現的問題，進行現場觀察分析降塵噴霧裝置出現堵塞或損害現象主要原因是噴霧設備的噴口直徑、噴霧壓力及安裝位置不合理等。為了提高綜采工作面的噴霧降塵效果，對采煤機降塵裝置改造依據先隔離粉塵再降塵的原則，初期采用的降塵措施是直接利用降塵噴嘴將水霧化后，降低采煤機割煤時產生的粉塵濃度。優化后的裝置是根據81505 綜采工作面采煤機的機型型號和采煤過程中搖臂與滾筒的空間關系，在連接滾筒的搖臂桿件內端安裝隔塵噴嘴和除塵噴嘴，前者安裝3 個，后者安裝2 個進行交叉布置。通過對現場除塵效果分析，確定最優的噴霧裝置參數，取噴嘴直徑Dp=1.5 mm，噴霧壓力（Pp）在5～6 MPa 內。具體采煤機噴霧裝置安裝示意圖如圖1所示。

4.1.2 液壓支架的噴霧優化

圖1 采煤機噴霧裝置安裝示意圖

經現場觀測分析，液壓支架粉塵主要集中在液壓支架前半部位置，根據液壓支架的型號和粉塵分布位置進行噴霧裝置優化。將原來的噴霧水管改用直徑為25 mm 的膠管，在液壓支架架間安裝10 mm的高壓膠管，并與噴霧桿相接，再在噴霧桿上安裝4～6 個噴嘴，每隔10 組支架安裝這樣的高壓膠管。改造工作狀態由人工控制變為自動控制。其過程是將紅外發射器安裝在采煤機上，并每隔10 個液壓支架上安裝紅外線接收器，通過通信電纜、控制器與紅外接收器來控制連在噴霧桿上的電磁閥實現自動控制；具體改造裝置組成有：紅外線接收儀、集控器、通信電纜、電磁閥、噴霧管、噴嘴及發射裝置。自動噴霧裝置的工作原理是：當采煤機開始工作，安裝在采煤機上的發生器會給安裝在液壓支柱上的接收器一個紅外信號，通過接收器傳到控制箱，再由控制箱向電磁閥發出指令，再由噴霧桿送水開始噴霧降塵，通過控制箱控制噴霧降塵延遲40 s 關閉；隨著采煤機的推進，直至到達另一安裝紅外接收器的液壓支架自動循壞如上降塵程序[5]。液壓支架噴霧裝置安裝如圖2 所示。

圖2 液壓支架噴霧裝置示意圖

4.2 工作面巷道防塵措施

在51505 巷距回風繞道口50 m 范圍內、21505巷距巷口50 m 范圍內各設置一道固定凈化水幕；在21505 巷距離工作面100～150 m 范圍內、51505 巷距工作面50 m 范圍內各設置兩道凈化水幕，隨采隨移。凈化水幕必須覆蓋巷道全斷面，確保正常使用。在51505 巷距工作面150 m 向外安設2 道捕塵網，隨采隨移。巷道防塵措施圖如圖3 所示。

圖3 巷道防塵措施示意圖

5 優化后噴霧裝置的除塵效果

為了驗證優化后除塵效果，在整個綜采工作面進行煤塵采樣分析，每隔5 m 取一個采樣點，一共采集10 個樣本。下頁圖4 為優化前后粉塵濃度對比。

通過對圖4 數據進行綜合計算可知，經過對噴霧裝置的合理優化、交叉安裝隔塵噴嘴和除塵噴嘴后的采煤機可使工作面的粉塵濃度較原先降低56.6%，取得了很好的降塵效果，保證了工人的身體健康，為其他礦山治理粉塵污染提供了參考。

6 結論

圖4 優化前后采樣點粉塵濃度對比

遵循“先隔離，再降塵”的優化原則，采用隔塵噴嘴與除塵噴嘴的交替運用優化，試驗結果表明：優化改造后的噴霧除塵系統可使工作面的粉塵濃度較原先降低56.6%，緩解了工作面生產粉塵的污染，大幅度改善了工作面環境，保證的工人的身體健康。