綜掘機截割部防塵裝備研究

李彥輝

（遼寧能源煤電產業(yè)股份有限公司，遼寧 沈陽 110014）

近年來遼寧能源煤電產業(yè)股份有限公司（簡稱“遼寧能源”）大力推進“四化三減”和裝備技術升級改造工程，綜掘機械化程度大幅提升，特別是煤巷綜掘機械化程度已達到100%。煤巷綜掘機械化程度的提高，也隨之帶來了煤塵安全隱患。遼寧能源所屬的林盛煤礦、紅陽二礦、紅陽三礦、西馬煤礦、蒙西煤礦、蒲河煤礦6 對礦井，煤塵都具有爆炸危險性，作為煤巷綜掘機械化掘進關鍵部位的截割部，是礦井煤塵主要來源之一，同時綜掘機截割的時候，遇到堅硬的煤層，截割部會出現(xiàn)火花，加上煤層賦存的瓦斯，具備了煤塵爆炸的條件，存在安全隱患，制約了煤礦安全高效生產。

目前針對綜掘工作面的煤塵防治，國內主要采取的是綜掘機單噴嘴高壓外噴霧、電動葉輪式濕式除塵風機、巷道噴霧、捕塵紗網、化學降塵劑、壓力水旋轉霧化降塵裝置、旋轉噴霧降塵裝置等措施，并在不同的礦區(qū)進行了應用，也取得了一定的效果。遼寧能源所屬礦井目前都是采用綜掘機單噴嘴高壓外噴霧、巷道噴霧、捕塵紗網綜合防塵技術，防塵效果一般，不能有效解決工作面煤塵治理難題。遼寧能源針對所屬礦井的實際情況，提出了對綜掘工作面截割部采用壓氣水射流細水霧防塵技術和裝備進行研究，對促進礦區(qū)的安全生產和工人身體健康，減少煤塵危害帶來的經濟損失，具有重大的社會效益。

1 工程概況

遼寧能源蒲河煤礦位于沈陽市沈北新區(qū)蒲河鎮(zhèn)，設計生產能力為300 萬t/a，主要開采甲2 煤層。西一采區(qū)13#面位于西一采區(qū)西北部，東西走向布置，運輸順槽長1008 m，回風順槽長576 m，開采深度在380～410 m 之間。工作面可采煤層為甲2 煤層，由30 多層煤分層構成，中間夾0.05～1.5 m厚度不等的夾矸，煤層平均厚25 m，厚度及結構變化不大。煤塵爆炸指數(shù)44.92%，單位煤塵濃度為164.17 mg/m3，采用綜掘機施工巷道。

防塵供水系統(tǒng)：地面貯水池→北三立孔→副下→西翼回風上部車場→西翼回風下山→西一采區(qū)集中回風巷→西一采區(qū)集中運輸巷→西一北集中軌道巷→西一13#面回風順槽。

2 壓氣水射流吸風噴霧霧滴特性與降塵試驗

試驗方案采用正交試驗，按L9（34）正交表設計?？紤]到影響壓氣水射流吸風噴霧器效果的參數(shù)主要包括噴嘴、射流管（包括喉管、短擴散管、吸入室等部件）結構尺寸、供水供氣參數(shù)等，該試驗只對影響吸風空氣式降塵噴霧器性能的喉嘴距L1、α噴嘴直徑D以及擴散管的擴散角 三個因素進行分析。

對于噴嘴直徑，考慮到壓風耗量及其噴霧效果，選2 mm、3 mm、4 mm 三種進行試驗；射流管的擴散管擴散角α分別取為30°、45°和60°，對應擴散管長度分別為56 mm、36 mm 和26 mm；喉嘴距設定為48 mm、68 mm、98 mm 等3 個位置。因素與水平的數(shù)據(jù)見表1。

表1 壓氣水射流吸風噴霧試驗因素與水平表

3 綜掘機截割部致災因素防控裝置的數(shù)值模擬

試驗系統(tǒng)包括壓氣水噴霧降塵試驗系統(tǒng)和噴霧特性測試系統(tǒng)，如圖1。

圖1 壓氣水射流噴霧器降塵試驗系統(tǒng)

吸風量通過圓錐形集風器法測定，先通過補償式微壓計測定靜壓測量孔的靜壓Pst，再按下式計算吸風量：

式中：Q為吸風量，m3/s；μ為流量系數(shù)；Pst為靜壓測量孔的靜壓，Pa；D為測壓處管徑，m；ρ為空氣密度，kg/m3。

壓氣水射流噴霧特性測試系統(tǒng)由噴霧子系統(tǒng)和激光相位多普勒粒子分析儀（Phase Doppler Particle Analyzer，簡稱PDPA）系統(tǒng)兩部分組成，如圖2 所示。噴霧子系統(tǒng)由水泵、水箱、自吸式噴霧器、供水閥門、水流量計、壓縮機、旋流式氣水混合器、供氣管路、集水裝置等組成。PDPA 子系統(tǒng)用來測量霧滴的速度和粒徑大小等參數(shù)，包括發(fā)送光源鏡頭、接收光源鏡頭、三維坐標架、數(shù)據(jù)處理器、計算機等。試驗主要測試索太爾平均直徑（Sauter mean diameter，簡稱SMD）值及其霧滴的速度。該測試系統(tǒng)的工作原理是，經壓縮機和高壓泵出來的水經過混合氣后，由噴嘴噴出，PDPA 系統(tǒng)把一束藍色激光和一束紫色激光打到水霧上，并在測量點上聚焦，然后把水滴反射回的激光信號收集起來，送數(shù)據(jù)處理器進行處理，得到被測處霧滴的速度、粒徑等參數(shù)。

圖2 壓氣水射流噴霧PDPA 噴霧特性試驗系統(tǒng)示意圖

4 試驗結果及分析

（1） 正交試驗（表2）

表2 正交試驗及結果表

為了便于直觀分析，通過各因素水平的數(shù)據(jù)與相對應的平均值以及每列的極差作正交試驗直觀分析圖，如圖3 所示。根據(jù)直觀分析圖可以得出，當喉嘴距為48 mm、噴嘴直徑為3 mm、擴散角為30°時，有效射程、噴射角、SMD 值、吸風量達到最佳。

圖3 正交試驗直觀分析圖

5 綜掘機截割部防控致災裝備

綜掘機截割部防控致災裝備由綜掘壓氣水吸風水氣幕裝置（主要由幾個壓氣水吸氣噴霧器組成）、壓氣水射流吸塵凈化器、旋流分風器等組成，如圖4。

圖4 綜掘截割部防控致災裝備組成

壓氣水吸氣噴霧器耗水量每個3～5 L/min，壓氣壓力為0.4～0.7 MPa，每個壓氣水吸風式噴霧的吸風量為12 m3/min，噴霧出口500 mm 處索太爾平均直徑（SMD）為70～100 μm；壓氣水射流吸塵凈化器不銹鋼制作，吸風量為90～120 m3/min，耗水量3～5 L/min，霧滴平均直徑（SMD）為70～100 μm；壓氣水射流吸塵凈化器出口接直徑600 mm軟質風筒；旋流分風器有2 個固定分風口、1 個可調分風口、旋流葉片等，可調分風口根據(jù)迎頭瓦斯情況調節(jié)，采用不銹鋼制作。

6 注意事項

（1）與壓氣水射流吸塵除塵器連接的伸縮風筒出口應指向運輸機上方，使得壓氣水射流抽風除塵裝置出來的水流向運輸機運走，同時應注意伸縮風筒的彎曲應平滑，風筒出口不應指向電器設備。

（2）平時應及時挪移，使得壓氣水射流吸塵除塵器、旋轉射流送風分風控塵器離掘進迎頭的距離不超過10 m。

（3）使用及挪移時應注意保護壓氣水射流吸塵除塵器和旋轉射流送風分風控塵器，不得損壞。

（4）與壓氣水射流吸塵除塵器所聯(lián)的壓氣管路接口均不得低于19 mm。

（5）掘進機下井前需要預先在搖臂附近焊接內螺紋安裝孔的安裝板4～6 個，以便用直徑12 mm的螺栓安裝自吸式噴霧降塵裝置。生產過程中需要更換掘進機刨頭或其他需要預先焊接本降塵裝置底座的部件時，一定要預先在下井前預先焊接厚為16～20 mm 的安裝板和底座。

（6）工作面地質條件變化，有關噴霧器碰到巷道支架時，應將噴霧器暫時拆下，等到條件正常時再重新安裝。噴霧器與巷道支架發(fā)生摩擦時千萬不能強行運行。

7 結語

綜掘機截割部壓氣水射流吸風噴霧目前正在遼寧能源蒲河煤礦西一采區(qū)13#面進行工業(yè)性試驗，從目前回采過程中測定的數(shù)值情況分析，最大全塵質量濃度降塵率由以往常規(guī)單噴嘴噴霧的92.67%提升到現(xiàn)在的97.2%，呼吸性粉塵最大質量濃度降塵率由以往常規(guī)單噴嘴噴霧的87.21%提升到現(xiàn)在的96.2%，降塵效果明顯，能夠有效改善工作面的工作環(huán)境，降低煤塵爆炸的風險，具有良好的社會效益，推廣應用前景廣闊。