綜采工作面氣水霧化噴霧系統設計研究

李 偉

（晉能控股煤業集團高山煤業有限公司， 山西 大同 037001）

引言

礦井粉塵是影響井下人員身體健康的重要因素，人員長期吸入粉塵會引發塵肺病等病害，嚴重威脅企業人員的身體健康。除此之外，粉塵污染還有可能造成設備損壞、粉塵爆炸等，嚴重影響企業安全、高效發展。傳統的綜采工作面防塵技術主要采用采煤機內外噴霧系統進行除塵，該方法耗水量大、除塵效率低、負作用大，嚴重影響企業經濟效益。針對這一現象，本文提出了氣水霧化噴霧系統的設計研究，通過設計輔助除塵系統，提高除塵效率，降低粉塵污染危害。

1 綜采工作面降塵技術分析

現階段，我國最為常用的降塵技術為噴霧降塵技術，其基本原理是通過實現水滴與粉塵的結合，再利用重力作用達到降塵效果。噴霧降塵技術的降塵效果與水滴粒徑的大小有直接關系。過大粒徑的水滴會造成水霧的分散性較差，降低降塵效果。同時，如果水滴粒徑過大，會導致水滴在捕捉粉塵時發生粉塵繞過水滴的逃逸現象，無法有效捕捉粉塵。但水滴粒徑也并非越小越好，當水滴粒徑過小時，水滴極易發生蒸發現象，尤其是在井下的高濕環境中，蒸發現象越發劇烈。因此，應選擇合適的水滴粒徑才可更好地提升降塵效率。現階段，高壓噴霧系統的水滴粒徑為50~60 μm，對于呼吸性粉塵降塵效果一般。故本文研制了氣水霧化裝置，可將水滴粒徑控制在降塵最佳水滴粒徑的15~35 μm 范圍內，實現綜采工作面降塵效果的提升[1-3]。

2 氣水霧化噴霧系統設計

2.1 噴嘴設計

傳統的噴霧降塵系統是通過高壓水射流進行水滴霧化的，該方法水滴霧化粒徑較大，對呼吸性粉塵降塵效果一般，十分影響系統降塵效果。傳統的噴霧降塵系統是利用壓氣霧化原理進行設計的，以壓縮空氣為動力源，利用振蕩器將水滴通過高頻聲波霧化為水霧。對傳統系統中的噴嘴進行結構優化，其具體結構示意圖如圖1 所示。新型噴嘴設計加入了多層霧化設計，可更好地霧化水滴，降低水滴粒徑，提高降塵效率。新型噴嘴霧化水滴粒徑范圍為7~50μm。同時，新型噴嘴還可依據不同的實際生產環境，對水流壓力、水流流量以及氣體壓力等參數進行調節，從而控制水滴的粒徑，達到具體生產環境的最佳降塵效果。經實驗分析，新型噴嘴噴霧的霧化角為40°~50°，當水霧相對速度在20~40 m/s、水滴粒徑在15~35 μm 時，除塵效果最佳。

圖1 氣水霧化噴霧系統噴嘴結構示意圖

2.2 整體設計

在綜采工作面中粉塵濃度較高的位置主要有三處，分別為采煤機滾筒位置、采煤機滾筒前方以及采煤機搖臂與刮板輸送機之間。其中，采煤機滾筒位置是工作面粉塵的主要生產地點；滾筒前方由于離滾筒位置較近，濃度同樣較高，且該位置是降塵系統的主要作用位置；搖臂與刮板輸送機之間除本身會產生較大的粉塵外，還是煤壁粉塵向外輸送的通道，因此該位置降塵處理同樣重要。針對粉塵高濃度的3 個位置進行氣水霧化噴霧系統噴嘴設計，即可有效降低采煤機粉塵出產量，隔離采煤機與人行通道，提升系統降塵效果。對氣水霧化噴霧系統進行噴嘴設計如下頁圖2 所示。

圖2 氣水霧化噴霧系統噴嘴位置示意圖

2.3 噴嘴安裝位置設計

通過上文分析可知，新型噴嘴安裝位置主要在采煤機滾筒處、采煤機滾筒前以及采煤機搖臂與刮板輸送機之間三處位置，噴嘴的布置需保證噴霧范圍可以合理覆蓋所需降塵的位置，水霧覆蓋效果示意圖如圖3 所示，其中圖3-1 為滾筒處水霧覆蓋效果圖，圖3-2為滾筒前水霧覆蓋效果圖，圖3-3 為采煤機搖臂與刮板輸送機之間水霧覆蓋效果圖。采煤機滾筒處最主要的參數為噴嘴中心線與搖臂上側面以及搖臂正上方的夾角，其計算公式為：

圖3 不同位置水霧覆蓋效果示意圖

式中：β 為噴嘴中心線與搖臂上側面夾角，（°）；δ 為噴嘴中心線與搖臂正上方夾角，（°）；l 為噴嘴到采煤機距離，cm；h 為滾筒厚度，cm；L 為滾筒中心線到采煤機距離，cm；R 為滾筒半徑，cm。

采煤機滾筒前噴嘴布置的最主要參數為噴霧覆蓋角，其計算公式為：

式中：σ 為噴霧覆蓋角，（°）。

采煤機搖臂與刮板輸送機之間水霧覆蓋的主要作用除進行降塵處理以外，還需將采煤機與人行道通過水霧隔離開，防止粉塵的繼續擴散，本文采用1/4圓設計，其主要參數為噴嘴個數，計算公式為：

式中：n 為噴嘴個數；α 為噴嘴覆蓋角度，（°）。

除噴嘴設計外，氣水霧化噴霧系統還設計參數調節系統，可對水壓、氣壓以及流量等參數進行針對性調節，以更好地適應不同的應用環境[4-6]。

3 氣水霧化噴霧系統測試

以某煤礦綜采工作面為例進行氣水霧化噴霧系統測試研究，將相關數據帶入式（1）—（4）可得噴嘴布置參數為：β=29.5°，δ=31°，σ=62°，n=4。按上述研究進行噴嘴與氣水霧化噴霧系統安裝并進行系統測試后發現，系統運行穩定，降塵效果良好，采煤機與刮板輸送機之間形成了水幕，有效隔離了粉塵，人行道內未有粉塵擴散。對氣水霧化噴霧系統安裝前后的粉塵濃度進行對比，其對比結果如圖4 所示。由圖4 可知，所設計氣水霧化噴霧系統降塵效果明顯，降塵率可達60%~80%。

圖4 氣水霧化噴霧系統安裝前后粉塵濃度對比圖

4 結論

隨著煤炭開采機械化的不斷發展，綜采工作面降塵技術逐漸引起企業的重視。傳統的綜采工作面降塵技術主要采用采煤機內外噴霧系統進行除塵，該方法耗水量大、除塵效率低、負作用大，已無法滿足綜采面的生產需求[7-8]。針對這一現象，本文提出了氣水霧化噴霧系統的設計研究，通過研究分析得出了以下結論：

1）傳統的高壓噴霧系統的水滴粒徑在50~60 μm，對于呼吸性粉塵降塵效果較差，氣水霧化裝置將水滴粒徑控制在15~35 μm 范圍內，降塵效果更佳。

2）按上述研究進行氣水霧化噴霧系統測試后發現，系統運行高效穩定，采煤機與刮板輸送機之間形成了水幕，有效隔離了粉塵。

3）對比系統安裝前后粉塵濃度，氣水霧化噴霧系統降塵效果明顯，降塵率可達60%~80%。