孟雪敏

（晉能控股集團挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

1 工程概況

挖金灣礦8103 綜采工作面開采4 號煤層，煤層均厚3.2 m，平均傾角6°，回采期間相對瓦斯涌出量8.9 m3/t，絕對瓦斯涌出量59.61 m3/min。因煤體硬度系數(shù)小、極破碎，工作面生產(chǎn)期間會產(chǎn)生較大的煤塵，根據(jù)8103 綜采工作面實際條件，結(jié)合液壓支架及采煤機結(jié)構(gòu)，設(shè)計霧化降塵系統(tǒng)并成功應(yīng)用。

2 霧化降塵系統(tǒng)設(shè)計及分析

2.1 架間噴霧引射除塵裝置

常規(guī)綜采工作面降塵措施主要有架間噴霧降塵及采煤機內(nèi)外噴霧降塵。其中，架間噴霧降塵裝置一般為手動安裝在液壓支架上，采煤機為自帶噴霧降塵裝置，安裝在滾筒內(nèi)、外側(cè)。架間噴霧引射降塵裝置具有負壓引射功能，其工作原理為噴嘴通過管狀結(jié)構(gòu)即噴管、由內(nèi)向外連續(xù)進行噴霧，在噴管口及其附近形成一定的負壓區(qū)域[1-3]。一方面由于噴管管徑與水霧直徑的關(guān)系，在噴管內(nèi)形成噴霧活塞，利于負壓區(qū)域的形成；另一方面由于噴霧時射出速度較快，水霧與霧化后的空氣混合物被連續(xù)射出后，繼而在噴管口附近形成負壓噴霧場，促使周圍含有粉塵的空氣被吸進負壓噴霧場，進一步凈化空氣中的煤塵濃度，實現(xiàn)二次降塵。綜上所述，負壓引射噴霧效果與液氣比、吸風量及補塵能力等關(guān)鍵指標緊密相關(guān)[4-5]。負壓引射吸塵機理示意圖如圖1。

圖1 負壓引射吸塵機理示意圖

基于負壓引射噴霧技術(shù)原理，結(jié)合8103 綜采工作面液壓支架及采煤機自身結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計采用的負壓引射噴霧裝置由固定環(huán)、側(cè)部吸塵口、后部吸塵口及B2#噴嘴組成，負壓引射噴霧裝置示意圖如圖2。首先將該裝置安裝在支架頂梁油缸處，之后確定噴嘴安裝角度，即保證噴霧范圍覆蓋支架頂梁油缸至煤墻區(qū)域，實現(xiàn)工作面切眼全斷面凈化降塵的目的。

圖2 負壓引射噴霧裝置示意圖

2.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)8103 綜采工作面實際條件，采用ANSYS軟件進行數(shù)值模擬分析，用于指導確定降塵噴霧系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。首先建立MG400/930-QWD 型電牽引采煤機、ZF6400/19/32 型液壓支架、工作面風流及采煤機、液壓支架噴霧降塵系統(tǒng)模型，確定采煤機前后25 m 范圍為模擬區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)共有液壓支架20 架。工作面進風流風速設(shè)置為1.8 m/s，風流設(shè)置為連續(xù)相介質(zhì)。B2#型噴嘴噴霧壓力設(shè)置為7 MPa，采用工程類比法及理論分析，設(shè)置B2#型噴嘴傾角（與水平方向夾角）為12°、42°及72°時均能實現(xiàn)噴霧開啟時覆蓋支架頂梁油缸至煤墻區(qū)域，設(shè)置完成后通過運算生成風霧場云圖，如圖3。

圖3 架間噴霧風霧場云圖

2.2.1 架間噴霧模擬分析

通過對采煤機前后25 m 范圍建立模型，對各個關(guān)鍵參數(shù)進行賦值，利用ANSYS 軟件進行運算，得出架間噴霧降塵裝置的風霧場云圖如圖3，用于分析B2#型噴嘴霧化角、有效射程、風流跡線及降塵效果。

（1）霧化角及有效射程

對比B2#型噴嘴傾角為12°、42°、72°，壓力7 MPa 時的霧化效果，得出霧化角為77°，在該條件下有效射程達4.6 m，距B2#型噴嘴0.5～1.2 m范圍為降塵效果最佳的區(qū)域。

（2）風流跡線及降塵效果

工作面進風風流距架間噴霧裝置上風側(cè)約300 mm 處遇負壓噴霧場時受到一定程度的干擾，距架間噴霧裝置下風側(cè)500～700 mm 范圍風流跡線發(fā)生明顯偏移，負壓噴霧場附近風速增大且下折，帶動煤塵隨風流進入負壓噴霧場，煤塵在負壓噴霧場內(nèi)與水霧碰撞后下沉。

2.2.2 采煤機外噴霧模擬分析

采用工程類比法及理論分析，結(jié)合8103 綜采工作面MG400/930-QWD 型電牽引采煤機自身結(jié)構(gòu)及霧化效果，一方面在采煤機前后滾筒上直接安裝4 個B2#型噴嘴，實現(xiàn)對滾筒包圍式噴霧降塵（其中，每個滾筒等間距布置4 個噴嘴，呈環(huán)形布置）；另一方面在采煤機搖臂上直接安裝5 個B2#型噴嘴，實現(xiàn)對搖臂范圍內(nèi)煤墻的噴霧降塵（其中，4 個噴嘴沿搖臂呈環(huán)形布置，1 個噴嘴安裝在正中位置）。設(shè)置完成后輸入軟件進行運算，生成采煤機外噴霧風流霧場模擬圖如圖4。

圖4 采煤機外噴霧風流霧場模擬圖

（1）源頭控制

由圖4 可知，采煤機外噴霧全部開啟時，噴霧形成一定范圍的霧場，且完全覆蓋滾筒區(qū)域，阻止?jié)L筒截割煤體時煤塵的擴散，從產(chǎn)塵源頭進行有效管控。

（2）風流跡線及降塵效果

通過分析圖4 中風流跡線可看出，滾筒處較其他區(qū)域煤塵明顯減少，說明霧場具有阻擋風流的作用；霧場對滾筒實現(xiàn)包圍式噴霧降塵，且達到最佳降塵效果。

綜上所述，采煤機外噴霧形成的霧場極大地抑制了煤塵的擴散，達到煤塵進入霧場后與霧滴碰撞沉降的目的。

3 噴霧降塵方案及效果

3.1 噴霧降塵方案

基于8103 綜采工作面現(xiàn)場實際條件，結(jié)合噴霧系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果，采用架間噴霧配合采煤機外噴霧的綜合降塵方案。

（1）采煤機外噴霧方案

B2#型噴嘴分別安裝在采煤機滾筒電機及搖臂上，噴嘴沿滾筒呈環(huán)形布置，共安設(shè)4 個，間距一致，且與搖臂水平方向呈-90°～90°，向煤墻側(cè)傾斜25°，實現(xiàn)均勻、全覆蓋噴射。在采煤機搖臂安設(shè)5 個噴嘴，其中，4 個噴嘴沿搖臂呈環(huán)形布置，與搖臂水平方向呈-120°～120°，1 個噴嘴安裝在搖臂正中位置。采煤機噴嘴布置示意圖如圖5。

圖5 采煤機噴嘴布置示意圖

（2）架間噴霧方案

將負壓引射噴霧裝置安裝在液壓支架頂梁油缸處，每個裝置共安裝3 個B2#型噴嘴，結(jié)合數(shù)值模擬霧化效果，設(shè)置噴嘴與水平方向夾角為77°，每架支架均安裝一個負壓引射噴霧裝置，確保工作面全斷面范圍均被噴霧場覆蓋，實現(xiàn)無死角降塵。

3.2 效果分析

結(jié)合工作面現(xiàn)場實際條件，共建立10 個煤塵濃度監(jiān)測點。對比噴霧降塵系統(tǒng)使用前后呼塵及全塵濃度，計算呼塵降塵率及全塵降塵率。具體監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 噴霧降塵系統(tǒng)實施前后粉塵濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)表

對比表1 中數(shù)據(jù)可知：采用噴霧降塵方案后，10 個煤塵濃度監(jiān)測點的呼塵濃度減少均在66%以上，其中，采煤機司機處降塵率最大，為72.1%。10 個煤塵濃度監(jiān)測點的全塵濃度減少均在71%以上，其中，采煤機司機處降塵率同樣為最大，為77.3%。綜上所述，噴霧降塵系統(tǒng)實施后，降塵效果顯著。

4 結(jié)論

（1）挖金灣礦根據(jù)8103 綜采工作面實際條件，結(jié)合液壓支架及采煤機結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計基于B2#型噴嘴為核心的架間負壓引射噴霧及采煤機外噴霧降塵系統(tǒng)，負壓引射噴霧裝置在管口形成負壓場，利用負壓場實現(xiàn)二次降塵，進一步凈化風流中的粉塵。（2）采用ANSYS 軟件對霧化降塵系統(tǒng)進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果指導確定噴霧降塵系統(tǒng)中的噴嘴壓力、霧化角、安裝位置等關(guān)鍵參數(shù)。通過對比噴霧降塵系統(tǒng)實施前后粉塵濃度得出，工作面呼塵濃度下降66%以上，全塵濃度下降71%以上。（3）噴霧降塵系統(tǒng)的實施極大降低了工作面粉塵濃度，優(yōu)化了工作面作業(yè)環(huán)境，且該系統(tǒng)在現(xiàn)場的適用性較強，具有極大的推廣應(yīng)用價值。