綜采工作面新型風(fēng)助噴霧降塵裝置研制及應(yīng)用

杜永星

（山西保利平山煤業(yè)股份有限公司，山西 晉城 048000）

1 引言

綜采工作面粉塵的防治一直以來是煤礦安全生產(chǎn)管理工作中面臨的難題，如何有效降塵成為當(dāng)務(wù)之急[1]。目前，普遍采用的降塵措施包括煤層注水、加強(qiáng)通風(fēng)管理、噴霧降塵等[2]。其中噴霧降塵主要是利用安裝于綜采面中支架、采煤機(jī)和轉(zhuǎn)載點(diǎn)等處的噴霧降塵裝置進(jìn)行粉塵防治。深入研究工作面降塵裝置，提高降塵效率對于安全生產(chǎn)具有重要意義[3]。

本文針對平山煤礦31016 工作面粉塵濃度超標(biāo)問題，提出在現(xiàn)有噴霧降塵技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合霧場分布特性，研發(fā)出液壓支架風(fēng)力負(fù)壓噴霧降塵裝置和采煤機(jī)濕式噴霧降塵器，不僅增強(qiáng)了噴霧效果，而且噴霧產(chǎn)生的霧場對于采煤機(jī)滾筒產(chǎn)塵源能夠進(jìn)行有效的包裹，抑制粉塵擴(kuò)散[4-5]。

2 新型噴霧裝置機(jī)理及與原噴霧裝置對比分析

新型噴霧裝置主要由液壓支架風(fēng)力負(fù)壓噴霧降塵裝置和采煤機(jī)濕式噴霧降塵器組成，通過增加噴霧濃度，擴(kuò)大噴霧范圍，利用負(fù)壓引射吸塵，在高速風(fēng)流的運(yùn)載下，增加霧滴碰撞以提高攔截粉塵的概率，有效捕集粉塵，降低工作面粉塵濃度。

2.1 液壓支架風(fēng)力負(fù)壓噴霧降塵裝置研制及與原結(jié)構(gòu)對比分析

在綜采工作面中，液壓支架噴霧的目的在于降低產(chǎn)塵源處粉塵濃度和阻止粉塵擴(kuò)散，而平山煤礦31016 工作面風(fēng)速較大，原有噴霧裝置產(chǎn)生的霧場容易被吹散，導(dǎo)致噴霧有效覆蓋范圍較小。

對此，增加了負(fù)壓引射裝置，即在原噴霧管上加裝不銹鋼外殼，前面為噴霧口，后面為吸風(fēng)口，在吸風(fēng)口處安裝帶有葉輪的微型氣動(dòng)馬達(dá)構(gòu)成負(fù)壓吸風(fēng)系統(tǒng)。于噴霧口處分別安裝與噴霧桿呈15°、45°、75°的圓口含X 形導(dǎo)流芯實(shí)心圓錐形的噴嘴，此噴霧具有流量小、噴霧效果好的特性，能夠形成覆蓋煤壁至支架立柱間的全斷面噴霧場，氣動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生的負(fù)壓氣流能夠?qū)⒎蹓m通過吸風(fēng)口卷吸進(jìn)入，進(jìn)而通過噴霧場捕集沉降，同時(shí)馬達(dá)能夠產(chǎn)生與噴霧方向相同的高速氣流，進(jìn)一步促使噴霧場向滾筒處擴(kuò)散。裝置安裝于液壓支架頂梁油缸處，每隔一臺(tái)支架進(jìn)行布置。裝置結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 液壓支架風(fēng)力負(fù)壓噴霧裝置

馬達(dá)為防爆型馬達(dá)，結(jié)構(gòu)簡單，輸出功率較高，在0.1～0.4 MPa 氣壓下能夠正常運(yùn)行，提供持續(xù)穩(wěn)定的風(fēng)流。

2.2 采煤機(jī)濕式風(fēng)助降塵裝置研制及與原結(jié)構(gòu)對比分析

采煤機(jī)噴霧對于工作面降塵起到關(guān)鍵性作用，目的在于降低產(chǎn)塵源處粉塵濃度，而原裝置的噴霧系統(tǒng)由于綜采面風(fēng)速較大，滾筒產(chǎn)塵量較多，難以有效覆蓋滾筒產(chǎn)塵源，使得降塵效果并不明顯。若單純增加噴霧裝置，導(dǎo)致噴霧量增大，會(huì)出現(xiàn)打濕工作人員衣物以及工作面積水等問題。

在不增加噴霧量的前提下，為了克服風(fēng)阻以及噴霧范圍無法有效覆蓋等問題，設(shè)計(jì)了濕式風(fēng)助噴霧裝置。在直徑為350 mm 的不銹鋼圓桶外殼內(nèi)安置一個(gè)小功率防爆防水電機(jī)，電機(jī)連接風(fēng)葉，在出風(fēng)口處均勻布置8 個(gè)圓口含X 形導(dǎo)流芯實(shí)心圓錐形噴嘴，底部安裝有固定底座，葉輪前布置若干排水孔，防止積水影響電機(jī)。該裝置工作時(shí)，開啟噴霧裝置和電機(jī)，噴霧在電機(jī)高速風(fēng)流的帶動(dòng)下，霧場擴(kuò)散，有效覆蓋采煤機(jī)滾筒處產(chǎn)塵點(diǎn)，并且霧場對于外界風(fēng)流的抗干擾能力較強(qiáng)。如圖2。

圖2 采煤機(jī)濕式風(fēng)助降塵裝置

3 新型降塵裝置噴霧數(shù)值模擬

利用Fluent 軟件進(jìn)行模擬，其中將31016 綜采工作面模型計(jì)算區(qū)域中的風(fēng)流看做連續(xù)相介質(zhì)，巷道內(nèi)風(fēng)速設(shè)置為1.2 m/s，空氣密度1.23 kg/m3，取六個(gè)點(diǎn)A1～F1 進(jìn)行噴霧濃度的測試，并將其平均值作為滾筒處噴霧場的噴霧濃度，如圖3。

圖3 噴霧場霧滴分布范圍

新型降塵裝置噴霧壓力和氣壓對噴霧效果的影響。在未開啟馬達(dá)和電機(jī)時(shí)，將支架和采機(jī)噴霧壓力分別設(shè)置為4 MPa、6 MPa 和8 MPa 進(jìn)行模擬，不同壓力條件下霧場分布和截面云圖模擬如圖4。

圖4 不同壓力條件下霧場分布截面云圖

從模擬圖4 可以看出，當(dāng)噴霧壓力分別設(shè)置為4 MPa、6 MPa 和8 MPa 時(shí)，霧滴平均濃度分別為1120 mg/m3、1340 mg/m3和2300 mg/m3，說明噴霧壓力越高，噴霧效果越好，噴霧場此時(shí)能夠較好地覆蓋從煤壁至立柱的空間范圍，但對于滾筒處卻無法有效覆蓋。

在噴霧效果最佳時(shí)，即噴霧壓力為8 MPa 的前提下，開啟馬達(dá)和電機(jī)，氣壓分別設(shè)置三個(gè)不同參數(shù)，依次為0.6 MPa、0.8 MPa 和1.0 MPa 進(jìn)行效果模擬，如圖5。

從圖5 可以看出，在噴霧壓力為8 MPa 時(shí)，氣壓越大，霧場分布范圍越廣，對于滾筒產(chǎn)塵源處的覆蓋越有效。當(dāng)P氣=1.0 MPa 時(shí)，85%噴霧場區(qū)域噴霧濃度在10 000 mg/m3以上，較之前未開啟馬達(dá)和電機(jī)時(shí)，噴霧效果明顯增強(qiáng)。這是由于霧場霧滴在風(fēng)流作用下進(jìn)行了有效擴(kuò)散，能夠較好覆蓋采煤機(jī)滾筒產(chǎn)塵源處的區(qū)域。

圖5 噴霧壓力相同條件下，不同氣壓下霧場分布云圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用及降塵效果分析

對平山煤礦31016 工作面運(yùn)用新型風(fēng)助噴霧裝置進(jìn)行降塵試驗(yàn)，液壓支架噴霧裝置和采煤機(jī)噴霧裝置的噴霧壓力均設(shè)置為8 MPa，氣壓均為1.0 MPa，分別對采煤機(jī)司機(jī)處、移架工處、轉(zhuǎn)載機(jī)處和回風(fēng)巷20 m 處進(jìn)行粉塵濃度測定，見表1。

表1 運(yùn)用新型降塵裝置測定粉塵降塵率

5 結(jié)論

新型噴霧降塵裝置是液壓支架風(fēng)力負(fù)壓噴霧降塵裝置和采煤機(jī)濕式風(fēng)助降塵裝置的有效組合，通過數(shù)值模擬以及現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行了全面分析和研究，主要結(jié)論如下：

（1）新型降塵裝置通過模擬不同噴霧壓力以及氣壓的條件下，確定最優(yōu)參數(shù)，并且保證在不增加噴霧量的前提下，通過增加霧場霧滴濃度和擴(kuò)大霧場分布范圍進(jìn)行有效降塵。

（2）通過現(xiàn)場應(yīng)用，可以看出在開啟新型噴霧裝置后，四個(gè)測塵點(diǎn)的全塵降塵率和呼塵降塵率相比未開啟前，平均降幅超過85%，說明降塵效果顯著。