綜采工作面采煤機高壓噴霧降塵系統設計及應用分析

趙曉璐

（晉能控股煤業集團鐵路運營有限公司礦山鐵路分公司，山西 大同 037000）

1 工程概況

晉能控股煤業集團某礦15111 工作面隸屬151 采區，開采區域的面積為157437m2，海拔高度在1058～1098m之間，采區的傾斜長度約為115m，走向平均長度1029m。15 號煤層為當前最大的開采區，厚度的范圍在4.87～8.58m之間，厚度的平均值為5.89m。對煤層的地質結構進行勘探發現，結構的復雜度較低。煤層頂部的主要成分為泥巖，平均厚度為7.10m;煤層底部的主要成分為泥巖，平均厚度為6.58m。在采空區，采取了綜采、放頂煤的方法，對采空區的頂板進行了全面的管理。工作面的通風路徑為U 型，將新鮮的空氣從下風巷導入，穿過工作面，再由上風巷返回。

根據工作面地質數據分析，15煤層為薄煤，煤塵不具有爆炸性。由于工作面采用放頂煤開采方式，采煤、拉架、放煤作業會產生大量的煤塵，對工人的健康造成很大的危害，同時也會對工作環境造成很大的影響，降低了能見度，給工人帶來了安全隱患，為了降低采煤過程中的煤塵，優化工作面工作環境，減少對工人的危害，對工作面粉塵治理技術進行了分析和探討，確保工作面生產的安全，減少對工作人員健康的傷害[1]。

2 噴霧降塵機理分析

綜采工作面生產過程中產生的粉塵主要是在采煤機切割過程中產生的，采煤機在開采過程中對煤體進行擾動，造成粉塵在工作面中浮動，從而形成了粉塵的源頭，因此，對采煤機割煤作業中的粉塵進行控制是減少煤層中粉塵含量的最有效的方法。工作面生產過程中產生的粉塵粒徑通常小于0.3μm，粒徑較小，重量較輕，在工作面的風流中很容易被吹走，從而會在較大的范圍內擴散。當灰塵被氣流卷走時，它呈現出一種布朗運動的特征，當它與其它的東西發生接觸時，它很容易發生沉降，見圖1a。當氣流中包含水珠時，灰塵顆粒與雨珠的撞擊會發生向下層的偏移，而氣流中的灰塵濃度較高，在氣流中的慣性會使其沿氣流的方向發生變化[2]，粉塵中質量較大的粒子將會全部與水滴產生碰撞從而被水珠捕捉，其捕集原理見圖1b。

圖1 噴霧降塵機理示意圖

在工作面生產過程中，采用了噴水降塵的方法，就是將水珠和塵粒的撞擊作用結合在一起，形成一種具有一定的沉降作用，因此，噴霧降塵的效果主要是由水珠和粉塵的凝結作用決定的[3]。如果水霧粒子在一定的速度下運動，不帶電荷的情況下，那么它只能對8μm以上的微粒起到很好的作用，而在微粒直徑小于8μm的情況下，它的作用就會很弱。當捕塵水霧粒子被帶上電后，它們所形成的靜電場會和粉塵所形成的靜電場力互相吸附，從而極大地改善了水霧的除塵作用[4]。

根據上述的研究成果，在水霧中加入一定的電荷后，可以有效地改善水霧的防塵性能，而水霧的帶電量與水霧壓力的關系則顯示在圖2 中。從圖2 中可以看出，在水霧壓力小于10MPa時，水霧的帶電電荷量隨水霧壓力的增加而增加[5]。由此可以看出，當噴水壓力增大時，可以增大水霧的帶電電荷，從而增大水霧對塵埃粒子的吸附能力，從而改善噴霧降塵效果。基于以上的研究結論，并結合15111 工作面的煤體、通風等基礎條件，確定了在采區開采過程中采取的降灰方法為：高壓噴射噴灑法，并設置了6～8MPa的噴射水壓。

圖2 不同噴霧水壓力作用下帶電電荷密度變化圖

3 噴霧降塵方案及應用效果

3.1 噴霧降塵系統

15111工作面噴霧裝置由多個模塊組成：滾筒噴霧系統、機身噴霧系統、綜采油管支架噴霧系統，它的主要功能是在切割煤炭開采過程中，利用噴霧噴灑來預先對煤體進行潤濕，以達到控制煤層的目的，15111 采場的各個噴灑除塵裝置按以下方法進行了研究：

（1）采煤機滾筒噴霧降塵。為了有效降低粉塵濃度，在滾筒的位置共安裝了三級降塵水幕[6]，設計噴頭處的壓強在6～8MPa，三級水幕在滾筒處產生大量的水蒸氣粒子，空氣中的粉塵會和水蒸氣結合形成潮濕的粉塵，并不斷地吸附其它的粉塵，當粉塵顆粒較大時，就會在重力的作用下下沉，工作原理如圖3所示。

圖3 采煤機滾筒3級水幕噴灑降塵效果示意圖

在采煤機上安裝傳感器，實時檢測粉塵濃度，根據在工作臺作業過程中所采集的粉塵濃度的差異，設三級噴灑系統，當監測到粉塵含量超過3mg/m3時，第一級噴灑裝置將會自行開啟，從而達到初步的降塵作用[7]；當監測到粉塵含量超過4mg/m3時，第二級噴灑裝置將會自行開啟，同時第一級水幕仍保持開啟，兩級水幕同時起到降塵效果；在檢測到粉塵濃度大于5mg/m3的情況下，第三級噴霧裝置會自動打開，同時，前2個水幕仍然處于打開狀態，三級水幕降塵同時工作。在多級水幕的作用下，粉塵的濃度將逐步降低，同時水幕逐個關閉，關閉順序與開啟順序相反，當監測到粉塵含量低于3mg/m3時，所有水幕全部關閉[8]。

（2）機身噴霧降塵系統。在工作臺上設有噴淋裝置進行降塵處理，噴頭的壓力為6～8MPa，每兩個噴頭之間的距離500mm，裝配角40°，噴頭噴射時保證整個機架被完全遮蔽，其作用見圖4。

圖4 采煤機機身噴霧灑水除塵裝置示意圖

（3）采煤機的采煤作業完成后，在工作面內容仍然殘留著一定濃度的粉塵，為了有效地清除該區域粉塵，在綜采工作面上的液壓支架頂部橫梁下面設置了一個高壓降塵噴霧裝置，將噴嘴安裝在支架上，同事保持噴嘴的壓力在6～8MPa之間。在掘進過程中，當傳感器檢測到的濃度超過規定的閾值時，將會把該數據傳送給裝有PLC 的液力支架，由該控制器來控制油柜的降塵裝置[9]。并可通過調整噴射口壓強來實現對粉塵濃度的控制。

3.2 應用效果分析

為了驗證15111 工作面上安裝的噴塵裝置的降塵效果，本文對安裝了噴塵裝置的車間和車間的煙塵濃度進行了測量，得到了如表1所示的結果。通過對表1的分析，發現在采煤工作面上設置了除塵裝置后，煤層的濃度有了顯著的下降[10]，且與沒有設置除塵裝置之前相比，各作業區的粉塵濃度有所下降，煙塵濃度平均下降66.5%，有利于開展采煤作業[11]。

表1 工作面粉塵濃度測定

4 結論

本文從理論和實踐出發，對15111工作面的具體地質條件進行了研究和分析，提出了在采煤機機身、上下滾筒和工作臺的油缸內設置了一套噴淋、除塵裝置，在工作面開采過程中，應視煤層中的粉塵濃度變化，適時啟動噴淋、降塵裝置。經對礦區內的粉塵含量測定表明，該工藝具有較好的降塵作用，使采煤工作面的生產條件大為改善。