綜采工作面噴霧降塵系統(tǒng)優(yōu)化改造及應(yīng)用

白艷飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

0 引 言

綜采工作面因人員相對集中，且為極易產(chǎn)生粉塵的高強(qiáng)度勞動場所，因此，粉塵治理是綜采工作面不可忽視的一項(xiàng)重要工作。目前，高壓噴霧降塵是綜采工作面常用的除塵方式，主要包括采煤機(jī)內(nèi)、外噴霧、液壓支架噴霧、轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧及回風(fēng)巷噴霧等[1-3]。綜采工作面產(chǎn)生粉塵的主要源頭為采煤機(jī)割煤作業(yè)，因此，采煤機(jī)內(nèi)、外噴霧及液壓支架噴霧是噴霧降塵系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，在生產(chǎn)過程中，因受橫向風(fēng)流及斷面跨度影響，液壓支架噴霧難以對斷面內(nèi)粉塵進(jìn)行全面覆蓋降塵，采煤機(jī)噴霧難以實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)滾筒的全包裹除塵[4-5]，導(dǎo)致關(guān)鍵除塵部位的阻隔煤塵和降塵效果不佳，工作面粉塵濃度仍可能存在超標(biāo)現(xiàn)象，對員工身體健康及現(xiàn)場安全生產(chǎn)造成隱患。基于此，對采煤機(jī)及液壓支架這2 個關(guān)鍵除塵部分的噴霧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，以實(shí)現(xiàn)綜采工作面降塵達(dá)標(biāo)的目的。

1 工作面概況

常村煤礦23061 綜采工作面位于礦井二水平23 采區(qū)西翼，為23 采區(qū)首采工作面，工作面走向長度1 750 m，傾向長度225 m，工作面主采3 號煤層，平均厚度2.13 m，傾角3°～4°，煤層硬度系數(shù)f 值為0.98，煤層節(jié)理中等發(fā)育。23061 綜采工作面通風(fēng)系統(tǒng)為“U”型通風(fēng)，下順槽進(jìn)風(fēng)，上順槽回風(fēng)，上、下順槽均為矩形斷面，下順槽斷面規(guī)格為5 m×3.5 m，上順槽斷面規(guī)格為5.5 m×3.5 m。綜采工作面采用一次采全高、全部垮落法管理頂板。工作面生產(chǎn)期間，根據(jù)現(xiàn)場粉塵濃度檢測結(jié)果可知，全塵濃度較高，呼吸性粉塵平均值在280 mg/m3左右，高于現(xiàn)行相關(guān)規(guī)定的限度，為優(yōu)化現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，需對噴霧降塵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

2 噴霧降塵系統(tǒng)優(yōu)化方案

基于綜采工作面幾處噴霧降塵的基礎(chǔ)上，優(yōu)化方案主要選擇在產(chǎn)生粉塵的源頭處進(jìn)行噴霧除塵系統(tǒng)優(yōu)化，即對采煤機(jī)噴霧和液壓支架噴霧優(yōu)化改造。

2.1 采煤機(jī)輔助降塵裝置

采煤機(jī)割煤期間，截割滾筒處為產(chǎn)生粉塵的主要源頭，其降塵方式主要通過采煤機(jī)滾筒內(nèi)噴霧及采煤機(jī)外噴霧降塵，但受橫向風(fēng)流影響及粉塵濃度較高的原因，采煤機(jī)內(nèi)外噴霧難以覆蓋揚(yáng)塵范圍，導(dǎo)致現(xiàn)場粉塵濃度仍偏高。為彌補(bǔ)采煤機(jī)內(nèi)外噴霧降塵不足，根據(jù)現(xiàn)場除塵需求，設(shè)計采煤機(jī)輔助降塵裝置。該裝置模擬局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，整機(jī)呈圓筒狀，直徑420 mm，采用電機(jī)功率為1 260 kW 的防爆防水電機(jī)，電機(jī)外側(cè)為不銹鋼外殼，設(shè)置的底座固定在采煤機(jī)兩側(cè)靠近2 個滾筒的位置，在出風(fēng)口處設(shè)置由8 個噴嘴組成的環(huán)形噴霧環(huán)，最高風(fēng)速8 m/s，噴霧壓力4～8 MPa，噴霧有效射程可達(dá)7～10 m，可滿足采煤機(jī)2 個滾筒割煤期間的揚(yáng)塵范圍有效覆蓋。采煤機(jī)輔助降塵裝置如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)輔助降塵裝置示意圖

2.2 液壓支架噴霧助力裝置

液壓支架噴霧主要用于采煤機(jī)回風(fēng)側(cè)斷面內(nèi)的噴霧降塵，以防止粉塵向回風(fēng)方向進(jìn)一步擴(kuò)散，在現(xiàn)場應(yīng)用中，因液壓支架噴霧有效射程較短，噴射的霧場極易被工作面橫向風(fēng)流吹散，且難以覆蓋支架立柱到煤壁間的降塵覆蓋，導(dǎo)致降塵效果不佳。為解決液壓支架噴霧存在的不足，利用負(fù)壓引射除塵原理，在液壓支架噴霧上安裝一個噴霧助力裝置，即在原液壓支架噴霧管出風(fēng)口安裝一個剛性外殼，外殼一端為出風(fēng)口，一端為進(jìn)風(fēng)口，在進(jìn)、出風(fēng)口間安裝一個帶有葉輪的微型氣動馬達(dá)，氣動馬達(dá)接通現(xiàn)場的高壓風(fēng)管，風(fēng)壓可通過截止閥及風(fēng)壓表控制在0.4～1 MPa 之間，出風(fēng)口側(cè)設(shè)置3 個擴(kuò)散性噴嘴，噴嘴角度分別呈水平向下20°、45°、70°（可根據(jù)覆蓋效果調(diào)整），以實(shí)現(xiàn)噴霧對立柱至煤壁間的斷面覆蓋。通過對液壓支架噴霧加裝該助力裝置后，可增加液壓支架噴霧的有效噴霧射程及覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)最大效率的斷面噴霧覆蓋。液壓支架噴霧助力裝置如圖2 所示。

圖2 液壓支架噴霧助力裝置示意圖

3 改造后效果數(shù)值模擬分析

為確保噴霧系統(tǒng)改造后的應(yīng)用效果，現(xiàn)通過數(shù)值模擬對改造后的采煤機(jī)輔助降塵裝置及液壓支架噴霧助力裝置根據(jù)不同參數(shù)進(jìn)行效果分析，并根據(jù)分析結(jié)果選擇采煤機(jī)輔助降塵裝置的最佳噴霧水壓及液壓支架噴霧助力裝置的最佳風(fēng)壓。

3.1 數(shù)值模擬參數(shù)確定

采用Fluent 數(shù)值模擬軟件，建立風(fēng)-霧兩相流模型，根據(jù)23061 工作面各項(xiàng)參數(shù)特征，確定模型長度為30 m，寬度為5.5 m，高度為2.8 m，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際在模型中建立采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備以及采煤機(jī)輔助降塵裝置及液壓支架噴霧助力裝置。模型中設(shè)置液壓支架寬度1.5 m，根據(jù)模型長度，共設(shè)置20 架液壓支架，設(shè)置采煤機(jī)滾筒直徑1.2 m，機(jī)身長度11 m，設(shè)置風(fēng)流為連續(xù)介質(zhì)，風(fēng)速設(shè)置為2 m/s，設(shè)置后的數(shù)值模擬模型如圖3 所示。

圖3 工作面數(shù)值模擬模型圖

3.2 采煤機(jī)輔助降塵裝置不同噴霧壓力下數(shù)值模擬

為測試采煤機(jī)輔助降塵裝置不同噴霧壓力下的降塵效果，通過數(shù)值模擬設(shè)置噴霧出風(fēng)口風(fēng)速為8 m/s，并分別設(shè)置噴霧壓力Pw為4、6、8 MPa，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，3 種不同噴霧壓力下霧場的霧滴濃度分布如圖4 所示。

圖4 不同噴霧壓力下滾筒附近霧場霧滴濃度分布云圖

根據(jù)圖5 所示的數(shù)值模擬結(jié)果可知：采煤機(jī)噴霧裝置增加改造后的輔助降塵裝置后，在3 種不同噴霧壓力下，采煤機(jī)噴霧降塵裝置的高濃度霧場均能實(shí)現(xiàn)對滾筒產(chǎn)塵及揚(yáng)塵范圍內(nèi)進(jìn)行有效覆蓋，并從數(shù)值模擬結(jié)果圖中可知，噴霧壓力越高，霧場的霧滴濃度及覆蓋范圍越大，即降塵效果越好，根據(jù)圖4（C）中數(shù)值模擬結(jié)果可知，噴霧壓力為8 MPa 工況下，滾筒處最高霧滴濃度可達(dá)17 460 mg/m3，對采煤機(jī)滾筒處的粉塵具有很好的沉降效果，由此確定采煤機(jī)噴霧裝置的最佳噴霧壓力為8 MPa。

3.3 液壓支架噴霧助力裝置不同風(fēng)壓下數(shù)值模擬

液壓支架噴霧裝置通過改造加裝噴霧助力裝置后，為確定不同壓力下的噴霧覆蓋范圍及除塵效果，分別設(shè)置氣動馬達(dá)氣壓動力分別為0.4、0.6、0.8、1 MPa，并通過數(shù)值模擬分析4 種不同工況下的霧場霧滴分布濃度，根據(jù)數(shù)值模擬得出分布結(jié)果如圖5 所示。

根據(jù)圖5 中數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，液壓支架噴霧助力裝置啟動后，助力裝置產(chǎn)生的高速風(fēng)流能夠增加噴霧的有效射程及噴霧濃度，并且從圖5 中可知，當(dāng)氣壓動力在0.4 MPa，霧場霧滴平均濃度為3 476 mg/m3，當(dāng)氣壓動力逐步增大到1 MPa 時，霧場霧滴平均濃度達(dá)到13 542 mg/m3，由此可知，氣動馬達(dá)的氣壓動力越大，產(chǎn)生的霧場霧滴濃度越高，距離產(chǎn)生塵源的滾筒也越近，降塵效果越好，由此確定液壓支架噴霧輔助裝置的最佳氣壓動力為1 MPa。

圖5 不同氣動壓力下霧場霧滴濃度分布云圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場安裝及應(yīng)用

根據(jù)23061 綜采工作面采煤機(jī)結(jié)構(gòu)特征，在采煤機(jī)兩側(cè)靠近滾筒位置各安裝一個輔助降塵噴霧裝置，裝置出霧口對準(zhǔn)采煤機(jī)滾筒及回風(fēng)側(cè)區(qū)域；根據(jù)液壓支架結(jié)構(gòu)特征，在液壓支架原噴霧管出風(fēng)口安裝噴霧助力裝置。采煤機(jī)輔助降塵噴霧裝置設(shè)置噴霧壓力為8 MPa，液壓支架噴霧助力裝置設(shè)置氣動壓力為1 MPa。采煤機(jī)割煤作業(yè)時，打開采煤機(jī)內(nèi)外噴霧，同時打開采煤機(jī)上的輔助降塵噴霧及采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)最近的一架液壓支架噴霧及噴霧助力裝置。在采煤機(jī)內(nèi)外噴霧、采煤機(jī)輔助降塵噴霧及液壓支架噴霧相互配合與共同作用下，實(shí)現(xiàn)了對高濃度粉塵的有效捕集與沉降?，F(xiàn)場應(yīng)用效果見圖6。

圖6 噴霧降塵系統(tǒng)優(yōu)化后現(xiàn)場應(yīng)用效果圖

4.2 效果分析

為驗(yàn)證23061 綜采工作面噴霧裝置優(yōu)化改造后的降塵效果，在工作面采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)、回風(fēng)巷等地點(diǎn)共設(shè)置了9 個測塵點(diǎn)，在采煤機(jī)割煤期間分別測試未采取防塵措施和采用優(yōu)化措施后的全塵及呼吸性粉塵濃度，并計算采用優(yōu)化措施后的降塵率，測塵點(diǎn)及測塵結(jié)果見表1。

表1 噴霧系統(tǒng)優(yōu)化前、后測塵數(shù)據(jù)對比表

根據(jù)表1 結(jié)果可知，工作面噴霧系統(tǒng)優(yōu)化后，各測塵點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的全塵濃度及呼吸性粉塵濃度均有大幅下降，其中，全塵降塵率在85%～90%之間，呼吸性粉塵降塵率在85%～91%之間，呼吸性粉塵濃度符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，降塵效果明顯，作業(yè)環(huán)境得到明顯改善。

5 結(jié) 論

針對23061 工作面噴霧降塵系統(tǒng)存在降塵效果差、粉塵濃度超標(biāo)問題，對產(chǎn)生塵源處的采煤機(jī)噴霧及液壓支架噴霧裝置進(jìn)行了優(yōu)化改造，優(yōu)化改造后的噴霧系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用及測塵結(jié)果可知，全塵及呼吸性粉塵降塵率達(dá)到85 %以上，優(yōu)化后的粉塵濃度符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求，作業(yè)環(huán)境得到明顯改善。