綜采工作面采煤機高壓噴霧降塵技術(shù)研究

范少峰

（山西離柳焦煤集團兌鎮(zhèn)煤礦，山西 孝義 032300）

引言

綜采工藝是煤礦井下主要開采方式，隨著采面推進速度增加，煤炭產(chǎn)量明顯增大，但是也存在作業(yè)面內(nèi)粉塵濃度高問題，惡化井下作業(yè)環(huán)境并威脅采煤人員身體健康[1-3]。煤礦井下常用降塵技術(shù)包括噴霧降塵、煤層注水等，其中采煤機高壓噴霧具有除塵效果好、便于操作等優(yōu)點，是綜采工作面最為基礎(chǔ)的降塵措施[4-5]。但是現(xiàn)場應(yīng)用過程中受到作業(yè)面環(huán)境惡劣，采煤機高壓噴霧射程近、噴霧覆蓋范圍及噴霧量小等因素影響，面臨噴霧降塵效果不佳問題[6-8]。文中就以山西某礦91105綜采工作面粉塵治理為背景，對采煤機高壓噴霧降塵技術(shù)進行探討，以期能在一定程度上改善綜采工作面環(huán)境質(zhì)量、提高粉塵治理效果。

1 91105工作面概況

91105綜采工作面回采11號煤層，煤層埋深650 m，具有突出危險性。11號煤層厚度均值3.5 m，傾角6°，頂?shù)装逡阅鄮r、碳質(zhì)泥巖以及粉砂巖為主，煤層原始瓦斯含量9.5 m3/t。采面回采前在回采巷道內(nèi)間隔5 m布置本煤層瓦斯鉆孔進行瓦斯預(yù)抽。采面使用的采煤機型號為SL900，截割進尺900 mm，驅(qū)動電機功率2 200 kW。11號煤層原始含水率較低加之本煤層瓦斯抽采影響，煤層含水率進一步降低，采煤機割煤期間粉塵產(chǎn)生量較高。現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，采面呼吸性粉塵以及全塵濃度最高分別可達220～480 mg/m3、950～2 260 mg/m3，粉塵濃度高、治理難度大。

在生產(chǎn)過程中，受到采煤機機載噴霧系統(tǒng)噴嘴類型以及噴霧壓力不合理等因素影響，采煤機高壓噴霧效果不佳。

2 粉塵治理技術(shù)研究

2.1 粉塵治理思路

91105綜采工作面粉塵產(chǎn)生量較大，采煤機割煤以及液壓支架移架是主要的粉塵來源，液壓支架上布置有噴霧系統(tǒng)，可降低移架噴霧量，因此降低采煤機割煤期間粉塵外溢量是降低采面粉塵濃度的關(guān)鍵。依據(jù)工作面現(xiàn)場特點，提出采用射程遠、噴霧量大、霧化效果好以及覆蓋范圍大的噴霧進行降塵，并確定合理噴霧壓力，提高噴霧效果。將高壓噴霧系統(tǒng)、塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成覆蓋采煤機產(chǎn)塵點的噴霧屏障，降低采煤機割煤期間粉塵外溢量，改善工作面環(huán)境。

2.2 高壓噴霧降塵

91105綜采工作面SL900原有的高壓噴霧降塵系統(tǒng)由于噴霧壓力小、水質(zhì)差以及噴嘴選型不合理等因素影響，存在噴嘴霧化效果不佳、粉塵治理效果差等問題。為此，采用機載高壓外噴霧系統(tǒng)實現(xiàn)采煤機粉塵產(chǎn)生點全覆蓋降塵。采煤機割煤時，高壓噴霧系統(tǒng)可實現(xiàn)粉塵點全覆蓋并及時浸潤粉塵，從而抑制粉塵外溢。

噴霧采用變頻控制高壓泵，供水壓力0～15 MPa，同時通過新型可拆卸噴嘴噴霧的霧滴粒徑控制在30～150 μm，可實現(xiàn)割煤滾筒全覆蓋且抗風(fēng)能力強。當(dāng)使用過程中某個噴嘴堵塞時通過拆卸即可快速清理噴嘴內(nèi)雜物，從而降低噴嘴堵塞對噴霧降塵效果影響。具體采用的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴嘴內(nèi)部旋流芯設(shè)計為旋流槽形式，可增加噴霧霧化效果；中心孔可增大噴霧覆蓋范圍。

圖1 新型可拆卸噴嘴示意圖

在91105綜采工作面粉塵密度平均約為1.4 g/cm3，水霧半徑平均90 μm，噴霧系數(shù)為3，根據(jù)相關(guān)計算公式求得噴霧流量約為123 L/min。為確保采煤機高壓噴霧效果，選擇采用直徑1.5 mm噴嘴。采煤機上風(fēng)口、下風(fēng)口以及機身上各個角度分別布置噴嘴6個、10個、10個，噴霧流量分別為42 L/min、70 L/min、70 L/min，布置的26個噴嘴可實現(xiàn)全覆蓋噴霧降塵，噴霧總流量為182 L/min＞123 L/min，表明整個高壓噴霧系統(tǒng)噴霧流量可滿足降塵需要。

2.3 塵源跟蹤噴霧降塵

2.3.1 現(xiàn)場布置

采煤機割煤過程中產(chǎn)生大量粉塵，采用高壓噴霧降塵后仍會有粉塵外溢擴展至回采空間，為此采用塵源跟蹤降塵技術(shù)對進行全覆蓋降塵，具體如圖2所示。在采面液壓支架上布置紅外傳感器，可實現(xiàn)采煤機位置跟蹤，液壓支架上噴霧系統(tǒng)會隨著采煤機推移而移動，實現(xiàn)采煤機生產(chǎn)范圍圈覆蓋降塵，進一步降塵粉塵外溢量；同時為降低噴霧對底板影響，在與采煤機相距2架以上距離時液壓支架上噴霧系統(tǒng)會自動停止噴霧。

圖2 塵源跟蹤噴霧降塵布置示意圖

2.3.2 噴嘴類型確定

在91105綜采工作面生產(chǎn)時風(fēng)速為1.0～1.5 m/s，噴嘴與采煤機間距為2.5 m，采煤機割煤通過機載高壓噴霧系統(tǒng)可捕獲大量粉塵，僅有少許粉塵外溢，因此對塵源跟蹤降塵系統(tǒng)噴嘴工作性能要求相對較低。為合理確定噴嘴性能，對1.5 m/s風(fēng)速下不同噴嘴射程隨噴霧壓力變化進行統(tǒng)計，具體如圖3所示。

圖3 噴嘴噴霧射程隨噴霧壓力變化曲線

從圖3看出，隨著噴霧壓力增加噴嘴噴霧射程均有所增大，當(dāng)噴霧壓力為12 MPa時，試驗采用的SB203、SS3007以及PZ2有效射程均可超過2.5 m，僅GA201噴嘴射程在2.3 m。在噴霧降塵時噴嘴噴霧覆蓋范圍不應(yīng)小于滾筒割煤產(chǎn)塵范圍，采用的SL900采煤機滾筒直徑2.2 m、割煤產(chǎn)塵范圍3.8 m2，具體SB203、SS3007以及PZ2噴嘴噴霧有效覆蓋范圍試驗結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1結(jié)果并結(jié)合采煤機割煤產(chǎn)塵范圍，若塵源跟蹤噴霧實現(xiàn)產(chǎn)塵范圍圈覆蓋，則需要的噴嘴數(shù)及噴霧流量計算結(jié)果如表2所示。

表1 不同噴嘴流量及覆蓋面積

表2 塵源跟蹤噴霧降塵需要噴嘴流量及噴嘴數(shù)

結(jié)合表1、表2數(shù)據(jù)，在滿足噴霧降塵需要、減少噴霧用水需要時，將噴霧壓力設(shè)定為12 MPa，噴嘴類型選擇PZ2型。

3 現(xiàn)場粉塵治理效果分析

在91105綜采工作面采用采煤機高壓外噴霧降塵以及塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)后，可實現(xiàn)采煤機割煤產(chǎn)塵點全覆蓋。對使用前后采面各位置粉塵濃度情況進行測定，具體結(jié)果見表3。

表3 粉塵治理效果

從表3中看出，高壓噴霧降塵技術(shù)應(yīng)用后，采煤機司機處、下風(fēng)側(cè)10 m處位置全塵以及呼吸性粉塵降低幅度分別超過89%、90%，取得顯著的降塵效果。

4 結(jié)語

1）在采煤機高壓外噴霧系統(tǒng)中通過采用新型可拆卸噴嘴、合理確定噴霧壓力及流量等，可實現(xiàn)采煤機割煤產(chǎn)塵點全覆蓋，并提高霧化效果及抗風(fēng)能力，降低采煤機割煤粉塵外溢量。

2）使用粉塵跟蹤噴霧降塵技術(shù)可捕獲采煤機割煤外溢粉塵，進一步降低回采空間粉塵濃度。依據(jù)91105綜采工作面現(xiàn)場情況，確定噴嘴類型為PZ2、噴霧壓力12 MPa。

3）現(xiàn)場應(yīng)用后，采煤機實際位置以及下風(fēng)側(cè)10 m位置處粉塵濃度均明顯降低，取得較為顯著粉塵治理效果。