綜采工作面噴霧降塵裝備的優(yōu)化研究

馮建亮

（大同煤礦集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)有限公司， 山西 大同 036010）

引言

為了減少煤礦井下粉塵對(duì)工人的危害，通常會(huì)在采煤機(jī)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(fēng)降塵、噴霧降塵等兩個(gè)方面[1-2]。根據(jù)煤礦開(kāi)采條件，改變通風(fēng)方式或風(fēng)量顯然是不可取的，為了降低粉塵濃度，改善工作面環(huán)境，本文對(duì)采煤機(jī)噴霧裝置進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化研究，探討優(yōu)化后的除塵效果。

1 綜采工作面粉塵成因及運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

綜采工作面的粉塵主要是來(lái)自采煤機(jī)的割煤和支架的拉架與移架。在采煤機(jī)割煤過(guò)程中，要想使煤割下，截割齒會(huì)施加給煤巖體一定的力，在破煤的整個(gè)過(guò)程會(huì)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(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。同時(shí)，也破壞了煤巖體的原有強(qiáng)度，進(jìn)一步加大粉塵的生成。

順、逆風(fēng)流采煤時(shí)采煤機(jī)割頭產(chǎn)生的粉塵和移動(dòng)規(guī)律各有不同。順風(fēng)流采煤，前面是低滾筒，后面是高滾筒，低滾筒拋煤揚(yáng)程相對(duì)較近，則煤塵漂移的距離較短；高滾筒拋煤揚(yáng)程相對(duì)較遠(yuǎn)，粉塵擴(kuò)散范圍廣且漂移的距離也相對(duì)較遠(yuǎn)；逆風(fēng)流采煤，滾筒位置和前滾筒粉塵移動(dòng)規(guī)律相同，而后滾筒拋煤揚(yáng)程較遠(yuǎn)，在逆風(fēng)流和采煤機(jī)的移動(dòng)共同作用下，粉塵的擴(kuò)散范圍也相對(duì)廣泛。煤炭開(kāi)采時(shí)，在液壓支架移動(dòng)和升降過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，其主要在綜采工作面主風(fēng)流通道液壓支架前半部位置，隨著風(fēng)流運(yùn)動(dòng)。

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(xì)化形成液態(tài)霧粒與固態(tài)塵粒相互凝結(jié)，使其重量和體積增加，從而實(shí)現(xiàn)粉塵除塵。凝結(jié)方式主要是通過(guò)慣性碰撞、布朗擴(kuò)散、攔截捕塵、電荷吸塵等機(jī)理綜合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)工作面除塵的。粉塵顆粒與水霧之間的凝結(jié)效果決定工作面的除塵能力。

2.2 噴霧降塵影響因素

通過(guò)對(duì)噴霧降塵原理的認(rèn)識(shí)，噴霧降塵主要是通過(guò)噴霧裝置將水細(xì)化產(chǎn)生水霧粒子與粉塵產(chǎn)生相互作用實(shí)現(xiàn)粉塵降落。其主要影響因素有：噴口形式和參數(shù)、噴霧流量、水質(zhì)量、粉塵顆粒分布、噴霧壓力等[3]。其中最為關(guān)鍵的是噴霧壓力、粉塵分布及噴嘴參數(shù)。

根據(jù)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(shí)霧流顆粒射程較近，壓力較高時(shí)霧流顆粒射程較遠(yuǎn)，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(dāng)?shù)母邏簢婌F對(duì)細(xì)微粉塵的除塵效果最好，因?yàn)樗诟邏鹤饔孟峦ㄟ^(guò)噴霧裝置會(huì)帶有一定的靜電荷，會(huì)與帶異性電荷的粉塵相互吸引，可對(duì)細(xì)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(guān)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(shù)，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(guān)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(guān)系。通過(guò)對(duì)上述公式的分析，根據(jù)煤礦具體的數(shù)據(jù)通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，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(rùn)性一般。通風(fēng)方式采用U 型全負(fù)壓上型通風(fēng)，工作面所配風(fēng)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(shù)f=4.5，屬于穩(wěn)定煤層。本工作面采用單一走向長(zhǎng)臂后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開(kāi)采的采煤方法，采空區(qū)頂板處理方式為自然全部跨落法。為此，在采煤時(shí)對(duì)綜采工作面進(jìn)行了粉塵現(xiàn)場(chǎng)采集，并通過(guò)粉塵度分析儀進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果分析：綜采面采煤機(jī)司機(jī)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采煤機(jī)霧噴嘴經(jīng)常堵塞和因安裝位置不合理而在割煤過(guò)程中造成損壞，導(dǎo)致除塵效果不理想，從而影響工作面的正常生產(chǎn)。

4 噴霧降塵裝備優(yōu)化及巷道防塵措施

4.1 工作面噴霧裝置的優(yōu)化

4.1.1 采煤機(jī)的噴霧優(yōu)化

根據(jù)綜采工作面采煤機(jī)噴霧裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察分析降塵噴霧裝置出現(xiàn)堵塞或損害現(xiàn)象主要原因是噴霧設(shè)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(duì)采煤機(jī)降塵裝置改造依據(jù)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(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵濃度。優(yōu)化后的裝置是根據(jù)81505 綜采工作面采煤機(jī)的機(jī)型型號(hào)和采煤過(guò)程中搖臂與滾筒的空間關(guān)系，在連接滾筒的搖臂桿件內(nèi)端安裝隔塵噴嘴和除塵噴嘴，前者安裝3 個(gè)，后者安裝2 個(gè)進(jìn)行交叉布置。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)除塵效果分析，確定最優(yōu)的噴霧裝置參數(shù)，取噴嘴直徑Dp=1.5 mm，噴霧壓力（Pp）在5～6 MPa 內(nèi)。具體采煤機(jī)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(yōu)化

圖1 采煤機(jī)噴霧裝置安裝示意圖

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析，液壓支架粉塵主要集中在液壓支架前半部位置，根據(jù)液壓支架的型號(hào)和粉塵分布位置進(jìn)行噴霧裝置優(yōu)化。將原來(lái)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(gè)噴嘴，每隔10 組支架安裝這樣的高壓膠管。改造工作狀態(tài)由人工控制變?yōu)樽詣?dòng)控制。其過(guò)程是將紅外發(fā)射器安裝在采煤機(jī)上，并每隔10 個(gè)液壓支架上安裝紅外線接收器，通過(guò)通信電纜、控制器與紅外接收器來(lái)控制連在噴霧桿上的電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(fā)射裝置。自動(dòng)噴霧裝置的工作原理是：當(dāng)采煤機(jī)開(kāi)始工作，安裝在采煤機(jī)上的發(fā)生器會(huì)給安裝在液壓支柱上的接收器一個(gè)紅外信號(hào)，通過(guò)接收器傳到控制箱，再由控制箱向電磁閥發(fā)出指令，再由噴霧桿送水開(kāi)始噴霧降塵，通過(guò)控制箱控制噴霧降塵延遲40 s 關(guān)閉；隨著采煤機(jī)的推進(jìn)，直至到達(dá)另一安裝紅外接收器的液壓支架自動(dòng)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(fēng)繞道口50 m 范圍內(nèi)、21505巷距巷口50 m 范圍內(nèi)各設(shè)置一道固定凈化水幕；在21505 巷距離工作面100～150 m 范圍內(nèi)、51505 巷距工作面50 m 范圍內(nèi)各設(shè)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(shè)2 道捕塵網(wǎng)，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(yōu)化后噴霧裝置的除塵效果

為了驗(yàn)證優(yōu)化后除塵效果，在整個(gè)綜采工作面進(jìn)行煤塵采樣分析，每隔5 m 取一個(gè)采樣點(diǎn)，一共采集10 個(gè)樣本。下頁(yè)圖4 為優(yōu)化前后粉塵濃度對(duì)比。

通過(guò)對(duì)圖4 數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算可知，經(jīng)過(guò)對(duì)噴霧裝置的合理優(yōu)化、交叉安裝隔塵噴嘴和除塵噴嘴后的采煤機(jī)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(jié)論

圖4 優(yōu)化前后采樣點(diǎn)粉塵濃度對(duì)比

遵循“先隔離，再降塵”的優(yōu)化原則，采用隔塵噴嘴與除塵噴嘴的交替運(yùn)用優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化改造后的噴霧除塵系統(tǒng)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(chǎn)粉塵的污染，大幅度改善了工作面環(huán)境，保證的工人的身體健康。