王 良

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 朔州煤電有限公司，山西 朔州 036900)

煤炭是最重要的基礎(chǔ)資源之一。我國(guó)煤炭消費(fèi)占能源需求總量的60%以上[1]。在煤礦開采過程中，粉塵主要產(chǎn)生在綜采工作面。高濃度粉塵可能會(huì)蔓延到整個(gè)工作空間，局部粉塵濃度可達(dá)3 000 mg/m3，嚴(yán)重影響工人安全和煤炭生產(chǎn)[2]。機(jī)械化采煤工作面的粉塵主要來自截煤機(jī)輥切和液壓支架的運(yùn)動(dòng)，兩者產(chǎn)生了總粉塵量的90%.煤礦工人如果長(zhǎng)期在這種高濃度粉塵的環(huán)境中工作，很容易患上塵肺病[3]。

通過噴霧誘導(dǎo)負(fù)壓(低于大氣)將粉塵帶進(jìn)噴霧場(chǎng)，能夠提高單位質(zhì)量耗水除塵效率。利用這一原理，聶文等[4]。開發(fā)了一種負(fù)壓除塵裝置，可以安裝在采煤機(jī)滾筒周圍。該裝置采用超聲波霧化噴嘴，在采煤機(jī)滾筒處產(chǎn)生明顯的負(fù)壓區(qū)，降塵效果顯著。不過，此裝置還應(yīng)配備高壓氣體和高壓水流。廖小東等[5]開發(fā)了一種基于水霧的長(zhǎng)壁面降塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以安裝在前撐桿或電纜槽上。該裝置可將粉塵夾帶在人行道上，顯著提高單位質(zhì)量耗水的除塵效率。但該裝置使用的是嵌入體的超聲波噴嘴，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。形成的噴淋場(chǎng)僅能覆蓋煤壁和液壓支架立柱圍合空間截面的45%左右，整體除塵效率低于50%。

為了克服上述除塵技術(shù)的不足，本文研制了一種新型的噴霧負(fù)壓二次除塵裝置。與傳統(tǒng)的液壓支架間噴涂技術(shù)相比，僅使用3個(gè)噴嘴，耗水量減少50%～70%.該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。除此之外，該裝置形成的噴涂區(qū)域能夠有效將煤壁覆蓋處開采面的高濃度粉塵有效去除，與現(xiàn)有的負(fù)壓除塵裝置相比，所研制的裝置僅利用煤礦井下高壓水流，具有安裝操作方便、實(shí)用性強(qiáng)、開發(fā)運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 噴涂/負(fù)壓二次除塵機(jī)構(gòu)

噴射誘導(dǎo)活塞機(jī)構(gòu)示意見圖1。當(dāng)噴霧半徑等于或大于管道內(nèi)徑時(shí)，形成一種噴霧誘導(dǎo)吸力機(jī)構(gòu)。具體來說，噴管前面的空氣會(huì)被噴出的噴霧器推出去，在其后面形成一個(gè)承壓的空氣場(chǎng)。因此，在噴嘴處形成一個(gè)負(fù)壓(低于大氣)，使含塵氣流進(jìn)入管道。在噴嘴內(nèi)，夾帶的灰塵與水滴碰撞，被迫凝結(jié)。同時(shí)，由凈化后的空氣和水霧組成的混合物被噴嘴高速噴射，在噴射端口形成一個(gè)負(fù)壓場(chǎng)。周圍含塵氣流被吸入噴霧場(chǎng)，對(duì)噴霧場(chǎng)中的粉塵進(jìn)一步凈化，實(shí)現(xiàn)二次除塵。

圖1 噴射誘導(dǎo)活塞機(jī)構(gòu)示意

負(fù)壓噴霧二次除塵方法的主要性能指標(biāo)包括吸風(fēng)量、集塵能力和汽液比。吸風(fēng)流量主要受噴涂壓力和噴嘴性能的影響。捕塵能力是指被噴霧捕獲的粉塵量，與噴射凈化通道中霧滴的粒徑和速度有關(guān)。汽液比定義為負(fù)壓二次除塵裝置吸入的含塵空氣量與耗水量之比，應(yīng)盡量提高，該比值越高，除塵性能越好。吸氣量越大意味著可以吸入更多的含塵空氣，更有利于含塵空氣的凈化。

2 新裝置的研制及性能效果

2.1 新裝置研發(fā)

在液壓支架千斤頂所在的油缸處安裝二次除塵裝置，并安裝幾個(gè)整體霧化性能最佳的噴嘴進(jìn)行噴涂。噴嘴以一定的角度布置，使產(chǎn)生的噴射范圍完全覆蓋截面墻和液壓支架。喇叭形的除塵口被噴嘴的噴射場(chǎng)所覆蓋。側(cè)吸塵口可用于吸支架運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的粉塵。背面的吸塵口與氣流的方向傾斜角為15°，這樣不僅可以夾帶在支架運(yùn)動(dòng)期間產(chǎn)生的灰塵，而且還可以在液壓支架之間的人行道上收集灰塵，從而避免了人行道上的除塵盲區(qū)，達(dá)到了全斷面的除塵效果。側(cè)、背面吸塵口截面面積分別為0.009 6 m2、0.022 4 m2。

圖2為研制的噴霧二次除塵裝置。

圖2 噴霧二次除塵裝置示意

2.2 新裝置性能效果

在噴涂壓力為2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa時(shí)，對(duì)二次除塵裝置的噴涂誘導(dǎo)負(fù)壓吸力和噴涂性能進(jìn)行了測(cè)試和分析，采用風(fēng)速計(jì)(8347-VELOCICALC, TSI, USA)測(cè)量吸入口處的風(fēng)速，并計(jì)算吸入口氣流。用紅條和煤塵對(duì)性能進(jìn)行測(cè)試，如圖3所示。

圖3 二次除塵噴淋裝置的吸風(fēng)效果圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將該除塵裝置應(yīng)用于高莊煤礦上1109綜采工作面(11綜采區(qū)、9綜采工作面)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。采煤工作面采取了采煤機(jī)內(nèi)外噴煤、液壓支架間噴煤等防塵措施。如圖4所示，3個(gè)噴嘴水平傾斜安裝在液壓支架之間。噴淋壓力為8 MPa時(shí)，噴嘴的噴淋場(chǎng)僅能覆蓋煤壁與液壓支架之間約一半的空間。采用不同降塵方法對(duì)采煤工作面粉塵濃度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量步驟如下:①未采取降塵措施;②采用原有除塵方法，噴涂壓力設(shè)定為8 MPa;③將噴涂除塵裝置改為噴涂/負(fù)壓二次除塵裝置，設(shè)置噴涂壓力為8 MPa。

圖4 傳統(tǒng)噴水裝置在8 MPa噴淋壓力下的效果圖

圖5顯示了不同降塵措施下對(duì)全部粉塵和呼吸性粉塵的降塵率，測(cè)點(diǎn)編號(hào)如下：①煤機(jī)駕駛員作業(yè)位置；②在采煤機(jī)背風(fēng)側(cè)10 m處；③移動(dòng)支架的工人操作位置；④煤機(jī)駕駛員作業(yè)位置或距搬運(yùn)支架工人背風(fēng)面作業(yè)位置20 m處，進(jìn)行多次作業(yè)時(shí)；⑤刮板輸送機(jī)尖端的位置；⑥破碎機(jī)的位置；⑦反向裝載機(jī)位置；⑧沿回風(fēng)道30 m處(回風(fēng)道距綜采工作面20 m處)。

圖5 各種除塵措施對(duì)全部粉塵和呼吸性粉塵的抑制率曲線

由圖5可知，采用研制的二次除塵裝置時(shí)，全部粉塵和呼吸性粉塵濃度的平均抑制率分別為82.0%和80.9%，而采用傳統(tǒng)除塵措施時(shí)分別為55.8%和53.6%.結(jié)果表明，采用該除塵裝置可顯著降低綜采工作面粉塵濃度。

4 結(jié) 語

本文研制了一種適用于綜采工作面液壓支架之間的噴霧負(fù)壓二次除塵裝置。通過實(shí)驗(yàn)選取了霧化性能最佳的噴嘴，并對(duì)所研制裝置的吸塵性能和除塵性能進(jìn)行了測(cè)試。將該裝置應(yīng)用于某綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)研究結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

噴霧壓力對(duì)所研制的噴霧負(fù)壓二次除塵裝置的除塵性能有較大影響，采用新型噴霧負(fù)壓二次除塵裝置，噴霧能較好地覆蓋綜采工作面煤壁至液壓支架的空間區(qū)域。此外，設(shè)備側(cè)面和后部的吸入口可以通過負(fù)壓噴射吸入含塵氣流，真正實(shí)現(xiàn)二次除塵。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果，在噴涂壓力為8 MPa時(shí)，與傳統(tǒng)除塵裝置相比，所研制的噴霧負(fù)壓二次除塵裝置，可使綜采工作面全煤粉塵和呼吸性粉塵的除塵率提高26%以上，降塵效率分別達(dá)到82.0%和80.9%.