張江石，王文暉，劉紹燦

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京100083；2.國(guó)家能源集團(tuán) 神東大柳塔煤礦，陜西 神木719315）

連續(xù)采煤機(jī)在作業(yè)時(shí)因截割速度快，截割面積大，產(chǎn)生大量粉塵[1-2]，現(xiàn)大部分型號(hào)連續(xù)采煤機(jī)均采用了外噴霧加機(jī)載濕式除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行除塵[3-4]，仍無(wú)法滿足《煤礦安全規(guī)程》對(duì)礦井粉塵濃度要求，為解決這一問(wèn)題，現(xiàn)部分礦區(qū)連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工作面采用在破碎機(jī)機(jī)尾跨騎于輸送膠帶安裝1 套大功率濕式除塵風(fēng)機(jī)，吸風(fēng)口通過(guò)負(fù)壓骨架風(fēng)筒延伸至掘進(jìn)面迎頭5 m 以?xún)?nèi)，與局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)共同形成1 套長(zhǎng)壓短抽負(fù)壓濕式除塵系統(tǒng)[5-6]，雖能減小掘進(jìn)工作面粉塵濃度，但因系統(tǒng)存在安裝維護(hù)困難，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的缺陷[7]。董超[8]通過(guò)在采煤機(jī)上增添一種內(nèi)置式噴霧增壓降塵系統(tǒng)，解決了外噴霧易被粉塵堵塞問(wèn)題，提高了噴霧降塵效率。王英等[9]通過(guò)分析邢東礦綜采工作面粉塵運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)適用于邢東礦綜采工作面高壓噴霧除塵系統(tǒng)，但不適用于其它煤礦。

為此，從連續(xù)采煤機(jī)設(shè)備自身出發(fā)，分析現(xiàn)有連續(xù)采煤機(jī)的除塵方式和存在的缺陷，通過(guò)提高外噴霧的壓力和增添離心式濕式除塵風(fēng)機(jī)，解決連續(xù)采煤機(jī)除塵系統(tǒng)外噴霧難以霧化、除塵風(fēng)量小和吸風(fēng)口布局不合理的設(shè)計(jì)缺陷，并在礦井掘進(jìn)工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并對(duì)除塵數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集分析。

1 現(xiàn)有連續(xù)采煤機(jī)除塵方式及缺陷

1.1 現(xiàn)有連續(xù)采煤機(jī)除塵方式

現(xiàn)有連采機(jī)雖品牌型號(hào)較多，但除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)幾乎一致，主要包含2 部分：一是在截割頭和裝運(yùn)機(jī)構(gòu)安裝外噴霧噴頭，掘進(jìn)工作面系統(tǒng)供水水壓經(jīng)過(guò)電機(jī)冷卻后經(jīng)噴頭霧化噴出，通過(guò)噴霧除去一部分粉塵；二是機(jī)身安裝1 套濕式除塵風(fēng)機(jī)，由1 臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，對(duì)連續(xù)采煤機(jī)截割滾筒附近含塵空氣強(qiáng)制性吸入機(jī)身風(fēng)道，風(fēng)道內(nèi)安裝噴霧頭、過(guò)濾網(wǎng)、波紋板除霧器對(duì)含塵空氣進(jìn)行過(guò)濾降塵，處理后泥水由泥漿泵抽排至連續(xù)采煤機(jī)運(yùn)輸機(jī)，過(guò)濾后的空氣則向機(jī)身后部排出[10-13]。

1.2 現(xiàn)有連續(xù)采煤機(jī)除塵缺陷

1）外噴霧利用掘進(jìn)工作面系統(tǒng)水水壓形成霧化，而礦井掘進(jìn)工作面距礦井加壓泵房距離較遠(yuǎn)，工作面供水末端壓力不大，造成外噴霧霧化狀況較差，影響外噴霧除塵效率[14-15]。

2）除塵處理風(fēng)量較小，大斷面掘進(jìn)時(shí)處理粉塵風(fēng)量不足，受現(xiàn)有連采機(jī)機(jī)身尺寸限制，各型連續(xù)采煤機(jī)除塵風(fēng)機(jī)功率在19～26 kW 之間。為提高除塵效率，濾塵濾網(wǎng)網(wǎng)格空隙直徑設(shè)置較小，風(fēng)阻較大，工作阻力在2 000～2 600 Pa 之間，吸風(fēng)風(fēng)量200～300 m3/min。以神東大柳塔礦52502 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面為例，巷道最大斷面為25.2 m2，巷道風(fēng)速0.4 m/s 的要求，工作面需風(fēng)量600 m3/min 以上，即除塵風(fēng)機(jī)需能夠處理風(fēng)量要略小于600 m3/min，現(xiàn)有除塵風(fēng)機(jī)不能滿足使用要求。

3）吸風(fēng)口布局不合理，吸風(fēng)口受機(jī)身結(jié)構(gòu)限制，只能分別布置在截割臂下方左右各1 處，裝載鈀爪上方1 處。粉塵產(chǎn)生主要發(fā)生在割煤、落煤和裝煤過(guò)程中，對(duì)截割臂抬起較高時(shí)，落煤行程較大，落煤產(chǎn)生的粉塵不能有效被捕獲。而在掃幫作業(yè)時(shí)，粉塵逸散空間較大，吸塵口不能有效捕獲粉塵，掃幫作業(yè)示意圖如圖1。

圖1 掃幫作業(yè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sweeping operation

4）采用過(guò)濾網(wǎng)和波紋板除塵，對(duì)7 μm 以下呼吸性粉塵除塵效率較低。除塵風(fēng)機(jī)形成負(fù)壓將截割滾筒附近粉塵吸入風(fēng)道后，經(jīng)過(guò)噴霧濕潤(rùn)，由密致防銹金屬過(guò)濾網(wǎng)將大直徑粉塵顆粒過(guò)濾，直徑較小粉塵顆粒由除霧器攔截，除霧器由多片排列的波紋板組成。這種除塵方式對(duì)呼吸性粉塵除塵效率較低，在神東大柳塔煤礦52502 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面，開(kāi)啟除塵外噴霧后，該除塵系統(tǒng)對(duì)呼吸性粉塵除塵效率遠(yuǎn)低于對(duì)全塵除塵效率。機(jī)載除塵系統(tǒng)對(duì)總粉塵和呼塵除塵效率對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 機(jī)載除塵系統(tǒng)對(duì)總粉塵和呼塵除塵效率對(duì)比Table 1 Comparison of total dust and dust removal efficiency of airborne dust removal system

2 連續(xù)采煤機(jī)除塵系統(tǒng)改進(jìn)方案

掘進(jìn)工作面粉塵在截割滾筒附近濃度最大，粉塵在風(fēng)流作用下沿巷道全斷面不斷地排出、沉降和被捕集，因此粉塵濃度沿程不斷減小[16-17]，提出的改進(jìn)方案仍然在粉塵產(chǎn)生源頭進(jìn)行收集處理。

1）增加水路增壓泵。根據(jù)連采機(jī)型號(hào)不同選擇安裝1 臺(tái)合理的液壓型水路增壓泵，利用連續(xù)采煤機(jī)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，對(duì)連續(xù)采煤機(jī)電機(jī)冷卻水進(jìn)行增壓后由噴頭噴出。針對(duì)神東大柳塔煤礦掘進(jìn)面的實(shí)際情況，在12CM15-10D 連續(xù)采煤機(jī)上安裝1臺(tái)3520FVH 型號(hào)的增壓泵，額定壓力16 MPa，額定水流量87 L/min，水路增壓后壓力達(dá)到4.0 MPa，增壓泵液壓動(dòng)力來(lái)自12CM15 連續(xù)采煤機(jī)液壓先導(dǎo)回路，滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，提高噴霧除塵效率。

2）增加安裝離心式濕式除塵風(fēng)機(jī)。離心濕式除塵風(fēng)機(jī)主要由吸風(fēng)道、除塵器、主機(jī)、消聲器等組成;離心濕式除塵風(fēng)機(jī)直接利用由葉輪高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流強(qiáng)化含塵空氣中的粉塵與水霧霧粒的沖突,使其得到充分混合并形成含塵液滴，由旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生的離心力將含塵液滴拋到內(nèi)筒壁上，經(jīng)通孔進(jìn)入夾層空腔落入積水盒后被排出，從而實(shí)現(xiàn)捕獲氣載粉塵、凈化空氣的目的。

3）針對(duì)神東大柳塔煤礦掘進(jìn)面現(xiàn)有連續(xù)采煤機(jī)處理風(fēng)量小，吸風(fēng)口布局受限，對(duì)呼吸性粉塵除塵效率低等問(wèn)題，可根據(jù)巷道斷面尺寸，在運(yùn)輸左側(cè)安裝1 臺(tái)KCS-300D 離心濕式除塵風(fēng)機(jī)，機(jī)身尺寸長(zhǎng)×寬×高為2 200 mm×720 mm×800 mm，額定功率為22 kW，額定交流電壓1 140 V，電源取自連續(xù)采煤機(jī)電控箱，在駕駛室前安裝1 臺(tái)南京雙井QJZ-30啟動(dòng)器控制。每分鐘處理風(fēng)量為300 m3/min，風(fēng)機(jī)騎跨于連采機(jī)機(jī)身左后側(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)離心濕式除塵風(fēng)機(jī)安裝在機(jī)身左側(cè)，吸風(fēng)口距截割滾筒3～5 m 時(shí)，除塵風(fēng)機(jī)吸塵效果較好。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

設(shè)計(jì)改進(jìn)方案應(yīng)用于神東大柳塔煤礦52502 回風(fēng)巷（1）、52502 回風(fēng)巷（2）掘進(jìn)工作面，該掘進(jìn)面雙巷掘進(jìn)，巷道斷面尺寸6.0 m×4.2 m，每隔65 m 掘進(jìn)1 個(gè)聯(lián)絡(luò)巷，月均進(jìn)尺1 600 m。工作面掘進(jìn)頭使用φ800 mm 風(fēng)筒，供風(fēng)量600 m3/min，風(fēng)筒末端距工作面迎頭20 m。使用12CM15-10D 型連續(xù)采煤機(jī)，機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)功率為26 kW，除塵風(fēng)機(jī)處理風(fēng)量220 m3/min。在不開(kāi)啟除塵風(fēng)機(jī)時(shí)，噴霧水路增壓前后除塵效率對(duì)比見(jiàn)表2。噴霧水路增壓后，2 臺(tái)風(fēng)機(jī)開(kāi)啟和只開(kāi)啟機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)除塵效率對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 噴霧水路增壓前后除塵效率對(duì)比Table 2 Comparison of dust removal efficiency before and after pressurized water spray

表3 2 臺(tái)風(fēng)機(jī)開(kāi)啟和只開(kāi)啟機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)除塵效率對(duì)比Table 3 Comparison of dust removal efficiency of two sets of fan on and only on-board dust removal fan

通過(guò)表2 分析可知，將水路壓力增加到4 MPa的時(shí)候，煤機(jī)司機(jī)作業(yè)點(diǎn)的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率較噴霧水路增壓前分別提高了29.12%和22.14%；煤機(jī)后5 m 的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率較噴霧水路增壓前分別提高了19.12%和21.59%；煤機(jī)后15 m 的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率較噴霧水路增壓前分別提高了19.80%和15.64%。只通過(guò)增加噴霧壓力對(duì)提高降塵效率不是很顯著，尤其是對(duì)呼吸性粉塵的降塵效率的提高更為不理想，相較不增加噴霧壓力，在煤機(jī)司機(jī)作業(yè)點(diǎn)、煤機(jī)后5 m 和煤機(jī)后15 m 3 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，總塵和呼吸性粉塵提高最大的除塵效率分別為29.12%和22.14%。

通過(guò)表3 分析可知，2 臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)同時(shí)開(kāi)啟相較只開(kāi)啟機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)除塵率在煤機(jī)司機(jī)作業(yè)點(diǎn)的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率較分別提高了83.19%和67.23%；2 臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)同時(shí)開(kāi)啟相較只開(kāi)啟機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)除塵率在煤機(jī)后5 m 的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率分別提高了80.01%和66.12%；2 臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)同時(shí)開(kāi)啟相較只開(kāi)啟機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)除塵率在煤機(jī)后15 m 的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率分別提高了73.36%和31.95%。通過(guò)增加噴霧壓力和增加離心濕式除塵風(fēng)機(jī)，相較只增加噴霧壓力，在煤機(jī)司機(jī)作業(yè)點(diǎn)、煤機(jī)后5 m 和煤機(jī)后15 m 3 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，總塵和呼吸性粉塵除塵效率提高的最大效率分別為83.19%和67.23%。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)和新增設(shè)除塵風(fēng)機(jī)除塵效果與煤機(jī)滾筒割巷道底部或者中上部有較大影響，割巷道底部時(shí)，機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)除塵效果更為明顯，煤機(jī)滾筒割巷道中上部時(shí)，新增設(shè)除塵風(fēng)機(jī)效果相較割巷道底部時(shí)除塵效果更為明顯。

2）通過(guò)增加噴霧壓力對(duì)提高降塵效率不是很顯著，尤其是對(duì)呼吸性粉塵的降塵效率的提高更為不理想，相較不增加噴霧壓力，在煤機(jī)司機(jī)作業(yè)點(diǎn)、煤機(jī)后5 m 和煤機(jī)后15 m 3 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，總塵和呼吸性粉塵提高最大的除塵效率分別為29.12%和22.14%；通過(guò)增加噴霧壓力和增加離心濕式除塵風(fēng)機(jī)，相較只增加噴霧壓力，在煤機(jī)司機(jī)作業(yè)點(diǎn)、煤機(jī)后5 m 和煤機(jī)后15 m 3 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，總塵和呼吸性粉塵除塵效率提高的最大效率分別為83.19%和67.23%。