游春林

（永煤集團股份有限公司新橋煤礦，河南 永城 476600）

綜采工作面是煤礦粉塵產(chǎn)生的主要來源，常規(guī)機載噴霧系統(tǒng)的除塵效果并不理想，本文提出并實施了高壓噴霧防塵系統(tǒng)，提高了除塵效果。

1 工程概況

新橋煤礦現(xiàn)有地質(zhì)儲量約為14490萬t，可采儲量約為7896萬t，核定生產(chǎn)能力為210萬t/a。新橋煤礦以貧煤和無煙煤為主，屬于高發(fā)熱量、高熔灰分、抗碎強度較高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)質(zhì)無煙煤和貧煤。當(dāng)前，該礦主要開采二2煤層，煤層平均厚度2.87m，屬Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵具有爆炸性，瓦斯等級屬于低瓦斯礦井。

2301綜采工作面的通風(fēng)系統(tǒng)路線為：副井→南翼軌道運輸大巷→南三采區(qū)軌道運輸下山上部車場→南三采區(qū)軌道運輸下山→2301綜采工作面上、中順槽車場→2301綜采工作面上、中順槽→2301綜采工作面→2301綜采工作面下順槽→南三采區(qū)膠帶運輸下山→南翼膠帶運輸大巷→主井→地面。

2 綜采工作面粉塵防治存在的問題

工作面開采過程中，使用原有機載噴霧裝置降塵存在以下問題：

（1）常規(guī)噴嘴霧化程度不高；

（2）噴嘴容易發(fā)生堵塞；

（3）噴霧耗水量大，導(dǎo)致煤質(zhì)含水量超標(biāo)。

針對上述問題，需要研究改進工作面噴霧降塵系統(tǒng)和設(shè)施，提高降塵效率和效果。

3 高壓噴霧除塵機理

高壓噴霧除塵系統(tǒng)主要由高壓水泵、高壓供水管路、水箱、過濾器、噴霧控制系統(tǒng)、液壓支架、高壓噴嘴等組成。高壓噴嘴在高壓力下，能夠使液體被撕裂。液體的表面張力使液體呈現(xiàn)球形，湍流的徑向速度分量作用于液體的表面。一旦外部作用力大于液體的表明張力時，液體就會被撕裂，形成霧狀的小液滴，從而實現(xiàn)高壓噴霧。

圖1 2301綜采工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

4 高壓除塵系統(tǒng)設(shè)計及除塵效果

4.1 高壓除塵系統(tǒng)設(shè)計

4.1.1 綜采工作面高壓噴霧系統(tǒng)

綜采工作面高壓噴霧系統(tǒng)主要包括高壓水泵、水箱、水質(zhì)過濾器、噴霧控制系統(tǒng)、發(fā)動機、高壓噴嘴等。采煤機高壓噴霧系統(tǒng)通過減壓閥為采煤機發(fā)動機供應(yīng)冷卻水。為了抑制采煤機在移架或者頂煤時產(chǎn)生的粉塵，需要對液壓支架噴霧系統(tǒng)進行優(yōu)化。

4.1.2 采煤機高壓外噴霧系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)意義上的內(nèi)噴霧系統(tǒng)容易堵塞，影響除塵效果。采用高壓外噴霧系統(tǒng)后，外噴壓力增加，提升了除塵效果，可以關(guān)閉內(nèi)噴霧系統(tǒng)，節(jié)約用水。

（1）供水方式

供水方式分為固定泵供水和機載泵供水。其中，固定泵供水是將水泵安裝在巷道中，然后把高壓水送到采煤機上。固定泵供水的弊端是在供水過程中，水管和電纜需要跟隨采煤機移動，增加了水管和電纜的磨損，降低了使用壽命。

本次優(yōu)化設(shè)計中，采用了固定高壓泵供水。將高壓水泵放置在回風(fēng)巷道中，高壓水泵將蓄水箱中的水過濾后，通過高壓水管將水抽送到采煤機上實現(xiàn)噴霧。

（2）噴嘴的個數(shù)和噴霧總流量

噴霧的總用水量決定著噴嘴的個數(shù)和噴霧總流量，噴水量的多少直接決定著煤的含水量，通常耗水量為20～40L/t。結(jié)合工作面實際情況，決定將噴水用量控制在30L/t。2301綜采工作面采高H為2.5m，截深為0.6m，牽引速度為5.0m/min，原煤密度為 1.5t/m3。

采煤機的生產(chǎn)能力為：2.5×0.6×5.0×1.5=11.25（t/min）。

總供水量為：11.25×30=337.5（L/min）。

采煤機的冷卻水量為：90L/min。

因此高壓噴霧的用水量為：337.5-90=247.5（L/min）。

經(jīng)過計算需要10個1.2mm的噴嘴，8個1.5mm的噴嘴，采煤機的實際設(shè)計用水量為270L/min。因此，經(jīng)過高壓噴霧后煤的含水量約增加了0.27/1.5×100%=1.8%。該值符合煤的標(biāo)準(zhǔn)含水量要求。

4.1.3 噴嘴類型及噴霧壓力

在本次設(shè)計中，選用了1.2mm和1.5mm的高壓錐形引射噴嘴和高壓扇形引射噴嘴，噴嘴的材質(zhì)均為不銹鋼。結(jié)合礦井的實際情況，決定設(shè)定高壓外噴霧壓力為10MPa。

噴嘴的布置主要分為內(nèi)側(cè)和外側(cè)兩種形式，見圖2所示。

圖2 噴嘴的布置方式

圖2（a）是噴嘴布置在采煤機的內(nèi)側(cè)，內(nèi)側(cè)的噴嘴主要負(fù)責(zé)對采煤機的兩個滾筒進行除塵。圖2（a）是噴嘴布置在采煤機的外側(cè)，負(fù)責(zé)對采煤機的滾筒割煤截齒處降塵。內(nèi)側(cè)的布置方式噴霧距離短，除塵效果優(yōu)于外側(cè)的布置方式。但是，外側(cè)的布置方式更有利于噴嘴的維護保養(yǎng)。

在本次設(shè)計中，決定在采煤機的外側(cè)安裝1對高壓噴霧架，安裝位置距離滾筒約1m左右，并且噴嘴需要對準(zhǔn)滾筒，長度應(yīng)與搖臂大致相等。這種布置方式，既能夠縮短噴霧距離，同時也保護了噴嘴，避免了落煤砸到噴嘴，有利于噴嘴的日常維護?？偣膊贾昧饲昂?個噴霧架，并且每個噴霧架分別設(shè)置了徑向和縱向兩種方向的噴嘴。

前噴霧架設(shè)置了5個徑 向噴嘴、7個縱向噴嘴。在噴霧架中間一共布置了5個1.2mm的錐形引射噴嘴，方向分別對準(zhǔn)滾筒的上、下、左、右、中5個方向，并且設(shè)置噴嘴的擴散角α，度數(shù)范圍為55°<α<65°。這5個噴嘴能夠確保采煤機的搖臂不管處于什么角度都能夠全方位覆蓋滾筒，有效降低滾筒的粉塵。

在綜采工作面的采煤機下風(fēng)口，粉塵的產(chǎn)生量最大。因此，在此次方案設(shè)計中，布置了7個1.5mm的扇形引射噴嘴，將噴嘴的擴散角設(shè)置為40°～45°，這種噴嘴的射程超過6m。這7個扇形引射噴嘴能夠形成一道縱向的噴霧屏障，以平面的形式降低粉塵。

4.1.4 液壓支架高壓噴霧系統(tǒng)設(shè)計

（1）噴霧總流量以及噴嘴數(shù)目

在方案設(shè)計中，使用了4個1.2mm的錐形引射噴嘴和2個1.5mm的扇形引射噴嘴，噴霧總流量約為65L/min。這個噴霧總流量并不會影響煤的質(zhì)量，噴霧壓力設(shè)置為10MPa。

（2）噴嘴的布置

液壓支架上噴嘴的布置主要分為前探梁噴嘴、頂梁噴嘴、掩護梁噴嘴。前探梁噴嘴和放煤噴嘴是為了減少移架和放頂時產(chǎn)生的粉塵，頂梁噴嘴和掩護梁噴嘴能夠濕潤頂煤。噴嘴的具體布置位置如圖3所示。

圖3 液壓支架4個噴嘴的布置圖

前探梁內(nèi)側(cè)布置兩個1.2mm的錐形引射噴嘴，分別位于左右兩側(cè)，將噴嘴的擴散角設(shè)置為65°～80°，射程超過3m。這兩個噴嘴的噴霧方向與地面所呈的角度為60°，形成的霧屏能夠捕捉到頂梁的粉塵。

在頂梁的左右兩側(cè)分別布置2個1.5mm的扇形引射噴嘴，擴散角與前探梁擴散角相同，噴霧射程超過5m，能夠起到降塵、引射風(fēng)流的作用。

回風(fēng)巷高壓噴霧系統(tǒng)設(shè)計需要布置4個1.2mm的錐形引射噴嘴，擴散角與上面相同，并且將噴霧壓力設(shè)置為10MPa，有效射程超過5m。

4.2 粉塵防治效果分析

通過試驗對使用原有機載噴霧系統(tǒng)和高壓噴霧降塵系統(tǒng)的除塵效果進行數(shù)據(jù)采集和對比分析，如表1和圖4、圖5所示。

表1 原有機載噴霧和高壓噴霧粉塵數(shù)據(jù)對比

圖4 割煤時全塵濃度與距離司機的距離關(guān)系圖

圖5 割煤時呼吸粉塵濃度與距離司機距離的關(guān)系圖

數(shù)據(jù)研究顯示，粉塵的分布規(guī)律為在距離司機位置5～10m處濃度最大，之后會逐漸減小，變化幅度越來越小，最后趨于穩(wěn)定。通過上面的數(shù)據(jù)圖分析可見，使用高壓噴霧系統(tǒng)之后，除塵效果十分明顯，能夠有效改善綜采工作面的作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié)束語

（1）本文分析了原有機載噴霧系統(tǒng)存在的問題，根據(jù)高壓噴霧降塵的基本原理，改進設(shè)計了高壓噴霧降塵系統(tǒng)。分別選用了1.2mm的錐形引射噴嘴和1.5mm的扇形引射噴嘴對噴嘴進行優(yōu)化，并且通過合理布置噴嘴的位置，將噴水壓力設(shè)置為10MPa，不僅提高了射程，優(yōu)化了除塵效果，而且節(jié)約了噴霧用水量。

（2）通過對原有機載噴霧系統(tǒng)和高壓噴霧系統(tǒng)的除塵數(shù)據(jù)對比，可以看出改進后的高壓噴霧系統(tǒng)除塵效果大大優(yōu)于原機載噴霧系統(tǒng)的除塵效果。