大采高工作面高壓噴霧降塵技術(shù)研究及應(yīng)用

郭奮超，李騰龍，馬 威，楊俊磊

(1.陜煤集團神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

大采高工作面具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)能大等特點，特別適用于煤層賦存簡單的煤田。大采高工作面在提高產(chǎn)能的同時帶來了更加嚴重的粉塵污染問題，工作面充斥著大量粉塵嚴重威脅煤礦作業(yè)人員的身心健康和安全生產(chǎn)，也制約了煤礦智能開采技術(shù)的發(fā)展。采煤機高壓噴霧降塵技術(shù)由于其具有簡便、經(jīng)濟、適應(yīng)性強等優(yōu)點，故常作為采煤工作面應(yīng)用廣泛的防塵措施之一[1-6]。實際生產(chǎn)過程中，現(xiàn)有的采煤機外噴霧射程、噴霧流量和噴霧覆蓋范圍不能適應(yīng)大采高工作面的條件，降塵效率不到50%，導(dǎo)致部分粉塵逃逸，進入風流后仍會對人行巷道造成污染[7-9]。

1 大采高綜采工作面的產(chǎn)塵特點

紅柳林煤礦24205工作面走向長度1 216 m，傾向長度300 m，煤層平均厚度3.5 m，傾角3°。工作面采用SL900雙滾筒采煤機割煤，一次采全高，滾筒直徑2.2 m，功率2 200 kW。大采高綜采工作面生產(chǎn)效率高，滾筒割煤時前方煤體受擠壓片幫垮落嚴重[10]。工作面總粉塵質(zhì)量濃度普遍在1 000～3 000 mg/m3，呼吸性粉塵質(zhì)量濃度普遍在250～500 mg/m3，粉塵治理難度較大[11-12]。

實際生產(chǎn)過程中，由于采煤機外噴霧裝置噴霧壓力設(shè)置和噴嘴選型不合理，導(dǎo)致滾筒割煤時除塵效果不理想[13];同時只使用采煤機外噴霧裝置并不能將采煤機滾筒產(chǎn)生的粉塵完全捕獲，粉塵進入風流后仍會造成污染。

2 高壓外噴霧降塵治理思路

根據(jù)大采高工作面產(chǎn)塵特點，采用高壓噴霧降塵技術(shù)進行治理，并對存在的問題開展應(yīng)用性研究。針對采煤機割煤的主要產(chǎn)塵源，在采煤機滾筒根部布置高壓噴霧裝置，在支架頂部安裝采煤機塵源跟蹤噴霧裝置。根據(jù)大采高綜采工作面的條件對噴霧參數(shù)進行研究，設(shè)計選用射程遠、噴霧覆蓋范圍大、噴霧流量大的噴嘴，確定合適的噴霧壓力，并開展現(xiàn)場試驗進行驗證和優(yōu)化調(diào)整[14-15]。將采煤機高壓外噴霧和塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)相結(jié)合，形成始終包圍采煤機滾筒的三維立體噴霧屏障，第一時間濕潤滾筒，降低產(chǎn)塵量，并消除逸散的粉塵。最終形成一套與大采高采煤工藝相匹配的綜合防塵技術(shù)及裝備系統(tǒng)，有效解決工作面的粉塵污染問題。

3 采煤機高壓外噴霧降塵技術(shù)

采煤機原噴霧裝置，由于系統(tǒng)供水壓力小、過濾效果差、噴嘴堵塞嚴重、噴嘴選型不合理，導(dǎo)致水流呈噴射狀，噴射角度和霧化效果不理想，致使粉塵無法被有效抑制[16]。

采煤機機載高壓外噴霧降塵系統(tǒng)如圖1所示。采煤機工作時，高壓外噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生的水霧能夠及時濕潤并捕捉粉塵，同時形成的水霧包圍面會阻止粉塵擴散，可從塵源處有效控制粉塵[17-18]。

圖1 采煤機高壓外噴霧降塵示意圖

高壓水泵將常壓水轉(zhuǎn)換為0～15 MPa(可調(diào))的高壓水，經(jīng)特殊的旋流霧化噴嘴處理，形成的霧粒直徑為30～150 μm，抗風能力強。水霧有效覆蓋滾筒產(chǎn)塵區(qū)域，降低滾筒截齒割煤產(chǎn)生的粉塵。

高壓外噴霧裝置噴嘴在高粉塵質(zhì)量濃度環(huán)境中工作經(jīng)常會出現(xiàn)由于堵塞而更換繁瑣的問題，為解決這一問題，研發(fā)一種新型可拆卸噴嘴，如圖2所示。噴嘴體與進水旋套采用螺紋連接，當噴嘴堵塞時，拆下旋套，方便清理堵塞物。旋流芯上設(shè)計有旋流槽增加噴嘴霧化效果；同時設(shè)計有中心孔以增加噴霧射程。

圖2 新型可拆卸噴嘴示意圖

噴霧流量計算的經(jīng)驗公式為[19-20]：

(1)

式中：M為噴霧流量，L/min；k為噴霧流量系數(shù)；c為工作面平均粉塵質(zhì)量濃度，mg/m3；Q為工作面風量，m3/min；d為水霧的最佳平均霧粒粒徑，μm；ρc為粉塵的真密度，g/cm3；D為粉塵的平均空氣動力直徑，μm。

根據(jù)現(xiàn)場情況，粉塵的平均真密度為1.4 g/cm3，水霧顆粒的平均粒徑為90 μm，噴霧流量系數(shù)取3.0，通過計算得到所需噴霧流量為123 L/min。新型可拆卸噴嘴能夠滿足設(shè)計方案。取出口壓力為12 MPa，噴嘴霧流參數(shù)如表1所示。

表1 噴嘴霧流參數(shù)

為保證足夠噴霧流量和射程，選取直徑為1.5 mm的噴嘴。噴霧系統(tǒng)共包括3部分：采煤機上風滾筒布置6個不同噴射角度的新型可拆卸噴嘴，噴霧流量共計42 L/min；采煤機下風滾筒布置10個不同噴射角度的新型可拆卸噴嘴，噴霧流量共計70 L/min；采煤機機面布置10個不同噴射角度的新型可拆卸噴嘴，噴霧流量共計70 L/min。整個系統(tǒng)噴霧流量共計182 L/min，大于所需噴霧流量123 L/min。

4 采煤機塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)

由于滾筒割煤產(chǎn)塵量大，采用采煤機高壓外噴霧后，仍有部分粉塵未被捕捉，擴散至工作面風流中。采煤機塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)，通過安裝在支架上的紅外傳感器，實現(xiàn)噴霧跟蹤采煤機位置自動開啟和關(guān)閉，在采煤機滾筒周圍形成完整的包圍面捕捉逃逸粉塵，進一步降低產(chǎn)塵量。塵源跟蹤系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 塵源跟蹤系統(tǒng)工作原理示意圖

采煤機滾筒割煤產(chǎn)塵是工作面最主要的塵源，塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)主要清除采煤機滾筒處逃逸的粉塵。根據(jù)實際情況，現(xiàn)場風速1.0～1.5 m/s，噴嘴與采煤機滾筒距離為2.5 m，工作面大部分粉塵被采煤機高壓外噴霧系統(tǒng)捕獲，塵源跟蹤系統(tǒng)噴嘴處粉塵質(zhì)量濃度相對較低，噴嘴性能要求也相對較低，故可選擇其他低成本噴嘴。在實驗室中，優(yōu)選多種霧化效果較好的噴嘴，在1.5 m/s風速下，研究其射程隨壓力的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)選噴嘴射程隨壓力變化圖

由圖4可知，在1.5 m/s風速條件下，各噴嘴射程隨著噴霧壓力增加而增加，在噴霧壓力不超過 12 MPa 時，SS3007、PZ2和SB203三個型號的噴嘴射程能達到2.5 m。

采煤機滾筒產(chǎn)塵區(qū)域面積決定噴霧覆蓋面積大小，為保證霧流能夠完全包圍滾筒產(chǎn)塵區(qū)域，要求噴霧覆蓋范圍不得小于滾筒面積。采煤機滾筒直徑為2.2 m，通過計算，噴霧覆蓋面積最小應(yīng)為3.8 m2。在實驗室中，對SS3007、PZ2和SB203三個型號的噴嘴，在1.5 m/s風速條件、12 MPa 噴霧壓力、距離噴嘴2.5 m處的噴霧覆蓋范圍進行了測定，結(jié)果如表2所示。

表2 距離噴嘴2.5 m處霧流覆蓋面積

根據(jù)實驗結(jié)果，不同型號的噴嘴，所需噴嘴個數(shù)及噴霧總流量如表3所示。

表3 系統(tǒng)所需噴嘴個數(shù)及噴霧總流量

由表2、表3可知，為最大程度減少噴霧流量，同時滿足大采高工作面對噴霧射程和噴霧覆蓋范圍的要求，塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)噴霧壓力應(yīng)選擇 12 MPa，噴嘴型號為PZ2，在此條件下噴嘴能夠達到系統(tǒng)要求噴霧射程和噴霧覆蓋范圍，同時又能最大程度減少噴霧流量。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

綜采工作面采煤機高壓外噴霧系統(tǒng)結(jié)合采煤機塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)，前者直接從塵源處有效抑制粉塵，后者則在塵源處形成外包圍面，防止逃逸粉塵進一步擴散。兩系統(tǒng)相輔相成，綜采工作面粉塵控制效果顯著，極大地改善了工作面的環(huán)境。

系統(tǒng)安裝前后通過濾膜測塵法，分別在司機處和采煤機下風10 m處對粉塵質(zhì)量濃度進行了測量，結(jié)果如表4所示。

表4 采用降塵系統(tǒng)前后粉塵質(zhì)量濃度

由表4可知，在應(yīng)用采煤機外噴霧降塵裝置和塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)后，采煤機司機處總粉塵和呼吸性粉塵平均質(zhì)量濃度分別從1 362.4、289.1 mg/m3降低到97.4、31.7 mg/m3，降塵效率分別為92.85%、89.02%；采煤機下風側(cè)10 m處總粉塵和呼吸性粉塵平均質(zhì)量濃度分別從456.8、97.3 mg/m3降低到45.1、9.7 mg/m3，降塵效率分別為90.13%和89.76%。

6 結(jié)論

1)選取新型可拆卸噴嘴、設(shè)定合理噴霧壓力、噴霧流量和噴射角度，使采煤機高壓外噴霧形成霧粒直徑為30～150 μm，抗風能力強，且能將滾筒完全包圍在水霧中，可直接高效地從塵源處降低粉塵濃度。

2)塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)能夠捕獲采煤機滾筒處逃逸的粉塵，阻止粉塵進入人行巷道。選取PZ2型號噴嘴、設(shè)定噴霧壓力12 MPa，使塵源跟蹤噴霧能夠到達且覆蓋采煤機滾筒，保證了塵源跟蹤系統(tǒng)的高效性。

3)實驗工作面在使用采煤機高壓外噴霧和采煤機塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)后，采煤機司機處總粉塵和呼吸性粉塵降塵效率分別為92.85%、89.02%；采煤機下風側(cè)10 m處總粉塵和呼吸性粉塵降塵效率分別為90.13%、89.76%，顯著改善了工作面的作業(yè)環(huán)境。