綜采工作面采場噴霧降塵系統優化與實踐

郭明信

（平頂山天安煤業股份有限公司六礦 河南平頂山 467000）

引言

在煤炭開采過程中會產生大量的粉塵，尤其隨著綜采設備的應用，開采強度和開采能力得到大幅度提升，工作面產塵量也相應增加[1-2]。綜采工作面粉塵危害主要表現在威脅職工身體健康、造成設備磨損、降低工作場所可視度差等，此外，粉塵在一定的條件下會發生連續性爆炸，粉塵爆炸的后果往往會造成設備損壞和人員傷亡[3]。為了降低綜采工作面粉塵濃度，現場多采用通風降塵、噴霧降塵、煤層注水減塵等治理粉塵措施，但是受井下特殊環境的限制，減塵和降塵效果并不明顯。鑒于此，決定對綜采工作面常規噴霧降塵系統進行優化以期達到粉塵治理的目的，實驗場所選在平煤股份六礦丁5、6-22240工作面。

1 工作面產塵分析

根據塵源來說，工作面粉塵主要來自于割煤和拉移支架。在采煤機割煤時，截齒給予煤體一定的應力，煤體在接受應力作用過程中集聚有大量彈性能，在煤體受應力破壞時彈性能釋放，煤體遭到破壞，且同時煤體內部存在大量的裂隙，煤體受截齒應力作用，裂隙進一步發育，同時煤體內部彈性能突然釋放，在該過程中產生大量的煤塵，且隨著采煤機截強度度的增加，煤體塊度會進一步降低，粉塵量則相應增加。在回采過程中，上部一定深度的煤巖體已經遭到破壞，支架的升降和拉移會進一步造成這部份煤巖體破壞，煤炭體破壞過程中產生大量的粉塵。另外，在支架升降和拉移過程中，支架后方冒漏的煤巖體碎屑會竄入采場，造成采場粉塵量增加，尤其對于頂板條件較差、頂板巖體強度較低的工作面而言，拉移支架產生的煤塵量可達工作面粉塵總量的40%。

2 噴霧降塵影響因素

噴霧降塵研究認為，噴霧降塵是通過噴霧降塵裝置噴出的水霧粒子與粉塵粒子相遇后因凝結而實現粉塵采沉降的過程，而噴霧降塵效果是由水霧粒子與粉塵粒子凝結效率決定。噴霧降塵主要是通過噴霧裝置產生的水霧粒子與粉塵產生碰撞和攔截實現粉塵降落，實踐研究表明，噴霧降塵影響因素主要有水量水質、粉塵粒度、噴霧粒度、噴嘴孔徑等。

2.1 水量、水質影響

理論上認為，噴霧流量能夠反映單位時間內霧粒水量，當流量增加后，噴霧產生的霧粒與粉塵發生接觸碰撞的概率也大大提高，霧粒捕塵效率也相應提高。水質對噴霧的影響主要表現在噴霧裝置噴嘴的堵塞，水體含雜質較多容易堵塞噴嘴。

2.2 噴霧粒度和粉塵粒度影響

噴霧降塵是通過霧粒與粉塵凝結而實現降塵，實踐表明，隨著噴霧粒徑在一定范圍內的逐漸降低，霧粒在空氣中的分散均勻性越好，與粉塵接觸發生碰撞的機會越多，噴霧效果越來越好，當噴霧粒徑過小時，在沉降過程中易發生蒸發，無法實現噴霧降塵效果；粉塵粒徑越大越有利與降塵，其中粉塵粒徑超過2μm時采用噴霧降塵，降塵率可達95%以上，粉塵粒徑超過1μm時，降塵率可達85%以上，而當粉塵粒徑低于0.5μm時，降塵率急劇降低，不足20%。

2.3 噴霧噴嘴孔徑

資料顯示，在噴霧壓力一定的條件下，隨著噴霧噴嘴孔徑的不斷增加，噴霧耗水量逐漸加大，全塵降塵效率逐漸提高，而呼吸性粉塵降塵效率呈現先提高而后降低的趨勢，且在噴嘴孔徑為1.5mm時呼吸性粉塵降塵率最好。

3 工作面噴霧降塵系統優化

3.1 采煤機噴霧優化

實踐表明，采煤機內噴霧在滾筒長期割煤過程中易出現堵塞和損壞，采煤機運行一段時間后往往將內噴霧廢置不用，外噴霧噴射范圍有限。為了提高采場噴霧效果，決定對采煤機噴霧基于“先隔塵后降塵”的原則進行改造，即先通過隔塵噴嘴將采煤機滾筒附近粉塵包裹起來，然后利用降塵噴嘴進行噴射降塵。根據丁5、6-22240工作面所用采煤機型號，設計的采煤機隔塵降塵噴霧裝置共布置有2個隔塵噴嘴和3個降塵噴嘴，隔塵降塵噴霧裝置安裝在采煤機搖臂末端。通過調整噴嘴孔徑、角度和水壓來滿足隔塵噴嘴噴霧能夠覆蓋整個滾筒附近達到降塵的目的，通過多次現場試驗，最終確定噴嘴孔徑d=2mm，噴霧壓力為3～5MPa。采煤機隔塵降塵噴霧裝置安設見圖1所示。

圖1 丁5、6-22240工作面采煤機隔塵降塵噴霧裝置安設示意圖

3.2 支架架間噴霧優化

丁5、6-22240工作面原支架架間噴霧采用的是支架上安設一路Φ25mm的高壓膠管作為主主供水管，然后在采面每隔10架引出一路Φ10mm的高壓膠管連接噴霧桿，每個噴霧桿上安設4-6個噴嘴，噴霧開啟后呈扇形狀，噴霧開啟方式為人工開啟。由于受人為因素的制約，架間噴霧開啟往往不及時甚至出現開車不開噴霧的現象，現場監管難度較大。為了避免該現象，在丁5、6-22240工作面引進了一套自動噴霧裝置。該自動噴霧裝置由電磁閥、集控器、通訊電纜、噴霧管、噴嘴、紅外發射器和紅外接收器等，其中紅外發射器安設在采煤機機身上，紅外接收器安設在支架上。自動噴霧裝置工作原理是：采煤機機身上紅外發射器始終發射信號，當采煤機運行至安設有紅外接收器的支架處時，紅外接收器接收信號，電磁閥啟動，噴霧裝置開始噴霧，噴霧延續時長設定位30s，當采煤機繼續運行，運行到下一個安設有紅外接收器的支架處時開啟噴霧，如此循環。六礦丁5、6-22240工作面架間自動噴霧系統見圖2所示。

圖2 丁5、6-22240工作面工作面架間自動噴霧系統示意圖

3.3 降塵效果分析

現場觀測顯示，工作面粉塵濃度分布隨風流變化而變化，其中距離采煤機司機處10m范圍內最大，超出10m范圍后逐漸減小直至趨于穩定。為了掌握丁5、6-22240工作面采場噴霧系統優化后降塵效果，進行了為期1月的現場粉塵監測，結果顯示：應用架間自動噴霧后，采煤機割煤處全塵濃度由659.7mg/m3降低至62.2 mg/m3，降塵效率達 90.6%，呼吸性粉塵濃度由原來的586.4 mg/m3降低到35.8 mg/m3，降塵效率達 93.9%；整個工作面的全塵降塵率在76.5%～90.6%，呼吸性粉塵降塵率在81.1%～93.9%。由此說明，通過對丁5、6-22240工作面采場噴霧系統優化后，工作面采場粉塵降塵明顯，達到了預期降塵效果。

結語

在分析丁5、6-22240工作面產塵機理和影響噴霧降塵因素的基礎上，通過隔塵降塵采煤機噴霧和架間自動噴霧裝置的應用，優化了丁5、6-22240工作面采場噴霧系統。噴霧系統優化后，工作面粉塵得到有效控制，相比于未優化前采場全塵和呼塵濃度分別降低了76.5%～90.6%和81.1%～93.9%，工作面環境得到了大幅度改善。