大斷面煤巷綜掘機高壓外噴霧降塵技術研究

高衛彬

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司賀西煤礦，山西 柳林 033300）

引言

隨著礦井綜合機械化、自動化技術的不斷提升，綜掘設備在煤礦井下應用逐漸普遍。綜掘機在掘進過程中截割頭不停地破煤巖，導致掘進迎頭粉塵產生量較大[1-2]。雖然綜掘機隨機配備有噴霧除塵裝置，但是由于噴霧壓力以及噴霧量較小，掘進迎頭粉塵量較高[3-4]。噴霧降塵是最為有效、便捷的除塵方式，為此文中提出在綜掘機上增加布置高壓外噴霧裝置降低掘進迎頭粉塵產生量。

1 賀西煤礦工程概況

山西某礦現開采的5號煤層厚度6.5 m、埋深350 m，瓦斯含量平均3.8 m3/t，開采的煤層瓦斯含量較低。現階段礦井回采巷道多采用綜掘方式，巷道設計斷面面積為24 m2（巷寬×巷高=6.0 m×4.0 m），巷道掘進進尺約為18～20 m/d，迎頭供風量約420 m3/min。受到5號煤層原始含水率較低（含水率為0.75%）影響，掘進迎頭全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別為450 mg/m3、160 mg/m3。因此，需要對掘進機噴霧系統進行改進。

2 礦井綜掘煤巷產塵特點分析

由于礦井掘進的煤巷斷面大，巷道掘進對圍巖擾動較為明顯，從而導致掘進迎頭前方煤巖體較為破碎。在正常掘進過程中綜掘機截割破煤時較一般的小斷面綜掘巷道產生更多的粉塵，同時大斷面綜掘煤巷與小斷面煤巷粉塵產生特點及運移規律也有一定差異。在對礦井掘進煤層物理力學性質以及掘進迎頭粉塵含量分布測試分析基礎上，結合掘進過程中圍巖應力變化特征，總結得到大斷面綜掘煤巷粉塵產生具有下述特點[5-7]：

1）產塵強度大、粉塵濃度高。通過現場測試發現大斷面煤巷掘進時產塵強度可達到35.78 mg/s，綜掘司機位置全塵、呼吸性粉塵質量濃度最大可達2 215 mg/m3、518 mg/m3。大斷面綜掘巷道迎頭產塵強度及粉塵產生較礦井其他的小斷面綜掘工作面高13%左右。

2）煤塊垮落產塵嚴重。由于掘進巷道高達4 m，綜掘機在截割巷道頂部煤層時，破碎的煤塊從4 m高度掉落時會產生大量的粉塵。加之掘進迎頭供風量較大，粉塵隨著風流擴散。現場實測發現垮落粉塵產生量可占據到綜掘機割煤時粉塵產生量的60%左右。

3）呼吸性粉塵占比高。現場對掘進迎頭粉塵占比實測分析發現，大斷面綜掘煤巷呼吸性粉塵濃度占比較高，實測可達31.5%，礦井其他小斷面綜掘工作面呼吸性粉塵占比平均為26.9%。

3 高壓外噴霧系統結構

根據前文分析結果得出，大斷面綜掘煤巷粉塵主要來自于綜掘機截割破煤以及截割頂煤時破碎煤體垮落產生的粉塵。在對綜掘機噴霧降塵技術分析基礎上，提出在綜掘機搖臂上增加布置噴霧除塵裝置，從而降低綜掘機破巖以及巷道頂煤掉落時粉塵產生量。在綜掘機搖臂上、中、下三個位置均布置外噴霧除塵裝置，從而實現掘進斷面全覆噴霧降塵。具體綜掘機搖臂上布置的外噴霧裝置結構見下頁圖1。

根據相關研究成果并結合搖臂外噴霧裝置需要，外噴霧裝置采用的噴嘴型號為G型，具體G型噴嘴在不同壓力下的噴嘴性能測試結果見下頁表1。

從表中看出，外噴霧裝置供水壓力在4～6 MPa時噴霧有效射程可達到2.5～3.2 m、引射風量達到10.09～16.57 m3/min、用水量介于16.09～18.37 L/min，噴霧效果較為顯著。

4 高壓外噴霧系統現場應用

4.1 噴霧壓力優選

圖1 搖臂上布置的外噴霧裝置結構示意圖

表1 外噴霧裝置噴嘴（G型）性能參數

在礦井5807運輸巷綜掘機懸臂上裝置外噴霧裝置，并通過高壓管路（Φ25 mm）為外噴霧裝置提供高壓水，供水壓力可通過調節泵站調整，具體現場高壓外噴霧裝置布置情況見圖2。在綜掘機上安裝型號BPW80/16泵為外噴霧裝置供水。為了確定最佳噴霧壓力，現場調節水泵水壓（2～8 MPa）,依據綜掘司機位置粉塵濃度來確定最佳噴霧壓力。具體不同噴霧壓力綜掘司機位置粉塵濃度測試結果見表2。

圖2 現場高壓外噴霧裝置布置情況

從現場測試結果（見表2）看出，當噴霧壓力為6 MPa時，綜掘司機、綜掘機后方10 m位置處全塵降塵率分別為81.2%、72.2%；而當噴霧壓力提升至8 MPa時綜掘司機、綜掘機后方10 m位置處全塵降塵率分別增加至82.3%、76.7%，增加量分別為2.1%、4.5%，增加效果不顯著。為此，將綜掘機外噴霧裝置噴霧壓力確定為6 MPa。

表2 現場測試結果

4.2 現場應用效果

在綜掘機上機載的高壓泵供水壓力設定為6 MPa、噴霧流量確定為50 L/min，為了避免高壓管路堵篩，在高壓泵以及噴霧裝置前分別安裝型號GCQ-12、GCQ-13的過濾器。現場應用后，采用綜掘機隨機噴霧以及高壓外噴霧裝置后，綜掘司機位置全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別降低至557 mg/m3、159 mg/m3。后配合采用長壓短抽除塵方式可將綜掘司機位置全塵、呼吸性粉塵質量濃度降低至160 mg/m3、53 mg/m3，粉塵治理取得顯著效果。