新型噴霧降塵技術(shù)在綜采工作面的應(yīng)用

孟雪敏

（晉能控股集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

1 工程概況

挖金灣礦8103 綜采工作面開采4 號(hào)煤層，煤層均厚3.2 m，平均傾角6°，回采期間相對(duì)瓦斯涌出量8.9 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量59.61 m3/min。因煤體硬度系數(shù)小、極破碎，工作面生產(chǎn)期間會(huì)產(chǎn)生較大的煤塵，根據(jù)8103 綜采工作面實(shí)際條件，結(jié)合液壓支架及采煤機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)霧化降塵系統(tǒng)并成功應(yīng)用。

2 霧化降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

2.1 架間噴霧引射除塵裝置

常規(guī)綜采工作面降塵措施主要有架間噴霧降塵及采煤機(jī)內(nèi)外噴霧降塵。其中，架間噴霧降塵裝置一般為手動(dòng)安裝在液壓支架上，采煤機(jī)為自帶噴霧降塵裝置，安裝在滾筒內(nèi)、外側(cè)。架間噴霧引射降塵裝置具有負(fù)壓引射功能，其工作原理為噴嘴通過管狀結(jié)構(gòu)即噴管、由內(nèi)向外連續(xù)進(jìn)行噴霧，在噴管口及其附近形成一定的負(fù)壓區(qū)域[1-3]。一方面由于噴管管徑與水霧直徑的關(guān)系，在噴管內(nèi)形成噴霧活塞，利于負(fù)壓區(qū)域的形成；另一方面由于噴霧時(shí)射出速度較快，水霧與霧化后的空氣混合物被連續(xù)射出后，繼而在噴管口附近形成負(fù)壓噴霧場，促使周圍含有粉塵的空氣被吸進(jìn)負(fù)壓噴霧場，進(jìn)一步凈化空氣中的煤塵濃度，實(shí)現(xiàn)二次降塵。綜上所述，負(fù)壓引射噴霧效果與液氣比、吸風(fēng)量及補(bǔ)塵能力等關(guān)鍵指標(biāo)緊密相關(guān)[4-5]。負(fù)壓引射吸塵機(jī)理示意圖如圖1。

圖1 負(fù)壓引射吸塵機(jī)理示意圖

基于負(fù)壓引射噴霧技術(shù)原理，結(jié)合8103 綜采工作面液壓支架及采煤機(jī)自身結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)采用的負(fù)壓引射噴霧裝置由固定環(huán)、側(cè)部吸塵口、后部吸塵口及B2#噴嘴組成，負(fù)壓引射噴霧裝置示意圖如圖2。首先將該裝置安裝在支架頂梁油缸處，之后確定噴嘴安裝角度，即保證噴霧范圍覆蓋支架頂梁油缸至煤墻區(qū)域，實(shí)現(xiàn)工作面切眼全斷面凈化降塵的目的。

圖2 負(fù)壓引射噴霧裝置示意圖

2.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)8103 綜采工作面實(shí)際條件，采用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，用于指導(dǎo)確定降塵噴霧系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。首先建立MG400/930-QWD 型電牽引采煤機(jī)、ZF6400/19/32 型液壓支架、工作面風(fēng)流及采煤機(jī)、液壓支架噴霧降塵系統(tǒng)模型，確定采煤機(jī)前后25 m 范圍為模擬區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)共有液壓支架20 架。工作面進(jìn)風(fēng)流風(fēng)速設(shè)置為1.8 m/s，風(fēng)流設(shè)置為連續(xù)相介質(zhì)。B2#型噴嘴噴霧壓力設(shè)置為7 MPa，采用工程類比法及理論分析，設(shè)置B2#型噴嘴傾角（與水平方向夾角）為12°、42°及72°時(shí)均能實(shí)現(xiàn)噴霧開啟時(shí)覆蓋支架頂梁油缸至煤墻區(qū)域，設(shè)置完成后通過運(yùn)算生成風(fēng)霧場云圖，如圖3。

圖3 架間噴霧風(fēng)霧場云圖

2.2.1 架間噴霧模擬分析

通過對(duì)采煤機(jī)前后25 m 范圍建立模型，對(duì)各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行賦值，利用ANSYS 軟件進(jìn)行運(yùn)算，得出架間噴霧降塵裝置的風(fēng)霧場云圖如圖3，用于分析B2#型噴嘴霧化角、有效射程、風(fēng)流跡線及降塵效果。

（1）霧化角及有效射程

對(duì)比B2#型噴嘴傾角為12°、42°、72°，壓力7 MPa 時(shí)的霧化效果，得出霧化角為77°，在該條件下有效射程達(dá)4.6 m，距B2#型噴嘴0.5～1.2 m范圍為降塵效果最佳的區(qū)域。

（2）風(fēng)流跡線及降塵效果

工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)流距架間噴霧裝置上風(fēng)側(cè)約300 mm 處遇負(fù)壓噴霧場時(shí)受到一定程度的干擾，距架間噴霧裝置下風(fēng)側(cè)500～700 mm 范圍風(fēng)流跡線發(fā)生明顯偏移，負(fù)壓噴霧場附近風(fēng)速增大且下折，帶動(dòng)煤塵隨風(fēng)流進(jìn)入負(fù)壓噴霧場，煤塵在負(fù)壓噴霧場內(nèi)與水霧碰撞后下沉。

2.2.2 采煤機(jī)外噴霧模擬分析

采用工程類比法及理論分析，結(jié)合8103 綜采工作面MG400/930-QWD 型電牽引采煤機(jī)自身結(jié)構(gòu)及霧化效果，一方面在采煤機(jī)前后滾筒上直接安裝4 個(gè)B2#型噴嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒包圍式噴霧降塵（其中，每個(gè)滾筒等間距布置4 個(gè)噴嘴，呈環(huán)形布置）；另一方面在采煤機(jī)搖臂上直接安裝5 個(gè)B2#型噴嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)搖臂范圍內(nèi)煤墻的噴霧降塵（其中，4 個(gè)噴嘴沿?fù)u臂呈環(huán)形布置，1 個(gè)噴嘴安裝在正中位置）。設(shè)置完成后輸入軟件進(jìn)行運(yùn)算，生成采煤機(jī)外噴霧風(fēng)流霧場模擬圖如圖4。

圖4 采煤機(jī)外噴霧風(fēng)流霧場模擬圖

（1）源頭控制

由圖4 可知，采煤機(jī)外噴霧全部開啟時(shí)，噴霧形成一定范圍的霧場，且完全覆蓋滾筒區(qū)域，阻止?jié)L筒截割煤體時(shí)煤塵的擴(kuò)散，從產(chǎn)塵源頭進(jìn)行有效管控。

（2）風(fēng)流跡線及降塵效果

通過分析圖4 中風(fēng)流跡線可看出，滾筒處較其他區(qū)域煤塵明顯減少，說明霧場具有阻擋風(fēng)流的作用；霧場對(duì)滾筒實(shí)現(xiàn)包圍式噴霧降塵，且達(dá)到最佳降塵效果。

綜上所述，采煤機(jī)外噴霧形成的霧場極大地抑制了煤塵的擴(kuò)散，達(dá)到煤塵進(jìn)入霧場后與霧滴碰撞沉降的目的。

3 噴霧降塵方案及效果

3.1 噴霧降塵方案

基于8103 綜采工作面現(xiàn)場實(shí)際條件，結(jié)合噴霧系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果，采用架間噴霧配合采煤機(jī)外噴霧的綜合降塵方案。

（1）采煤機(jī)外噴霧方案

B2#型噴嘴分別安裝在采煤機(jī)滾筒電機(jī)及搖臂上，噴嘴沿滾筒呈環(huán)形布置，共安設(shè)4 個(gè)，間距一致，且與搖臂水平方向呈-90°～90°，向煤墻側(cè)傾斜25°，實(shí)現(xiàn)均勻、全覆蓋噴射。在采煤機(jī)搖臂安設(shè)5 個(gè)噴嘴，其中，4 個(gè)噴嘴沿?fù)u臂呈環(huán)形布置，與搖臂水平方向呈-120°～120°，1 個(gè)噴嘴安裝在搖臂正中位置。采煤機(jī)噴嘴布置示意圖如圖5。

圖5 采煤機(jī)噴嘴布置示意圖

（2）架間噴霧方案

將負(fù)壓引射噴霧裝置安裝在液壓支架頂梁油缸處，每個(gè)裝置共安裝3 個(gè)B2#型噴嘴，結(jié)合數(shù)值模擬霧化效果，設(shè)置噴嘴與水平方向夾角為77°，每架支架均安裝一個(gè)負(fù)壓引射噴霧裝置，確保工作面全斷面范圍均被噴霧場覆蓋，實(shí)現(xiàn)無死角降塵。

3.2 效果分析

結(jié)合工作面現(xiàn)場實(shí)際條件，共建立10 個(gè)煤塵濃度監(jiān)測點(diǎn)。對(duì)比噴霧降塵系統(tǒng)使用前后呼塵及全塵濃度，計(jì)算呼塵降塵率及全塵降塵率。具體監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 噴霧降塵系統(tǒng)實(shí)施前后粉塵濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)表

對(duì)比表1 中數(shù)據(jù)可知：采用噴霧降塵方案后，10 個(gè)煤塵濃度監(jiān)測點(diǎn)的呼塵濃度減少均在66%以上，其中，采煤機(jī)司機(jī)處降塵率最大，為72.1%。10 個(gè)煤塵濃度監(jiān)測點(diǎn)的全塵濃度減少均在71%以上，其中，采煤機(jī)司機(jī)處降塵率同樣為最大，為77.3%。綜上所述，噴霧降塵系統(tǒng)實(shí)施后，降塵效果顯著。

4 結(jié)論

（1）挖金灣礦根據(jù)8103 綜采工作面實(shí)際條件，結(jié)合液壓支架及采煤機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于B2#型噴嘴為核心的架間負(fù)壓引射噴霧及采煤機(jī)外噴霧降塵系統(tǒng)，負(fù)壓引射噴霧裝置在管口形成負(fù)壓場，利用負(fù)壓場實(shí)現(xiàn)二次降塵，進(jìn)一步凈化風(fēng)流中的粉塵。（2）采用ANSYS 軟件對(duì)霧化降塵系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果指導(dǎo)確定噴霧降塵系統(tǒng)中的噴嘴壓力、霧化角、安裝位置等關(guān)鍵參數(shù)。通過對(duì)比噴霧降塵系統(tǒng)實(shí)施前后粉塵濃度得出，工作面呼塵濃度下降66%以上，全塵濃度下降71%以上。（3）噴霧降塵系統(tǒng)的實(shí)施極大降低了工作面粉塵濃度，優(yōu)化了工作面作業(yè)環(huán)境，且該系統(tǒng)在現(xiàn)場的適用性較強(qiáng)，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。