采煤機高壓外置噴霧降塵系統的設計與應用

楊 君高級工程師

(國家能源集團神東煤炭公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

隨著煤礦開采技術的發展，大功率采煤機的應用大大提高綜采工作面的回采速度，但同時工作面產生的粉塵隨之增加，采煤機割煤時產生的粉塵占整個工作面總粉塵含量的60%左右，而其產生的粉塵濃度高達2 000～5 000mg/m。如果不采取有效的降塵措施，煤礦內會飄浮大量粉塵，不僅對井下作業人員的健康造成危害，還給煤礦的安全生產帶來嚴重隱患。高壓噴霧是控制綜采工作面粉塵污染的有效技術，但是由于現有調壓噴霧降塵系統現場降塵效果不理想，因此本文將結合國家能源集團神東煤炭分公司保德煤礦綜采工作面煤層的實際條件，研制一套GPW/75綜采工作面高壓外置噴霧降塵系統，以提高降塵效果。

1 綜采工作面降塵現狀

1.1 國內常見降塵措施及存在的問題

目前我國綜采工作面防塵降塵主要采用煤層注水預濕煤體降塵、傳統通風排塵和噴霧灑水降塵等措施。由于除塵技術落后和管理不到位等多方面原因，礦井粉塵濃度不能有效降低，導致井下空氣污染嚴重，作業現場能見度較低。近幾年我國采煤機降塵措施主要使用噴霧降塵，即在采煤機外布置噴霧噴嘴，同時在滾筒外布置內噴霧噴嘴，實現內外噴霧聯合作業降塵。但是，目前生產的采煤機內外噴霧系統，現場使用效果不理想，主要原因有：噴霧噴嘴在滾筒截割時部分或全部埋進煤中，噴出的射流不能形成霧化，甚至噴嘴被煤塵堵塞，無法完成降塵作業；系統采用的噴嘴均設置為逆風流噴霧，水霧不能充分到達產塵區；噴嘴前水壓較低，噴射距離太近，霧化效果較差。綜上所述，由于采煤機內外噴霧噴嘴的包攏角度和霧化效果設置不理想，使得無法有效降低粉塵濃度。

1.2 工程概況

國家能源集團神東煤炭公司保德煤礦現開采的8#煤層為中灰煤、高揮發、特低硫份為主的富油氣煤。根據煤科集團沈陽研究院有限公司2018年8月10日出具的報告，保德煤礦8#煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層。保德煤礦使用采煤機滾筒直徑2.5m，工作面長度240m。

1.3 礦井粉塵分布規律

采煤機作業時現場粉塵濃度經檢測，得出如下結論：采煤機割煤時，無論是順風割煤還是逆風割煤，沿程巷道內粉塵濃度最大值均出現在采煤機滾筒附近，而且割煤期間工作面的粉塵濃度最高達到5 000mg/m。當雙滾筒采煤機逆風割煤時，由于風流受到采煤機阻礙、前滾筒高速旋轉和逆風噴霧等原因，采煤機前段產生強烈的渦流，致使大量高濃度含塵氣流擴散到采煤機司機的作業空間。

1.4 礦井綜采工作面降塵必要性

據統計，呼吸性粉塵是危害職業健康的最主要致病粉塵，以綜采工作面為例，未采取防塵措施前，綜采工作面全塵質量濃度可達1 100mg/m，遠高于國家有關規定。研究發現，粒徑小于5μm的呼吸性粉塵在總粉塵中占比較重，這些呼吸性粉塵可以進入人體呼吸道深部，并沉積于呼吸性細支氣管和肺泡中，引發塵肺病。同時根據《安全生產法》規定，生產單位必須對在職工人的安全生產措施和安全生產條件擔負責任。因此降低粉塵濃度是生產單位必須重視的保障工人健康的重要環節。

2 綜采工作面高壓外置噴霧降塵設計

2.1 噴霧降塵的影響因素

噴霧是通過噴嘴，使液體分散成細小霧滴，進入到空氣中。噴霧的整個過程，內部液體動力、噴射表面氣體運動、噴射壓力以及噴嘴形狀等對液體霧化效果有重要影響，這些因素之間彼此聯系，相互影響。噴霧效果的好壞直接影響降塵效果。影響噴霧降塵效果因素有水的特性、噴嘴型式及參數、霧流特性、噴霧流量、噴霧壓力和噴霧系統的合理匹配與布置等。

2.2 設計指標

采煤機高壓外置噴霧的降塵效果在很大程度上取決于噴霧射流的引射風量以及采煤機截割滾筒周圍是否能形成均勻的噴霧水幕，以阻止粉塵向外擴散并盡可能多的消除粉塵。均勻水幕的形成和噴霧射流的引射風量主要取決于噴嘴產生的噴霧射流質量。

GPW/75綜采工作面高壓外置噴霧降塵系統由高壓噴霧泵站、高壓噴霧模塊、量子水處理器、一級反沖洗過濾器、自動供水裝置等組成。它是由帶有自動水位控制裝置和過濾裝置的水箱向高壓噴霧水泵提供水源，水泵通過高壓膠管、控制閥向高壓噴霧模塊提供高壓水，實現噴霧降塵，具有霧粒細、速度高、射程遠、水量較小、覆蓋面積大、降塵效率高、引射風量大以及噴嘴不易堵塞等顯著優點。高壓噴霧引射降塵器工作時，礦井靜壓水經高壓泵加壓形成高壓水，高壓水經高壓管路進入引射器高壓噴嘴，利用高壓噴嘴噴出的高速水霧流高效引射降塵。

GPW/75高壓水泵將常壓水轉換為10～25Pa(可調)的高壓水，運行期間16MPa噴霧壓力下旋流霧化噴嘴有效射程為13m，可有效克服巷道風流的影響，噴霧壓力所產霧粒配比，見表1。

表1 噴霧壓力所產霧粒配比Tab.1 The ratio of aerosol particles produced by spray pressure

水霧的噴射速度30m/s以上，以提高水霧與粉塵的碰撞幾率。霧粒的粒度越接近粉塵的粒度，其除塵效率就越高。霧粒粒徑過大，塵粒與霧粒相遇時會因旋流作用從霧粒邊緣繞過，不被捕捉；霧粒粒徑小，則容易氣化。因此高壓外置噴霧降塵系統不僅在速度上克服巷道風流的影響，而且其霧粒粒徑更為接近粉塵直徑即0.1～15μm，二者共同作用實現高效除塵的目的。

高壓外置噴霧降塵裝置是使用特殊材料模塊，即鋅硅合金對高壓水霧角度進行定位，噴霧裝置與搖臂同步運動。模塊利用量子原理改變水質的螺旋結構，改變水的帶電離子，與空氣中的粉塵盡可能多地進行碰撞，進而加強潤濕及降塵效果。同時能改善水質的總硬度、降低Ca、Na的含量再通過旋流霧化噴嘴，形成霧粒直徑為30～150μm，噴霧區域內，每立方厘米空氣中含水量2～2.5g。水霧有效覆蓋滾筒產塵區域，降低滾筒截齒割煤時的溫升并達到最佳的降塵效果。綜采工作面濃度、降塵率測定結果，見表2。

表2 綜采工作面濃度、降塵率測定結果Tab.2 Determination results of concentration and dedust rate in fully mechanized mining face

兩級反沖洗過濾器，可過濾水中異物，避免噴嘴堵塞。水箱自動供水，缺水時自動補水，從而保證噴霧降塵的持續性，實現真正意義上的自動化運行。通過數字化三維模擬，水流量科學計算，實現噸煤含水量控制在1%左右，綜采工作面降塵系統配置圖，如下圖。

圖 綜采工作面降塵系統配置圖Fig. Configuration diagram of dedusting system in fully mechanized mining face

3 結論

(1) GPW/75綜采工作面高壓外置噴霧降塵系統體積小、功率高。通過使用鋅硅合金和旋流霧化噴嘴這類硬件設施使水霧射程變遠，并有效覆蓋滾筒產塵區域，使水霧與空氣中的粉塵實現高效碰撞，實現降塵目的；兩級反沖洗過濾器，以保證噴嘴的流暢運行；高壓噴霧模塊起到細化霧粒、加快水霧傳遞速度、加長射程及加強引射風量的效果。

(2) GPW/75綜采工作面高壓外置噴霧降塵系統在保證降塵效率和不增加綜采工作面員工任何工作的前提下，能夠有效改善綜采工作面的作業環境，降低作業風險，保障工人人身安全并降低職業病發病概率。經調查，采用此系統后礦井中的職業病發病率控制在1‰以下，為礦井安全生產和礦工身心健康提供保障。