三交河煤礦綜采工作面高效噴霧降塵技術(shù)研究與應(yīng)用

馬曉江

（霍州煤電集團三交河煤礦，山西 洪洞041600）

1 工程概況

霍州煤電集團三交河煤礦2-2-601綜采工作面位于978水平六采區(qū)南翼，其西側(cè)為實體煤，南端為實體煤，北端鄰六采區(qū)皮帶巷。工作面主要開采2-2煤層，走向長度約1 800 m，傾向長度253 m；煤層平均厚度為2.06 m，硬度f值為2.0，煤層節(jié)理、層理中等發(fā)育，煤層平均傾角2°，煤層頂?shù)装迩闆r見圖1。

圖1 工作面頂?shù)装鍘r層柱狀圖

2-2-601工作面設(shè)計為一進一回“U”型通風系統(tǒng)，2-2-6012順槽斷面11.2 m2，順槽斷面采用矩形斷面。工作面擬采用綜采開采工藝，全部垮落法管理頂板。根據(jù)現(xiàn)場觀測可知，工作面回采作業(yè)時，總粉塵濃度高，呼吸性粉塵基本在300 mg/m3甚至更高，且呈上升趨勢，粉塵濃度仍遠遠高于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的限度；故現(xiàn)為優(yōu)化回采作業(yè)環(huán)境，特進行工作面高效噴霧降塵技術(shù)的研究。

2 高效噴霧系統(tǒng)

目前回采工作面最常采用的降塵方式為高壓噴霧降塵，工作面內(nèi)的噴霧降塵系統(tǒng)主要包括采煤機內(nèi)外噴霧、液壓支架噴霧機轉(zhuǎn)載點噴霧，其中在綜采工作面噴霧降塵中的關(guān)鍵部分為采煤機內(nèi)外噴霧和液壓支架噴霧。

目前綜采工作面的噴霧降塵技術(shù)雖然取得了一定的成果，但仍存在著眾多問題，如采煤機噴霧在橫向風流作用下，基本難以形成高濃度的霧場對采煤機滾筒進行包裹，進而其能夠?qū)崿F(xiàn)的阻隔煤塵和降塵效果便很小[1-2]；另外現(xiàn)有的液壓支架噴霧裝置形成的霧場難以實現(xiàn)支架立柱到煤壁采煤作業(yè)空間的覆蓋。現(xiàn)結(jié)合2-2-601綜采工作面地質(zhì)條件復雜、風速大等特征，具體設(shè)計工作面的噴霧降塵系統(tǒng)：

1）采煤機濕式風助降塵裝置：根據(jù)工作面風速大、產(chǎn)塵量大的特征可知，為實現(xiàn)采煤機噴霧裝置的降塵效果，需要盡量克服風流的阻力，進一步增大噴霧的覆蓋范圍，基于該特征，現(xiàn)自主設(shè)計了噴霧降塵裝置，該裝置內(nèi)包括防爆防水電機，電機功率1 440 kW，額定排量6 840 m3，能夠?qū)崿F(xiàn)800 Pa的靜壓力，在電機外側(cè)設(shè)置圓桶狀的不銹鋼外殼，直徑為400 mm，在電機出風口的位置處設(shè)置環(huán)形噴霧裝置，噴霧環(huán)由8個Ⅲ噴嘴組成，根據(jù)地面測試可知，該噴霧降塵裝置在防爆電機和噴霧的情況下，噴霧口的風速能夠達到8.5m/s，其噴霧的有效距離能夠達到8～10 m，在高速風流的帶動下可實現(xiàn)對采煤機滾筒的有效覆蓋，具體采煤機噴霧降塵裝置如圖2所示。

圖2 采煤機噴霧降塵裝置示意圖

2）液壓支架風助集中噴霧降塵裝置：液壓支架上的噴霧主要實現(xiàn)對產(chǎn)塵源處的降塵，并有效防止粉塵的擴散，但目前液壓支架上的噴霧裝置霧場極易被吹散，有效噴霧射程較短，進而導致其能夠?qū)崿F(xiàn)的噴霧降塵效果較為有限，現(xiàn)基于該問題，結(jié)合負壓引射除塵機理，在液壓支架噴霧管上加裝鋼外殼，在外殼前方開通噴霧口，在后方開通吸風口，并在吸風口的位置處安裝帶有葉輪的氣動馬達，具體液壓支架的噴霧裝置如圖3所示。

圖3 液壓支架噴霧降塵裝置示意圖

該噴霧降塵裝置上的動力裝置采用微型防爆氣動馬達，該馬達在氣壓為0.4～1.0 MPa的氣壓下，葉輪能夠提供穩(wěn)定的風流；該噴霧裝置在噴霧口布置3個Ⅲ噴嘴，噴嘴與噴霧桿之間分別成15°、45°和75°，根據(jù)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)可知[3]，其基本能夠?qū)崿F(xiàn)煤壁到液壓支柱間的空間的覆蓋，另外在噴霧口設(shè)置1個傾斜45°的引風板，對水平方向風流實現(xiàn)向下方的引導作用，該降塵裝置布置在液壓支架的頂梁油缸處，并且每間隔1臺液壓支架布置1臺噴霧裝置。

3 噴霧系統(tǒng)應(yīng)用及效果分析

3.1 噴霧降塵系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 數(shù)值模擬參數(shù)確定

現(xiàn)結(jié)合2-2-601工作面的具體特征，采用Fluent數(shù)值模擬軟件建立風-霧兩相流模型，模型長×寬×高=32 m×6 m×3 m，并在模型中分別建立出采煤機、液壓支架及刮板輸送機，模型中采煤機滾筒直徑為1.2 m，機長為10.5 m，設(shè)置20臺液壓支架，支架寬度為1.6 m，模型中的連續(xù)相介質(zhì)設(shè)置為風流，設(shè)置風速為1.2 m/s，動力黏度為1.7894×10-3Pa·s，氣體密度為1.225 kg/m3，流離散相介質(zhì)設(shè)置為Water-Liquid，具體數(shù)值模擬模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬模型圖

1）采煤機濕式風助降塵裝置噴霧壓力模擬分析：為合理確定采煤機上降塵裝置的合理噴霧壓力，現(xiàn)結(jié)合目前眾多工程實踐[4]，設(shè)置噴霧口出風速為8.5 m/s，分別進行噴霧壓力Pw為4、6、8 MPa時降塵效果的模擬分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出不同噴霧壓力下霧場霧滴濃度的分布圖如圖4所示。

圖4 不同噴霧壓力下霧場霧滴濃度分布云圖

分析圖4可知，在該3種噴霧壓力下，采煤機噴霧裝置產(chǎn)生的高濃度霧場均能夠?qū)崿F(xiàn)對采煤機滾筒區(qū)域產(chǎn)塵原的有效包裹，從圖中能夠看出隨著裝置噴霧壓力的增大，其在采煤前滾筒處平均霧場的濃度有了較大幅度的提升，隨著霧場濃度的增大，能夠更好的實現(xiàn)對霧滴對粉塵顆粒的捕獲，基于數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可知，噴霧裝置在噴霧壓力為8 MPa時，此時滾筒處的平均霧場濃度可達到18 440 mg/m3，能夠?qū)崿F(xiàn)對采煤機滾筒產(chǎn)生粉塵的有效沉降，據(jù)此確定工作面的采煤機噴霧裝置的噴霧壓力為8 MPa。

2）液壓支架噴霧降塵裝置噴霧壓力及氣壓壓力確定：為確定合理的液壓支架噴霧壓力，在不啟用氣動馬達時，設(shè)置噴霧壓力為4、6、8 MPa進行高濃度霧場霧滴覆蓋范圍和運移規(guī)律的模擬分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出在噴霧壓力為8 MPa時，此時霧場濃度最佳，但由于工作面割煤產(chǎn)生的粉塵濃度較大，此時噴霧裝置無法實現(xiàn)對采煤機滾筒區(qū)域的覆蓋，故在噴霧壓力為8 MPa的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在啟用氣動馬達時，分別進行氣動壓力為0.4、0.6、0.8、1.0 MPa下滾筒區(qū)域霧場濃度分布規(guī)律的分析，具體見圖5。

圖5 不同氣動壓力下滾筒區(qū)域霧場濃度分布云圖

分析圖5可知，當液壓支架噴霧裝置上的馬達開啟后，其產(chǎn)生的高速風流能夠增強霧滴在橫向風流中的運移能力，更能夠?qū)崿F(xiàn)噴霧向滾筒產(chǎn)塵區(qū)域集中，從圖中能夠看出，隨著氣動噴霧壓力的增大，噴霧裝置產(chǎn)生的噴霧場會逐漸向產(chǎn)塵區(qū)域移動，在噴霧壓力為8 MPa、氣動壓力為0.4 MPa時，此時噴霧場的濃度為3 667 mg/m3，隨著氣動壓力的升高，其噴霧場的霧滴濃度也會隨著提升，當氣動壓力提升到1.0 MPa時，此時霧滴濃度能達到13 850 mg/m3，噴霧效果得到了顯著的提升，而且此時噴霧場會更想滾筒的產(chǎn)塵源區(qū)域集中，更有利于對采煤機滾筒截割時產(chǎn)生的粉塵進行包裹和沉降，更利于對采煤工作面粉塵的控制；基于上述分析確定液壓支架噴霧裝置的噴霧水壓為8 MPa，氣動壓力為1.0 MPa。

3.1.2 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)2-2-601工作面采煤機結(jié)構(gòu)和液壓支架的特征，將液壓支架的噴霧裝置安裝在支架頂梁油缸處，采煤機噴霧裝安裝在采煤機機身上，噴霧裝置與煤壁成45°布置，設(shè)置噴霧口對準采煤機的滾筒區(qū)域；在進行割煤作業(yè)時液壓支架噴霧系統(tǒng)打開滾筒上風側(cè)最近的一組支架噴霧裝置，液壓支架上的噴霧裝置會在支架立柱與煤壁之間形成一道霧幕，抑制粉塵向下風側(cè)擴散。采煤機與液壓支架上噴霧系統(tǒng)間的相互配合能夠?qū)崿F(xiàn)相互配合與補充，達到對粉塵高效捕集與沉降的目的，具體現(xiàn)場應(yīng)用見圖6。

圖6 噴霧降塵系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用照片

3.2 效果分析

為驗證分析2-2-601工作面采用高效噴霧降塵系統(tǒng)后的降塵效果，在工作面位置布置9個測塵點，分別在工作面未采取任何措施時和采用高效噴霧降塵系統(tǒng)后進行粉塵濃度的測試作業(yè)，測塵點的布置位置主要設(shè)置在采煤工作面的各個區(qū)域，具體測塵點設(shè)置見表1，根據(jù)測試結(jié)果得出工作面在采用噴霧降塵系統(tǒng)前后粉塵濃度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 粉塵濃度對比數(shù)據(jù)表

分析表1可知，工作面采用高效噴霧降塵系統(tǒng)后，工作面各個區(qū)域的粉塵濃度均大幅降低，其中全塵降塵率在85%～91%之間，呼塵降塵率在83%～91%之間，降塵效果顯著。

4 結(jié)論

根據(jù)2-2-601綜采工作面的具體特征，結(jié)合目前回采工作面噴霧降塵系統(tǒng)中存在的問題，具體進行采煤機噴霧裝置和液壓支架噴霧裝置的優(yōu)化，并采用數(shù)值模擬的方式確定噴霧裝置的噴霧壓力及支架噴霧裝置的氣動壓力，根據(jù)高效噴霧降塵系統(tǒng)實施前后工作面的粉塵濃度測試可知，全塵和呼塵濃度均大幅下降，降塵效果顯著。