綜采工作面粉塵防治問題分析與技術改進

游春林

（永煤集團股份有限公司新橋煤礦，河南 永城 476600）

綜采工作面是煤礦粉塵產生的主要來源，常規機載噴霧系統的除塵效果并不理想，本文提出并實施了高壓噴霧防塵系統，提高了除塵效果。

1 工程概況

新橋煤礦現有地質儲量約為14490萬t，可采儲量約為7896萬t，核定生產能力為210萬t/a。新橋煤礦以貧煤和無煙煤為主，屬于高發熱量、高熔灰分、抗碎強度較高、熱穩定性好的優質無煙煤和貧煤。當前，該礦主要開采二2煤層，煤層平均厚度2.87m，屬Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵具有爆炸性，瓦斯等級屬于低瓦斯礦井。

2301綜采工作面的通風系統路線為：副井→南翼軌道運輸大巷→南三采區軌道運輸下山上部車場→南三采區軌道運輸下山→2301綜采工作面上、中順槽車場→2301綜采工作面上、中順槽→2301綜采工作面→2301綜采工作面下順槽→南三采區膠帶運輸下山→南翼膠帶運輸大巷→主井→地面。

2 綜采工作面粉塵防治存在的問題

工作面開采過程中，使用原有機載噴霧裝置降塵存在以下問題：

（1）常規噴嘴霧化程度不高；

（2）噴嘴容易發生堵塞；

（3）噴霧耗水量大，導致煤質含水量超標。

針對上述問題，需要研究改進工作面噴霧降塵系統和設施，提高降塵效率和效果。

3 高壓噴霧除塵機理

高壓噴霧除塵系統主要由高壓水泵、高壓供水管路、水箱、過濾器、噴霧控制系統、液壓支架、高壓噴嘴等組成。高壓噴嘴在高壓力下，能夠使液體被撕裂。液體的表面張力使液體呈現球形，湍流的徑向速度分量作用于液體的表面。一旦外部作用力大于液體的表明張力時，液體就會被撕裂，形成霧狀的小液滴，從而實現高壓噴霧。

圖1 2301綜采工作面通風系統示意圖

4 高壓除塵系統設計及除塵效果

4.1 高壓除塵系統設計

4.1.1 綜采工作面高壓噴霧系統

綜采工作面高壓噴霧系統主要包括高壓水泵、水箱、水質過濾器、噴霧控制系統、發動機、高壓噴嘴等。采煤機高壓噴霧系統通過減壓閥為采煤機發動機供應冷卻水。為了抑制采煤機在移架或者頂煤時產生的粉塵，需要對液壓支架噴霧系統進行優化。

4.1.2 采煤機高壓外噴霧系統設計

傳統意義上的內噴霧系統容易堵塞，影響除塵效果。采用高壓外噴霧系統后，外噴壓力增加，提升了除塵效果，可以關閉內噴霧系統，節約用水。

（1）供水方式

供水方式分為固定泵供水和機載泵供水。其中，固定泵供水是將水泵安裝在巷道中，然后把高壓水送到采煤機上。固定泵供水的弊端是在供水過程中，水管和電纜需要跟隨采煤機移動，增加了水管和電纜的磨損，降低了使用壽命。

本次優化設計中，采用了固定高壓泵供水。將高壓水泵放置在回風巷道中，高壓水泵將蓄水箱中的水過濾后，通過高壓水管將水抽送到采煤機上實現噴霧。

（2）噴嘴的個數和噴霧總流量

噴霧的總用水量決定著噴嘴的個數和噴霧總流量，噴水量的多少直接決定著煤的含水量，通常耗水量為20～40L/t。結合工作面實際情況，決定將噴水用量控制在30L/t。2301綜采工作面采高H為2.5m，截深為0.6m，牽引速度為5.0m/min，原煤密度為 1.5t/m3。

采煤機的生產能力為：2.5×0.6×5.0×1.5=11.25（t/min）。

總供水量為：11.25×30=337.5（L/min）。

采煤機的冷卻水量為：90L/min。

因此高壓噴霧的用水量為：337.5-90=247.5（L/min）。

經過計算需要10個1.2mm的噴嘴，8個1.5mm的噴嘴，采煤機的實際設計用水量為270L/min。因此，經過高壓噴霧后煤的含水量約增加了0.27/1.5×100%=1.8%。該值符合煤的標準含水量要求。

4.1.3 噴嘴類型及噴霧壓力

在本次設計中，選用了1.2mm和1.5mm的高壓錐形引射噴嘴和高壓扇形引射噴嘴，噴嘴的材質均為不銹鋼。結合礦井的實際情況，決定設定高壓外噴霧壓力為10MPa。

噴嘴的布置主要分為內側和外側兩種形式，見圖2所示。

圖2 噴嘴的布置方式

圖2（a）是噴嘴布置在采煤機的內側，內側的噴嘴主要負責對采煤機的兩個滾筒進行除塵。圖2（a）是噴嘴布置在采煤機的外側，負責對采煤機的滾筒割煤截齒處降塵。內側的布置方式噴霧距離短，除塵效果優于外側的布置方式。但是，外側的布置方式更有利于噴嘴的維護保養。

在本次設計中，決定在采煤機的外側安裝1對高壓噴霧架，安裝位置距離滾筒約1m左右，并且噴嘴需要對準滾筒，長度應與搖臂大致相等。這種布置方式，既能夠縮短噴霧距離，同時也保護了噴嘴，避免了落煤砸到噴嘴，有利于噴嘴的日常維護。總共布置了前后2個噴霧架，并且每個噴霧架分別設置了徑向和縱向兩種方向的噴嘴。

前噴霧架設置了5個徑 向噴嘴、7個縱向噴嘴。在噴霧架中間一共布置了5個1.2mm的錐形引射噴嘴，方向分別對準滾筒的上、下、左、右、中5個方向，并且設置噴嘴的擴散角α，度數范圍為55°<α<65°。這5個噴嘴能夠確保采煤機的搖臂不管處于什么角度都能夠全方位覆蓋滾筒，有效降低滾筒的粉塵。

在綜采工作面的采煤機下風口，粉塵的產生量最大。因此，在此次方案設計中，布置了7個1.5mm的扇形引射噴嘴，將噴嘴的擴散角設置為40°～45°，這種噴嘴的射程超過6m。這7個扇形引射噴嘴能夠形成一道縱向的噴霧屏障，以平面的形式降低粉塵。

4.1.4 液壓支架高壓噴霧系統設計

（1）噴霧總流量以及噴嘴數目

在方案設計中，使用了4個1.2mm的錐形引射噴嘴和2個1.5mm的扇形引射噴嘴，噴霧總流量約為65L/min。這個噴霧總流量并不會影響煤的質量，噴霧壓力設置為10MPa。

（2）噴嘴的布置

液壓支架上噴嘴的布置主要分為前探梁噴嘴、頂梁噴嘴、掩護梁噴嘴。前探梁噴嘴和放煤噴嘴是為了減少移架和放頂時產生的粉塵，頂梁噴嘴和掩護梁噴嘴能夠濕潤頂煤。噴嘴的具體布置位置如圖3所示。

圖3 液壓支架4個噴嘴的布置圖

前探梁內側布置兩個1.2mm的錐形引射噴嘴，分別位于左右兩側，將噴嘴的擴散角設置為65°～80°，射程超過3m。這兩個噴嘴的噴霧方向與地面所呈的角度為60°，形成的霧屏能夠捕捉到頂梁的粉塵。

在頂梁的左右兩側分別布置2個1.5mm的扇形引射噴嘴，擴散角與前探梁擴散角相同，噴霧射程超過5m，能夠起到降塵、引射風流的作用。

回風巷高壓噴霧系統設計需要布置4個1.2mm的錐形引射噴嘴，擴散角與上面相同，并且將噴霧壓力設置為10MPa，有效射程超過5m。

4.2 粉塵防治效果分析

通過試驗對使用原有機載噴霧系統和高壓噴霧降塵系統的除塵效果進行數據采集和對比分析，如表1和圖4、圖5所示。

表1 原有機載噴霧和高壓噴霧粉塵數據對比

圖4 割煤時全塵濃度與距離司機的距離關系圖

圖5 割煤時呼吸粉塵濃度與距離司機距離的關系圖

數據研究顯示，粉塵的分布規律為在距離司機位置5～10m處濃度最大，之后會逐漸減小，變化幅度越來越小，最后趨于穩定。通過上面的數據圖分析可見，使用高壓噴霧系統之后，除塵效果十分明顯，能夠有效改善綜采工作面的作業環境。

5 結束語

（1）本文分析了原有機載噴霧系統存在的問題，根據高壓噴霧降塵的基本原理，改進設計了高壓噴霧降塵系統。分別選用了1.2mm的錐形引射噴嘴和1.5mm的扇形引射噴嘴對噴嘴進行優化，并且通過合理布置噴嘴的位置，將噴水壓力設置為10MPa，不僅提高了射程，優化了除塵效果，而且節約了噴霧用水量。

（2）通過對原有機載噴霧系統和高壓噴霧系統的除塵數據對比，可以看出改進后的高壓噴霧系統除塵效果大大優于原機載噴霧系統的除塵效果。