陳 芳

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

粉塵是我國煤礦五大災(zāi)害之一，不僅會引起煤塵爆炸事故，還會使長期從事煤礦行業(yè)的工人患塵肺病、矽肺病等職業(yè)病[1-3]。近年來，隨著煤礦設(shè)備開采能力的不斷提升，礦井高產(chǎn)、集約化生產(chǎn)的發(fā)展模式，導(dǎo)致采場空間粉塵污染越來越突出[4，5]，井下工作面的粉塵產(chǎn)量也越來越大，已經(jīng)成為現(xiàn)代化礦井健康開采的主要問題。綜放工作面作業(yè)產(chǎn)生的粉塵主要來自于采煤機割煤作業(yè)、降柱移架作業(yè)和放煤作業(yè)過程中，是煤礦產(chǎn)塵量最大的作業(yè)場所，其產(chǎn)塵量約占礦井產(chǎn)塵量的60%，粉塵濃度遠超國家有關(guān)管理標準[6-8]。

煤礦井下綜放工作面內(nèi)采煤機割煤產(chǎn)塵是綜放工作面主要塵源，也是影響作業(yè)人員身心健康的主要塵源[9-11]。采煤機割煤產(chǎn)塵因其在工作面來回往復(fù)連續(xù)割煤，其塵源點呈現(xiàn)連續(xù)移動產(chǎn)塵特點，為粉塵治理帶來難度；并且采煤機附近煤壁較為破碎，割煤產(chǎn)生的大塊煤易對采煤機附屬裝置造成沖擊破壞，增加了粉塵治理設(shè)備配套難度[12-14]。同時，在采煤機對風(fēng)流阻擋效應(yīng)影響下，滾筒割煤產(chǎn)塵迅速發(fā)生橫向偏移擴散，進而進入支架人行側(cè)空間，此區(qū)域瞬間總粉塵濃度高達1000mg/m3以上，對作業(yè)人員造成職業(yè)危害[15，16]。其次，夾雜大量粉塵顆粒的橫向擴散風(fēng)流速度相對較高，直接沖擊作業(yè)人員面部，致使作業(yè)人員視野及舒適度大幅下降，嚴重影響作業(yè)人員正常觀察采煤機割煤滾筒位置，存在安全生產(chǎn)隱患[17，18]。綜上所述，急需在針對采煤機滾筒割煤移動塵源開展治理研究。

1 工程概況

羊場灣煤礦一號井主要開采2#煤層，煤層平均水分含量為12.44%，煤層硬度為1～2，礦井屬低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性。150201綜放工作面，煤層埋深620～700m，傾角7°～10°，平均8°，煤層平均厚度8.8m，工作面長度為260m，連續(xù)推進長度為1020m，采用綜放開采，采高3.8m，放煤高度5m，采用MG750/1920-WD雙滾筒采煤機割煤，滾筒直徑2.5m，搖臂長2.8m。采用140臺ZF13000/25/43D型液壓支架支護頂板，架中心距1.75m。工作面設(shè)計供風(fēng)量1267m3/min，工作面平均風(fēng)速1.0m/s，工作面配備有3臺BPW500/16型噴霧泵站，采用直徑108mm防塵供水管路供水。

150201綜放工作面由于采用一采一放綜放開采工藝，工作面煤壁較為破碎，同時采煤機割煤速度較大，導(dǎo)致采煤機割煤產(chǎn)塵粉塵產(chǎn)塵強度較大，受采煤機阻擋影響，風(fēng)流易發(fā)生橫向擴散，采煤機割煤產(chǎn)塵迅速被風(fēng)流帶動而擴散到支架內(nèi)人行側(cè)區(qū)域，因此急需對該類條件采煤機割煤產(chǎn)塵進行治理。

2 采煤機噴霧控塵理論分析

針對采煤機塵源處飛揚起來的粉塵，控制含塵氣流不向人行道擴散并對含塵氣流進行凈化是國內(nèi)外采煤機防塵技術(shù)的一個新的思路，并在試驗和實際應(yīng)用中，尤其是在、高風(fēng)速條件下取得了較好的效果，可使采煤機人行道、或司機處粉塵減少80%以上。該項技術(shù)的特點是利用扇形霧幕控塵，控制含塵氣流靠煤壁一側(cè)運動，減少司機位置處的粉塵污染，同時對沿煤壁與人行道之間運移的含塵氣流采用不同噴霧組合進行沿程凈化，進一步降低風(fēng)流中的粉塵濃度。

扇形霧幕控塵主要是通過在采煤機滾筒附近，通過高壓霧流實現(xiàn)對上風(fēng)側(cè)風(fēng)流進行干預(yù)阻擋，使得新鮮風(fēng)流在采煤機前方2～3m位置發(fā)生分流，減少滾筒附近風(fēng)流對割煤產(chǎn)生的粉塵顆粒吹拂揚塵現(xiàn)象；同時，下風(fēng)側(cè)滾筒附近扇形高壓霧流可將上風(fēng)側(cè)滾筒割煤逃逸擴散粉塵利用噴霧卷吸作用引導(dǎo)粉塵向煤壁運動；扇形霧幕在控塵過程中還可通過霧流對割煤滾筒實現(xiàn)密閉包裹，降低滾筒產(chǎn)塵量，采煤機扇形霧幕控塵及分風(fēng)導(dǎo)流示意如圖1所示。

圖1 采煤機扇形霧幕控塵及分風(fēng)導(dǎo)流示意圖

3 噴霧控塵裝置研制

3.1 設(shè)計參數(shù)的確定

要實現(xiàn)扇形霧幕包裹滾筒，同時能夠分風(fēng)導(dǎo)流，霧幕安裝位置及霧流角度是關(guān)鍵。根據(jù)羊場灣煤礦150201綜放工作面MG750/1920-WD型采煤機結(jié)構(gòu)，同時考慮扇形霧幕控塵安裝維護便利等問題，設(shè)備安裝在采煤機截割電機外側(cè)端面，以此位置計算研究噴霧霧流方向角度。以滾筒位置及霧流覆蓋范圍、噴嘴自身噴霧霧流張角等參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，研究控塵裝置的噴孔角度，霧流角度計算模型如圖2所示。

圖2 扇形控塵裝置霧流角度計算模型

由圖2數(shù)學(xué)計算模型，可得到扇形霧幕控塵霧流布置角度范圍滿足以下關(guān)系：

式(1)簡化后，得到α、β計算式(2)：

式中，α為扇形霧流垂直夾角；β為扇形霧流水平夾角；D為滾筒直徑；H為截割深度，一般取0.8m；S為噴霧點距離煤壁距離；L0為噴霧點距離滾筒中心距離；L1為噴霧點距離滾筒外邊緣最遠端距離；L2為噴霧點距離滾筒內(nèi)邊緣最近端距離。

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備配套及布置方式，實測得到：D=2.5m，S=1.5m，L0=4.0m，L1=5.4m，L2=3.6m；經(jīng)計算，扇形霧幕控塵霧流垂直夾角為α為36.9°，水平夾角β為25.5°；因此在設(shè)計扇形霧幕控塵噴霧裝置時，垂直與水平噴霧角度應(yīng)至少大于α和β角度。為了進一步確定扇形霧幕控塵裝置所需噴嘴數(shù)量，選用性能參數(shù)較好的PZ型噴嘴覆蓋面積(1.08m2)作為試驗噴嘴，為了確保噴霧霧流能夠完全覆蓋滾筒邊緣，應(yīng)至少需要7個噴嘴，如圖3所示。扇形霧幕控塵霧流角度如圖4所示。

圖3 噴嘴覆蓋滾筒

根據(jù)噴霧流覆蓋面積大小及覆蓋位置，結(jié)合采煤機結(jié)構(gòu)尺寸及現(xiàn)場布置參數(shù)，建立1∶1坐標系，量取坐標系內(nèi)不同位置噴嘴的朝向角度，具體見表1。

3.2 噴霧裝置研制

在上述研究結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合采煤機機構(gòu)形式，研制適合該類采煤機的隨機扇形霧幕控塵裝置。采煤機控塵裝置包含上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)噴霧控塵兩個裝置，上風(fēng)側(cè)控塵噴霧主要通過霧流阻擋導(dǎo)流作用阻止粉塵向人行測擴散，下風(fēng)側(cè)控塵噴霧可將上風(fēng)側(cè)滾筒割煤逃逸擴散粉塵利用噴霧卷吸作用引導(dǎo)粉塵向煤壁運動，同時在引導(dǎo)過程中實現(xiàn)沿程降塵，扇形霧幕控塵裝置如圖5所示。裝置根據(jù)計算得到噴霧角度，設(shè)計7個必須的噴孔，同時另外增加2個備用噴孔，共設(shè)計9個噴孔，具體噴孔使用數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場需要選取。

圖4 扇形霧幕控塵霧流角度

表1 扇形霧幕控塵霧流角度明細表

圖5 采煤機扇形霧幕控塵裝置及噴霧效果

4 實驗室試驗

通過對研制的扇形霧幕控塵裝置進行實驗室測試試驗，測試控塵裝置在不同噴霧壓力、流量條件下，噴霧角度、射程及覆蓋面積，得到扇形霧幕控塵技術(shù)最佳的工藝參數(shù)，實驗室測試情況如圖6所示。實驗室測試中，受實驗室采用噴霧泵站流量限制，同時考慮到噴霧范圍測量難度，本次試驗分為2次分別對其中4個噴嘴進行分批測試，噴霧流量采用稱重法測試、射程及范圍采用卷尺測量霧流有效長度、角度采用照片投影法計算，其中噴霧流量和噴霧覆蓋面積為兩次噴霧試驗后的疊加數(shù)據(jù)，試驗測試數(shù)據(jù)見表2。

圖6 扇形霧流實驗室測試

表2 扇形霧幕控塵實驗室測試數(shù)據(jù)

實驗室測試可知：控塵裝置噴霧壓力在2～9MPa下，噴霧流量在42.3～75.8L/min之間，流量在噴霧壓力4MPa之后，增大趨勢隨噴霧壓力逐漸減緩；隨著噴霧壓力增加，噴霧角度略有增加，噴霧角度在28°～33°之內(nèi)變化，變化幅度不大；隨著噴霧壓力增加，有限射程在1.6～3.6m之間變化，其中噴霧壓力達到5MPa之后，噴霧有效射程增加量變化不大，達到7MPa后，射程穩(wěn)定在3.6m，無明顯增加；噴霧覆蓋面積隨噴霧壓力增加而增加，但噴霧壓力在2～4MPa之間時增加幅度較大，噴霧壓力達到4MPa之后覆蓋面積增加幅度逐漸減小，并隨噴霧壓力增加穩(wěn)定在5.2m2。通過實驗室測試表明，在現(xiàn)場應(yīng)用時，要使得控塵噴霧實現(xiàn)完全包裹采煤機滾筒，噴霧壓力至少應(yīng)達到5MPa。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)以上研究結(jié)果，在羊場灣煤礦一號井150201綜放工作面進行了現(xiàn)場測試試驗，現(xiàn)場安裝布置如圖7所示?，F(xiàn)場使用時，上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)扇形霧幕控塵裝置分別安裝在采煤機搖臂根部截割電機外側(cè)并靠近擋煤板位置，通過焊接固定在截割電機端面上部位置，上下風(fēng)側(cè)控塵噴霧噴嘴數(shù)量均為7個，現(xiàn)場實測噴霧壓力為5～6MPa之間變化，噴霧流量為55～65L/min?，F(xiàn)場使用穩(wěn)定后，利用粉塵濃度采樣器測試控塵噴霧使用前后采煤機司機和機尾10m位置粉塵濃度變化情況，分析其對滾筒割煤控降塵效率，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)見表3。

圖7 現(xiàn)場試驗測試

表3 現(xiàn)場粉塵濃度測試情況表 mg/m3

通過現(xiàn)場測試可知，司機位置總粉塵濃度由原來的534.6mg/m3降低到146.8mg/m3，降塵效率為72.54%，呼吸性粉塵由原來的156.8mg/m3降低到48.6mg/m3，降塵效率為69.01%；機尾10m位置總粉塵濃度由原來的574.7mg/m3降低到150.3mg/m3，降塵效率為73.85%，呼吸性粉塵由原來的187.5mg/m3降低到52.2mg/m3，降塵效率為72.16%，總粉塵降塵效果對比如圖8所示，呼吸性粉塵降塵效果對比如圖9所示；經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，扇形霧幕控塵裝置起到了較好控降塵效果，能有效解決采煤機割煤粉塵橫向擴散問題，裝置使用穩(wěn)定可靠，司機位置處作業(yè)環(huán)境得到明顯改善。

圖8 總粉塵降塵效果對比圖

圖9 呼吸性粉塵降塵效果對比圖

6 結(jié) 論

1)通過分析采煤機扇形霧幕導(dǎo)流分風(fēng)及控塵原理，建立了控塵噴霧角度數(shù)學(xué)模型，計算得出了控塵噴霧夾角及噴嘴數(shù)量，并結(jié)合采煤機結(jié)構(gòu)，設(shè)計了扇形霧幕控塵裝置；經(jīng)實驗室測試表明：扇形霧幕控塵裝置在噴霧壓力6～8MPa之間時，有效射程穩(wěn)定在3.5m以上，覆蓋面積可達4.9m2以上，霧流能夠覆蓋采煤機割煤滾筒。

2)現(xiàn)場應(yīng)用可知：在噴霧壓力5～6MPa條件下，司機位置總粉塵和呼吸性粉塵濃度由原來的534.6mg/m3和156.8mg/m3，分別降低到146.8mg/m3和48.6mg/m3，降塵效率分別為72.54%和69.01%；機尾10m位置總粉塵和呼吸性粉塵濃度分別降低了73.85%和72.16%，研發(fā)的扇形霧幕控塵裝置可有效降低采煤機割煤粉塵橫向擴散問題，操作人員作業(yè)環(huán)境得到明顯改善，效果顯著。