綜掘機(jī)截割部防塵裝備研究

李彥輝

（遼寧能源煤電產(chǎn)業(yè)股份有限公司，遼寧 沈陽 110014）

近年來遼寧能源煤電產(chǎn)業(yè)股份有限公司（簡稱“遼寧能源”）大力推進(jìn)“四化三減”和裝備技術(shù)升級改造工程，綜掘機(jī)械化程度大幅提升，特別是煤巷綜掘機(jī)械化程度已達(dá)到100%。煤巷綜掘機(jī)械化程度的提高，也隨之帶來了煤塵安全隱患。遼寧能源所屬的林盛煤礦、紅陽二礦、紅陽三礦、西馬煤礦、蒙西煤礦、蒲河煤礦6 對礦井，煤塵都具有爆炸危險性，作為煤巷綜掘機(jī)械化掘進(jìn)關(guān)鍵部位的截割部，是礦井煤塵主要來源之一，同時綜掘機(jī)截割的時候，遇到堅硬的煤層，截割部會出現(xiàn)火花，加上煤層賦存的瓦斯，具備了煤塵爆炸的條件，存在安全隱患，制約了煤礦安全高效生產(chǎn)。

目前針對綜掘工作面的煤塵防治，國內(nèi)主要采取的是綜掘機(jī)單噴嘴高壓外噴霧、電動葉輪式濕式除塵風(fēng)機(jī)、巷道噴霧、捕塵紗網(wǎng)、化學(xué)降塵劑、壓力水旋轉(zhuǎn)霧化降塵裝置、旋轉(zhuǎn)噴霧降塵裝置等措施，并在不同的礦區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，也取得了一定的效果。遼寧能源所屬礦井目前都是采用綜掘機(jī)單噴嘴高壓外噴霧、巷道噴霧、捕塵紗網(wǎng)綜合防塵技術(shù)，防塵效果一般，不能有效解決工作面煤塵治理難題。遼寧能源針對所屬礦井的實際情況，提出了對綜掘工作面截割部采用壓氣水射流細(xì)水霧防塵技術(shù)和裝備進(jìn)行研究，對促進(jìn)礦區(qū)的安全生產(chǎn)和工人身體健康，減少煤塵危害帶來的經(jīng)濟(jì)損失，具有重大的社會效益。

1 工程概況

遼寧能源蒲河煤礦位于沈陽市沈北新區(qū)蒲河鎮(zhèn)，設(shè)計生產(chǎn)能力為300 萬t/a，主要開采甲2 煤層。西一采區(qū)13#面位于西一采區(qū)西北部，東西走向布置，運輸順槽長1008 m，回風(fēng)順槽長576 m，開采深度在380～410 m 之間。工作面可采煤層為甲2 煤層，由30 多層煤分層構(gòu)成，中間夾0.05～1.5 m厚度不等的夾矸，煤層平均厚25 m，厚度及結(jié)構(gòu)變化不大。煤塵爆炸指數(shù)44.92%，單位煤塵濃度為164.17 mg/m3，采用綜掘機(jī)施工巷道。

防塵供水系統(tǒng)：地面貯水池→北三立孔→副下→西翼回風(fēng)上部車場→西翼回風(fēng)下山→西一采區(qū)集中回風(fēng)巷→西一采區(qū)集中運輸巷→西一北集中軌道巷→西一13#面回風(fēng)順槽。

2 壓氣水射流吸風(fēng)噴霧霧滴特性與降塵試驗

試驗方案采用正交試驗，按L9（34）正交表設(shè)計。考慮到影響壓氣水射流吸風(fēng)噴霧器效果的參數(shù)主要包括噴嘴、射流管（包括喉管、短擴(kuò)散管、吸入室等部件）結(jié)構(gòu)尺寸、供水供氣參數(shù)等，該試驗只對影響吸風(fēng)空氣式降塵噴霧器性能的喉嘴距L1、α噴嘴直徑D以及擴(kuò)散管的擴(kuò)散角 三個因素進(jìn)行分析。

對于噴嘴直徑，考慮到壓風(fēng)耗量及其噴霧效果，選2 mm、3 mm、4 mm 三種進(jìn)行試驗；射流管的擴(kuò)散管擴(kuò)散角α分別取為30°、45°和60°，對應(yīng)擴(kuò)散管長度分別為56 mm、36 mm 和26 mm；喉嘴距設(shè)定為48 mm、68 mm、98 mm 等3 個位置。因素與水平的數(shù)據(jù)見表1。

表1 壓氣水射流吸風(fēng)噴霧試驗因素與水平表

3 綜掘機(jī)截割部致災(zāi)因素防控裝置的數(shù)值模擬

試驗系統(tǒng)包括壓氣水噴霧降塵試驗系統(tǒng)和噴霧特性測試系統(tǒng)，如圖1。

圖1 壓氣水射流噴霧器降塵試驗系統(tǒng)

吸風(fēng)量通過圓錐形集風(fēng)器法測定，先通過補償式微壓計測定靜壓測量孔的靜壓Pst，再按下式計算吸風(fēng)量：

式中：Q為吸風(fēng)量，m3/s；μ為流量系數(shù)；Pst為靜壓測量孔的靜壓，Pa；D為測壓處管徑，m；ρ為空氣密度，kg/m3。

壓氣水射流噴霧特性測試系統(tǒng)由噴霧子系統(tǒng)和激光相位多普勒粒子分析儀（Phase Doppler Particle Analyzer，簡稱PDPA）系統(tǒng)兩部分組成，如圖2 所示。噴霧子系統(tǒng)由水泵、水箱、自吸式噴霧器、供水閥門、水流量計、壓縮機(jī)、旋流式氣水混合器、供氣管路、集水裝置等組成。PDPA 子系統(tǒng)用來測量霧滴的速度和粒徑大小等參數(shù)，包括發(fā)送光源鏡頭、接收光源鏡頭、三維坐標(biāo)架、數(shù)據(jù)處理器、計算機(jī)等。試驗主要測試索太爾平均直徑（Sauter mean diameter，簡稱SMD）值及其霧滴的速度。該測試系統(tǒng)的工作原理是，經(jīng)壓縮機(jī)和高壓泵出來的水經(jīng)過混合氣后，由噴嘴噴出，PDPA 系統(tǒng)把一束藍(lán)色激光和一束紫色激光打到水霧上，并在測量點上聚焦，然后把水滴反射回的激光信號收集起來，送數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行處理，得到被測處霧滴的速度、粒徑等參數(shù)。

圖2 壓氣水射流噴霧PDPA 噴霧特性試驗系統(tǒng)示意圖

4 試驗結(jié)果及分析

（1） 正交試驗（表2）

表2 正交試驗及結(jié)果表

為了便于直觀分析，通過各因素水平的數(shù)據(jù)與相對應(yīng)的平均值以及每列的極差作正交試驗直觀分析圖，如圖3 所示。根據(jù)直觀分析圖可以得出，當(dāng)喉嘴距為48 mm、噴嘴直徑為3 mm、擴(kuò)散角為30°時，有效射程、噴射角、SMD 值、吸風(fēng)量達(dá)到最佳。

圖3 正交試驗直觀分析圖

5 綜掘機(jī)截割部防控致災(zāi)裝備

綜掘機(jī)截割部防控致災(zāi)裝備由綜掘壓氣水吸風(fēng)水氣幕裝置（主要由幾個壓氣水吸氣噴霧器組成）、壓氣水射流吸塵凈化器、旋流分風(fēng)器等組成，如圖4。

圖4 綜掘截割部防控致災(zāi)裝備組成

壓氣水吸氣噴霧器耗水量每個3～5 L/min，壓氣壓力為0.4～0.7 MPa，每個壓氣水吸風(fēng)式噴霧的吸風(fēng)量為12 m3/min，噴霧出口500 mm 處索太爾平均直徑（SMD）為70～100 μm；壓氣水射流吸塵凈化器不銹鋼制作，吸風(fēng)量為90～120 m3/min，耗水量3～5 L/min，霧滴平均直徑（SMD）為70～100 μm；壓氣水射流吸塵凈化器出口接直徑600 mm軟質(zhì)風(fēng)筒；旋流分風(fēng)器有2 個固定分風(fēng)口、1 個可調(diào)分風(fēng)口、旋流葉片等，可調(diào)分風(fēng)口根據(jù)迎頭瓦斯情況調(diào)節(jié)，采用不銹鋼制作。

6 注意事項

（1）與壓氣水射流吸塵除塵器連接的伸縮風(fēng)筒出口應(yīng)指向運輸機(jī)上方，使得壓氣水射流抽風(fēng)除塵裝置出來的水流向運輸機(jī)運走，同時應(yīng)注意伸縮風(fēng)筒的彎曲應(yīng)平滑，風(fēng)筒出口不應(yīng)指向電器設(shè)備。

（2）平時應(yīng)及時挪移，使得壓氣水射流吸塵除塵器、旋轉(zhuǎn)射流送風(fēng)分風(fēng)控塵器離掘進(jìn)迎頭的距離不超過10 m。

（3）使用及挪移時應(yīng)注意保護(hù)壓氣水射流吸塵除塵器和旋轉(zhuǎn)射流送風(fēng)分風(fēng)控塵器，不得損壞。

（4）與壓氣水射流吸塵除塵器所聯(lián)的壓氣管路接口均不得低于19 mm。

（5）掘進(jìn)機(jī)下井前需要預(yù)先在搖臂附近焊接內(nèi)螺紋安裝孔的安裝板4～6 個，以便用直徑12 mm的螺栓安裝自吸式噴霧降塵裝置。生產(chǎn)過程中需要更換掘進(jìn)機(jī)刨頭或其他需要預(yù)先焊接本降塵裝置底座的部件時，一定要預(yù)先在下井前預(yù)先焊接厚為16～20 mm 的安裝板和底座。

（6）工作面地質(zhì)條件變化，有關(guān)噴霧器碰到巷道支架時，應(yīng)將噴霧器暫時拆下，等到條件正常時再重新安裝。噴霧器與巷道支架發(fā)生摩擦?xí)r千萬不能強行運行。

7 結(jié)語

綜掘機(jī)截割部壓氣水射流吸風(fēng)噴霧目前正在遼寧能源蒲河煤礦西一采區(qū)13#面進(jìn)行工業(yè)性試驗，從目前回采過程中測定的數(shù)值情況分析，最大全塵質(zhì)量濃度降塵率由以往常規(guī)單噴嘴噴霧的92.67%提升到現(xiàn)在的97.2%，呼吸性粉塵最大質(zhì)量濃度降塵率由以往常規(guī)單噴嘴噴霧的87.21%提升到現(xiàn)在的96.2%，降塵效果明顯，能夠有效改善工作面的工作環(huán)境，降低煤塵爆炸的風(fēng)險，具有良好的社會效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。