高 斐

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037001）

引言

隨著現(xiàn)代化采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，大采高綜采技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，雖然提高了煤炭開(kāi)采效率但也使采煤工作面受粉塵嚴(yán)重污染。大采高綜采技術(shù)的粉塵產(chǎn)生和運(yùn)移規(guī)律與傳統(tǒng)采高綜采技術(shù)不同，這使得過(guò)往的防塵技術(shù)已無(wú)法適應(yīng)實(shí)際的生產(chǎn)需求。針對(duì)這一現(xiàn)象，提出了專(zhuān)門(mén)針對(duì)大采高綜采工作面的防塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，通過(guò)噴嘴選定、新型霧化降塵裝置設(shè)計(jì)，完成了大采高綜采工作面防塵系統(tǒng)研究，提高了大采高綜采工作面的除塵效率。

1 大采高綜采工作面粉塵特性以及運(yùn)動(dòng)理論分析

大采高綜采工作面的產(chǎn)塵環(huán)節(jié)主要有風(fēng)流帶入、移架工序、運(yùn)輸工序以及采煤機(jī)割煤工序，產(chǎn)塵方式主要有摩擦、掉落以及二者相互結(jié)合三種方式[1-2]。大采高綜采面的風(fēng)流分布規(guī)律為：整體呈中部大、四面小的規(guī)律，受支架以及護(hù)幫板干擾，風(fēng)流速度不均勻。在采煤機(jī)附近，風(fēng)速被滾筒與設(shè)備阻擋，分流到其他空間，使得其他空間風(fēng)速上升。通過(guò)采煤機(jī)后，風(fēng)速恢復(fù)。大采高綜采面粉塵主要由煤炭粉塵、巖石粉塵以及其他混合物質(zhì)組成，可分為非呼吸性與呼吸性粉塵。大采高綜采面粉塵顆粒粒徑為1～50μm，以呼吸性粉塵為主，占比80%以上。大采高綜采面在采煤機(jī)與移架處粉塵濃度最高，順著風(fēng)向，粉塵濃度逐漸降低。

大采高綜采面粉塵的沉降速度與粉塵粒徑呈正比，顆粒越大，沉降速度越快，運(yùn)移速度主要與風(fēng)流速度有關(guān)。當(dāng)采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)，粉塵擴(kuò)散性小，高濃度粉塵集中于煤壁一側(cè)滾筒處，且移架與割煤粉塵會(huì)混合作用，粉塵衰減行程更大。當(dāng)采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)，高濃度粉塵位置在煤壁一側(cè)中間處，其他與逆風(fēng)割煤相同[3]。

2 防塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 噴嘴選型

大采高綜采工作面的噴嘴選型主要有三個(gè)要求：首先，應(yīng)選擇盡量大的噴霧霧化角，大霧化角可提高水滴霧化效果以及系統(tǒng)降塵覆蓋面積，使系統(tǒng)在同等用水量的前提下得到更好的降塵效果；其次，為考慮企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)保證系統(tǒng)耗水量在10 L/min以下；最后，噴嘴的射程應(yīng)符合實(shí)際工作面的需要。通常情況下，大采高綜采工作面射程至少應(yīng)在5 m以上。經(jīng)過(guò)對(duì)本地噴嘴進(jìn)行篩選發(fā)現(xiàn)，共有8款噴嘴符合要求。對(duì)8款噴嘴進(jìn)行霧化試驗(yàn)，其過(guò)程示意圖如圖1所示。水箱內(nèi)的水經(jīng)過(guò)高壓柱塞泵加壓到設(shè)計(jì)壓力后，通過(guò)試驗(yàn)噴嘴對(duì)水進(jìn)行霧化處理，再運(yùn)用Winner312激光粒度分析儀對(duì)經(jīng)噴嘴霧化后的霧滴進(jìn)行粒徑測(cè)量，從而模擬大采高綜采工作面的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，通過(guò)霧化參數(shù)分析得出最佳噴嘴[4-5]。

圖1 霧化試驗(yàn)過(guò)程示意圖

經(jīng)試驗(yàn)分析，噴口直徑為2.4 mm的含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴、直徑為1.6 mm的十字開(kāi)口含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴及1.4 mm錐形導(dǎo)流槽直射式噴嘴性能最佳，較為符合大采高綜采工作面防塵系統(tǒng)。但由于十字開(kāi)口含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴射程范圍為5.6～7 m，小于含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴的7.2～9.1 m，全斷面噴霧無(wú)法做到，但該噴嘴耗水量以及霧化角度較為中庸，故十字開(kāi)口含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴適合于機(jī)外噴霧，含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴適合于大采高架間噴霧。1.4 mm錐形導(dǎo)流槽直射式噴嘴耗水量較小，且霧化角度相對(duì)較大，故較為擋塵簾噴嘴。

2.2 新型霧化降塵裝置設(shè)計(jì)

本文的霧化降塵裝置采用的方法為噴霧負(fù)壓二次降塵技術(shù)。噴霧負(fù)壓二次降塵技術(shù)是指當(dāng)水滴通過(guò)噴嘴向外噴霧時(shí)，擴(kuò)散直徑比管徑大，管內(nèi)會(huì)發(fā)生水霧活塞現(xiàn)象，空氣推出后水霧后方會(huì)出現(xiàn)真空現(xiàn)象，真空帶來(lái)的負(fù)壓會(huì)吸入含塵氣流，使粉塵與水霧撞擊結(jié)合。當(dāng)水霧噴出后，粉塵會(huì)失去漂浮能力沉降，同時(shí)去除粉塵后的水霧可再一次與粉塵結(jié)合，達(dá)到二次降塵目的，提高系統(tǒng)除塵效率。

對(duì)新型霧化降塵裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，其裝置示意圖如圖2所示。降塵裝置采用焊接方式安裝于采煤機(jī)電機(jī)箱外，裝置共有四個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)，使用的為直徑為1.6 mm的十字開(kāi)口含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴，排列呈一字形，方向呈30°，完成滾筒全覆蓋。吸收口可依據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需要進(jìn)行向上或向下安裝，設(shè)計(jì)數(shù)量為一，具備負(fù)壓吸收粉塵能力，霧場(chǎng)可完美封閉截割位置粉塵[6-7]。

圖2 新型霧化降塵裝置示意圖

2.3 液壓支架除塵裝置設(shè)計(jì)

液壓支架的除塵裝置本文同樣采用噴霧負(fù)壓二次降塵技術(shù)，其裝置布置圖如圖3所示。液壓支架?chē)婌F負(fù)壓二次降塵裝置由固定部件、噴霧部件以及吸塵除塵部件三部分組成。其中，固定部件主要包括固定圈、螺栓以及銷(xiāo)子三部分，裝置固定位置在液壓支架圓柱油缸處；噴霧除塵部件由噴嘴與管道組成，噴嘴共設(shè)計(jì)三處，與水平夾角為0°、40°以及80°；吸塵口設(shè)置在裝置側(cè)部，起到吸塵除塵效果[8-9]。液壓支架?chē)婌F負(fù)壓二次降塵裝置兼顧噴霧降塵以及吸風(fēng)除塵技術(shù)，可更好地提高系統(tǒng)除塵效率。由上文可知，液壓支架?chē)婌F負(fù)壓二次降塵裝置使用的噴嘴為含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴。

2.4 擋塵簾設(shè)計(jì)

圖3 液壓支架?chē)婌F負(fù)壓二次降塵裝置示意圖

大采高綜采工作面粉塵污染具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染范圍廣的特點(diǎn)，單純靠采煤機(jī)新型霧化降塵裝置與液壓支架?chē)婌F負(fù)壓二次降塵裝置無(wú)法滿(mǎn)足整個(gè)工作面的除塵需求，故本文對(duì)大采高綜采工作面防塵系統(tǒng)進(jìn)行了擋塵簾除塵補(bǔ)充設(shè)計(jì)，擋塵簾結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。通過(guò)將霧化后的水霧噴射在捕塵濾網(wǎng)上，運(yùn)用水張力的原理使捕塵濾網(wǎng)形成一層由水霧組成的濾網(wǎng)，使得粉塵與水霧結(jié)合的概率增加，提高裝置除塵效率。由上文可知，擋塵簾使用的噴嘴為1.4 mm錐形導(dǎo)流槽直射式噴嘴[10]。

圖4 擋塵簾結(jié)構(gòu)示意圖

3 防塵系統(tǒng)降塵效果測(cè)試

將上述新型霧化降塵裝置、液壓支架?chē)婌F負(fù)壓二次降塵裝置以及擋塵簾系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦大采高綜采工作面并進(jìn)行降塵效果測(cè)試，采取各類(lèi)措施后各工序的粉塵濃度測(cè)量數(shù)據(jù)表1所示。由表1可知，防塵系統(tǒng)應(yīng)用后大采高綜采工作面呼吸性粉塵與全塵濃度大幅度下降，呼吸性粉塵與全塵降塵率為90.63%、91.84%，符合除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

表1 應(yīng)用各類(lèi)措施各工序粉塵濃度測(cè)量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）噴霧負(fù)壓二次降塵技術(shù)具有更好的工作面降塵除塵效果，可滿(mǎn)足大采高綜采工作面降塵除塵的要求。

2）對(duì)大采高綜采工作面防塵系統(tǒng)進(jìn)行降塵效果測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)降塵效果明顯，呼吸性粉塵與全塵降塵率分別為90.63%、91.84%，符合除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。