新型噴霧降塵技術在綜采工作面的應用

孟雪敏

（晉能控股集團挖金灣煤業公司，山西 大同 037000）

1 工程概況

挖金灣礦8103 綜采工作面開采4 號煤層，煤層均厚3.2 m，平均傾角6°，回采期間相對瓦斯涌出量8.9 m3/t，絕對瓦斯涌出量59.61 m3/min。因煤體硬度系數小、極破碎，工作面生產期間會產生較大的煤塵，根據8103 綜采工作面實際條件，結合液壓支架及采煤機結構，設計霧化降塵系統并成功應用。

2 霧化降塵系統設計及分析

2.1 架間噴霧引射除塵裝置

常規綜采工作面降塵措施主要有架間噴霧降塵及采煤機內外噴霧降塵。其中，架間噴霧降塵裝置一般為手動安裝在液壓支架上，采煤機為自帶噴霧降塵裝置，安裝在滾筒內、外側。架間噴霧引射降塵裝置具有負壓引射功能，其工作原理為噴嘴通過管狀結構即噴管、由內向外連續進行噴霧，在噴管口及其附近形成一定的負壓區域[1-3]。一方面由于噴管管徑與水霧直徑的關系，在噴管內形成噴霧活塞，利于負壓區域的形成；另一方面由于噴霧時射出速度較快，水霧與霧化后的空氣混合物被連續射出后，繼而在噴管口附近形成負壓噴霧場，促使周圍含有粉塵的空氣被吸進負壓噴霧場，進一步凈化空氣中的煤塵濃度，實現二次降塵。綜上所述，負壓引射噴霧效果與液氣比、吸風量及補塵能力等關鍵指標緊密相關[4-5]。負壓引射吸塵機理示意圖如圖1。

圖1 負壓引射吸塵機理示意圖

基于負壓引射噴霧技術原理，結合8103 綜采工作面液壓支架及采煤機自身結構，本次設計采用的負壓引射噴霧裝置由固定環、側部吸塵口、后部吸塵口及B2#噴嘴組成，負壓引射噴霧裝置示意圖如圖2。首先將該裝置安裝在支架頂梁油缸處，之后確定噴嘴安裝角度，即保證噴霧范圍覆蓋支架頂梁油缸至煤墻區域，實現工作面切眼全斷面凈化降塵的目的。

圖2 負壓引射噴霧裝置示意圖

2.2 數值模擬分析

根據8103 綜采工作面實際條件，采用ANSYS軟件進行數值模擬分析，用于指導確定降塵噴霧系統的關鍵參數。首先建立MG400/930-QWD 型電牽引采煤機、ZF6400/19/32 型液壓支架、工作面風流及采煤機、液壓支架噴霧降塵系統模型，確定采煤機前后25 m 范圍為模擬區域，該區域內共有液壓支架20 架。工作面進風流風速設置為1.8 m/s，風流設置為連續相介質。B2#型噴嘴噴霧壓力設置為7 MPa，采用工程類比法及理論分析，設置B2#型噴嘴傾角（與水平方向夾角）為12°、42°及72°時均能實現噴霧開啟時覆蓋支架頂梁油缸至煤墻區域，設置完成后通過運算生成風霧場云圖，如圖3。

圖3 架間噴霧風霧場云圖

2.2.1 架間噴霧模擬分析

通過對采煤機前后25 m 范圍建立模型，對各個關鍵參數進行賦值，利用ANSYS 軟件進行運算，得出架間噴霧降塵裝置的風霧場云圖如圖3，用于分析B2#型噴嘴霧化角、有效射程、風流跡線及降塵效果。

（1）霧化角及有效射程

對比B2#型噴嘴傾角為12°、42°、72°，壓力7 MPa 時的霧化效果，得出霧化角為77°，在該條件下有效射程達4.6 m，距B2#型噴嘴0.5～1.2 m范圍為降塵效果最佳的區域。

（2）風流跡線及降塵效果

工作面進風風流距架間噴霧裝置上風側約300 mm 處遇負壓噴霧場時受到一定程度的干擾，距架間噴霧裝置下風側500～700 mm 范圍風流跡線發生明顯偏移，負壓噴霧場附近風速增大且下折，帶動煤塵隨風流進入負壓噴霧場，煤塵在負壓噴霧場內與水霧碰撞后下沉。

2.2.2 采煤機外噴霧模擬分析

采用工程類比法及理論分析，結合8103 綜采工作面MG400/930-QWD 型電牽引采煤機自身結構及霧化效果，一方面在采煤機前后滾筒上直接安裝4 個B2#型噴嘴，實現對滾筒包圍式噴霧降塵（其中，每個滾筒等間距布置4 個噴嘴，呈環形布置）；另一方面在采煤機搖臂上直接安裝5 個B2#型噴嘴，實現對搖臂范圍內煤墻的噴霧降塵（其中，4 個噴嘴沿搖臂呈環形布置，1 個噴嘴安裝在正中位置）。設置完成后輸入軟件進行運算，生成采煤機外噴霧風流霧場模擬圖如圖4。

圖4 采煤機外噴霧風流霧場模擬圖

（1）源頭控制

由圖4 可知，采煤機外噴霧全部開啟時，噴霧形成一定范圍的霧場，且完全覆蓋滾筒區域，阻止滾筒截割煤體時煤塵的擴散，從產塵源頭進行有效管控。

（2）風流跡線及降塵效果

通過分析圖4 中風流跡線可看出，滾筒處較其他區域煤塵明顯減少，說明霧場具有阻擋風流的作用；霧場對滾筒實現包圍式噴霧降塵，且達到最佳降塵效果。

綜上所述，采煤機外噴霧形成的霧場極大地抑制了煤塵的擴散，達到煤塵進入霧場后與霧滴碰撞沉降的目的。

3 噴霧降塵方案及效果

3.1 噴霧降塵方案

基于8103 綜采工作面現場實際條件，結合噴霧系統數值模擬結果，采用架間噴霧配合采煤機外噴霧的綜合降塵方案。

（1）采煤機外噴霧方案

B2#型噴嘴分別安裝在采煤機滾筒電機及搖臂上，噴嘴沿滾筒呈環形布置，共安設4 個，間距一致，且與搖臂水平方向呈-90°～90°，向煤墻側傾斜25°，實現均勻、全覆蓋噴射。在采煤機搖臂安設5 個噴嘴，其中，4 個噴嘴沿搖臂呈環形布置，與搖臂水平方向呈-120°～120°，1 個噴嘴安裝在搖臂正中位置。采煤機噴嘴布置示意圖如圖5。

圖5 采煤機噴嘴布置示意圖

（2）架間噴霧方案

將負壓引射噴霧裝置安裝在液壓支架頂梁油缸處，每個裝置共安裝3 個B2#型噴嘴，結合數值模擬霧化效果，設置噴嘴與水平方向夾角為77°，每架支架均安裝一個負壓引射噴霧裝置，確保工作面全斷面范圍均被噴霧場覆蓋，實現無死角降塵。

3.2 效果分析

結合工作面現場實際條件，共建立10 個煤塵濃度監測點。對比噴霧降塵系統使用前后呼塵及全塵濃度，計算呼塵降塵率及全塵降塵率。具體監測數據見表1。

表1 噴霧降塵系統實施前后粉塵濃度監測數據表

對比表1 中數據可知：采用噴霧降塵方案后，10 個煤塵濃度監測點的呼塵濃度減少均在66%以上，其中，采煤機司機處降塵率最大，為72.1%。10 個煤塵濃度監測點的全塵濃度減少均在71%以上，其中，采煤機司機處降塵率同樣為最大，為77.3%。綜上所述，噴霧降塵系統實施后，降塵效果顯著。

4 結論

（1）挖金灣礦根據8103 綜采工作面實際條件，結合液壓支架及采煤機結構特點，設計基于B2#型噴嘴為核心的架間負壓引射噴霧及采煤機外噴霧降塵系統，負壓引射噴霧裝置在管口形成負壓場，利用負壓場實現二次降塵，進一步凈化風流中的粉塵。（2）采用ANSYS 軟件對霧化降塵系統進行數值模擬分析，根據模擬結果指導確定噴霧降塵系統中的噴嘴壓力、霧化角、安裝位置等關鍵參數。通過對比噴霧降塵系統實施前后粉塵濃度得出，工作面呼塵濃度下降66%以上，全塵濃度下降71%以上。（3）噴霧降塵系統的實施極大降低了工作面粉塵濃度，優化了工作面作業環境，且該系統在現場的適用性較強，具有極大的推廣應用價值。