楊保國

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

霍州煤電集團有限責任公司辛置煤礦10-428B 工作面位于東四左翼采區(qū)，工作面井下位于+540 水平，對應地面標高為+763～+828 m，井下標高為+403～+431 m；工作面走向長度883 m，傾斜長度240 m；開采10#煤層，煤層平均厚度2.6 m，平均傾角4°，含有1 層夾矸，夾矸均厚0.2 m，煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，10#煤層瓦斯相對涌出量為0.46 m3/t，為低瓦斯煤層；煤塵具有爆炸性。10-428B 工作面采用綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板，工作面平均采高2.6 m，循環(huán)進度0.6 m；現(xiàn)為降低工作面的粉塵濃度，進行噴霧降塵方案的設計。

2 噴霧降塵系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計

根據(jù)前人的研究成果[1-3]，目前綜采工作面的支架噴霧裝置無法有效覆蓋液壓支架與煤壁間的區(qū)域，導致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因為工作面風速大、采高大；另外由于工作面內(nèi)存在著橫向高速風流，易導致噴霧系統(tǒng)形成的高濃度霧場被吹散，進而不能有效的對采煤機滾筒區(qū)域進行包裹，從而無法對采煤機產(chǎn)塵源進行有效控制，阻斷煤塵擴散效果差。本文根據(jù)負壓引射吸塵理論[4-5]，探索在不增加噴霧用水的基礎上，設計采用液壓支架風助集中噴霧和采煤機濕式風助降塵裝置，其具體降塵裝置如下：

（1）液壓支架風助集中噴霧降塵裝置：為實現(xiàn)噴霧場在綜采面煤壁至液壓支架立柱間的全覆蓋，采用不銹鋼外殼進行噴霧管的包裹，外殼上設置吸風口和噴霧口，吸風口位置處安裝一組馬達，在噴霧口的位置安裝3 個噴嘴，噴嘴分別與噴霧桿成15°、45°和75°布置，噴霧壓力為8 MPa。卷吸作用下的噴霧會在后部形成負壓場，使粉塵被吸入噴霧場內(nèi)，并且通過在噴霧裝置靠近吸塵口的位置布置一個氣動馬達，產(chǎn)生與噴霧方向同向的高速風流，增強引射吸塵和噴霧降塵效果。風助集中噴霧降塵裝置布置在液壓支架頂梁油缸處，具體液壓支架降塵裝置組成見圖1。

圖1 液壓支架風助集中噴霧降塵裝置組成

（2）采煤機濕式風助降塵裝置：采煤機噴霧是控制采煤機滾筒截割煤壁區(qū)域最關鍵的噴霧措施。但因采煤機滾筒截割煤層時產(chǎn)塵量較大且工作面內(nèi)風速較高，噴霧無法覆蓋采煤機滾筒區(qū)域，回采作業(yè)產(chǎn)生的粉塵會向著下風側(cè)擴散，工作面及回風側(cè)降塵效果較差。而若單純通過增大噴嘴孔徑或增加噴嘴數(shù)量，則會出現(xiàn)噴霧量過大[6-7]，工作面無法正常作業(yè)。為此，本文通過結(jié)合工作面現(xiàn)有的開采條件及采煤機設備情況，設計采用采煤機濕式風助噴霧降塵裝置：在直徑為400 mm 的鐵圓桶內(nèi)布置一臺防爆防水電機，型號為BYDF32，該電機的額定排量為6 840 m3/h，額定功率為1 440 W，靜壓力為800 Pa。噴霧裝置在出風口的位置安設，噴霧裝置成環(huán)形布置，等間距的布置8 個噴嘴，噴霧壓力為8 MPa，在葉輪前部區(qū)域布置若干排水孔，裝置底部布置固定底座，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 采煤機濕式風助降塵裝置

2.2 數(shù)值模擬分析

為分析液壓支架風助集中噴霧降塵+采煤機濕式風助降塵的效果，現(xiàn)采用FLUENT數(shù)值模擬軟件進行降塵效果分析。根據(jù)工作面、采煤機以及液壓支架的結(jié)構(gòu)，建立工作面數(shù)值模型，設計氣壓為1.0 MPa，噴霧壓力為8 MPa，并在工作面不同位置設置測點，具體模型及測點布置見圖3。

圖3 數(shù)值模型

基于上述建立的數(shù)值模型，進行工作面液壓支架風助集中噴霧降塵+采煤機濕式風助降塵方案下霧場分布規(guī)律模擬分析，模擬結(jié)果得出霧場霧滴分布見圖4。

圖4 霧場霧滴分布云

根據(jù)數(shù)值模型中設置的測點數(shù)據(jù)可得出，采煤機前滾筒不同位置處的霧場濃度見表2。

表2 采煤機前滾筒區(qū)域霧場濃度數(shù)據(jù)

分析圖3和表2可知，工作面回采期間，在采煤機風助噴霧和液壓支架風助噴霧的綜合作用下，采煤機噴霧形成的霧場會與液壓支架風助噴霧形成的霧場在采煤機滾筒區(qū)域處形成疊加，實現(xiàn)了對采煤機滾筒的有效包裹，霧場的平均濃度為24 665 mg/m3，控塵降塵效果良好。基于上述分析可知，噴霧系統(tǒng)有效抑制了粉塵的產(chǎn)生和擴散，能夠有效降低工作面內(nèi)的粉塵含量，優(yōu)化回采作業(yè)環(huán)境。

圖3 浸泡時間—滲透率關系

3 降塵效果分析

在10-428B 工作面采用噴霧降塵系統(tǒng)前后，在工作面內(nèi)布置9 個粉塵濃度監(jiān)測點，具體測點布置見表3。

表3 工作面粉塵濃度監(jiān)測點

通過對工作面降塵系統(tǒng)開啟前后粉塵濃度的檢測，分別得出工作面各個區(qū)域全塵和呼塵濃度，見表4。

分析表4可知，降塵系統(tǒng)開啟后，工作面各個區(qū)域的粉塵濃度均大幅下降，采煤機下風側(cè)10 位置處其降塵率最大，呼塵降塵率和全塵降塵率分別可達89.6%和90.2%；其次降塵率較高的區(qū)域為移架工處和轉(zhuǎn)載機處，工作面各個區(qū)域全塵和呼塵的降塵率均在80%以上。據(jù)此可知工作面降塵系統(tǒng)降塵效果顯著，有效地優(yōu)化了回采作業(yè)環(huán)境。

表4 噴霧系統(tǒng)實施前后粉塵濃度數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）采用FLUENT 數(shù)值模擬軟件進行液壓支架風助集中噴霧降塵+采煤機濕式風助降塵系統(tǒng)應用效果的模擬分析得出：工作面霧場平均濃度24 665 mg/m3，霧場可有效包裹采煤機滾筒區(qū)域。

2）10-428B 工作面采用噴霧降塵系統(tǒng)后，工作面各區(qū)域降塵率均在80%以上，降塵效果顯著。