綜采工作面新型風助噴霧降塵裝置研制及應用

杜永星

（山西保利平山煤業股份有限公司，山西 晉城 048000）

1 引言

綜采工作面粉塵的防治一直以來是煤礦安全生產管理工作中面臨的難題，如何有效降塵成為當務之急[1]。目前，普遍采用的降塵措施包括煤層注水、加強通風管理、噴霧降塵等[2]。其中噴霧降塵主要是利用安裝于綜采面中支架、采煤機和轉載點等處的噴霧降塵裝置進行粉塵防治。深入研究工作面降塵裝置，提高降塵效率對于安全生產具有重要意義[3]。

本文針對平山煤礦31016 工作面粉塵濃度超標問題，提出在現有噴霧降塵技術基礎上，結合霧場分布特性，研發出液壓支架風力負壓噴霧降塵裝置和采煤機濕式噴霧降塵器，不僅增強了噴霧效果，而且噴霧產生的霧場對于采煤機滾筒產塵源能夠進行有效的包裹，抑制粉塵擴散[4-5]。

2 新型噴霧裝置機理及與原噴霧裝置對比分析

新型噴霧裝置主要由液壓支架風力負壓噴霧降塵裝置和采煤機濕式噴霧降塵器組成，通過增加噴霧濃度，擴大噴霧范圍，利用負壓引射吸塵，在高速風流的運載下，增加霧滴碰撞以提高攔截粉塵的概率，有效捕集粉塵，降低工作面粉塵濃度。

2.1 液壓支架風力負壓噴霧降塵裝置研制及與原結構對比分析

在綜采工作面中，液壓支架噴霧的目的在于降低產塵源處粉塵濃度和阻止粉塵擴散，而平山煤礦31016 工作面風速較大，原有噴霧裝置產生的霧場容易被吹散，導致噴霧有效覆蓋范圍較小。

對此，增加了負壓引射裝置，即在原噴霧管上加裝不銹鋼外殼，前面為噴霧口，后面為吸風口，在吸風口處安裝帶有葉輪的微型氣動馬達構成負壓吸風系統。于噴霧口處分別安裝與噴霧桿呈15°、45°、75°的圓口含X 形導流芯實心圓錐形的噴嘴，此噴霧具有流量小、噴霧效果好的特性，能夠形成覆蓋煤壁至支架立柱間的全斷面噴霧場，氣動馬達產生的負壓氣流能夠將粉塵通過吸風口卷吸進入，進而通過噴霧場捕集沉降，同時馬達能夠產生與噴霧方向相同的高速氣流，進一步促使噴霧場向滾筒處擴散。裝置安裝于液壓支架頂梁油缸處，每隔一臺支架進行布置。裝置結構如圖1。

圖1 液壓支架風力負壓噴霧裝置

馬達為防爆型馬達，結構簡單，輸出功率較高，在0.1～0.4 MPa 氣壓下能夠正常運行，提供持續穩定的風流。

2.2 采煤機濕式風助降塵裝置研制及與原結構對比分析

采煤機噴霧對于工作面降塵起到關鍵性作用，目的在于降低產塵源處粉塵濃度，而原裝置的噴霧系統由于綜采面風速較大，滾筒產塵量較多，難以有效覆蓋滾筒產塵源，使得降塵效果并不明顯。若單純增加噴霧裝置，導致噴霧量增大，會出現打濕工作人員衣物以及工作面積水等問題。

在不增加噴霧量的前提下，為了克服風阻以及噴霧范圍無法有效覆蓋等問題，設計了濕式風助噴霧裝置。在直徑為350 mm 的不銹鋼圓桶外殼內安置一個小功率防爆防水電機，電機連接風葉，在出風口處均勻布置8 個圓口含X 形導流芯實心圓錐形噴嘴，底部安裝有固定底座，葉輪前布置若干排水孔，防止積水影響電機。該裝置工作時，開啟噴霧裝置和電機，噴霧在電機高速風流的帶動下，霧場擴散，有效覆蓋采煤機滾筒處產塵點，并且霧場對于外界風流的抗干擾能力較強。如圖2。

圖2 采煤機濕式風助降塵裝置

3 新型降塵裝置噴霧數值模擬

利用Fluent 軟件進行模擬，其中將31016 綜采工作面模型計算區域中的風流看做連續相介質，巷道內風速設置為1.2 m/s，空氣密度1.23 kg/m3，取六個點A1～F1 進行噴霧濃度的測試，并將其平均值作為滾筒處噴霧場的噴霧濃度，如圖3。

圖3 噴霧場霧滴分布范圍

新型降塵裝置噴霧壓力和氣壓對噴霧效果的影響。在未開啟馬達和電機時，將支架和采機噴霧壓力分別設置為4 MPa、6 MPa 和8 MPa 進行模擬，不同壓力條件下霧場分布和截面云圖模擬如圖4。

圖4 不同壓力條件下霧場分布截面云圖

從模擬圖4 可以看出，當噴霧壓力分別設置為4 MPa、6 MPa 和8 MPa 時，霧滴平均濃度分別為1120 mg/m3、1340 mg/m3和2300 mg/m3，說明噴霧壓力越高，噴霧效果越好，噴霧場此時能夠較好地覆蓋從煤壁至立柱的空間范圍，但對于滾筒處卻無法有效覆蓋。

在噴霧效果最佳時，即噴霧壓力為8 MPa 的前提下，開啟馬達和電機，氣壓分別設置三個不同參數，依次為0.6 MPa、0.8 MPa 和1.0 MPa 進行效果模擬，如圖5。

從圖5 可以看出，在噴霧壓力為8 MPa 時，氣壓越大，霧場分布范圍越廣，對于滾筒產塵源處的覆蓋越有效。當P氣=1.0 MPa 時，85%噴霧場區域噴霧濃度在10 000 mg/m3以上，較之前未開啟馬達和電機時，噴霧效果明顯增強。這是由于霧場霧滴在風流作用下進行了有效擴散，能夠較好覆蓋采煤機滾筒產塵源處的區域。

圖5 噴霧壓力相同條件下，不同氣壓下霧場分布云圖

4 現場應用及降塵效果分析

對平山煤礦31016 工作面運用新型風助噴霧裝置進行降塵試驗，液壓支架噴霧裝置和采煤機噴霧裝置的噴霧壓力均設置為8 MPa，氣壓均為1.0 MPa，分別對采煤機司機處、移架工處、轉載機處和回風巷20 m 處進行粉塵濃度測定，見表1。

表1 運用新型降塵裝置測定粉塵降塵率

5 結論

新型噴霧降塵裝置是液壓支架風力負壓噴霧降塵裝置和采煤機濕式風助降塵裝置的有效組合，通過數值模擬以及現場應用進行了全面分析和研究，主要結論如下：

（1）新型降塵裝置通過模擬不同噴霧壓力以及氣壓的條件下，確定最優參數，并且保證在不增加噴霧量的前提下，通過增加霧場霧滴濃度和擴大霧場分布范圍進行有效降塵。

（2）通過現場應用，可以看出在開啟新型噴霧裝置后，四個測塵點的全塵降塵率和呼塵降塵率相比未開啟前，平均降幅超過85%，說明降塵效果顯著。