范少峰

（山西離柳焦煤集團(tuán)兌鎮(zhèn)煤礦，山西 孝義 032300）

引言

綜采工藝是煤礦井下主要開采方式，隨著采面推進(jìn)速度增加，煤炭產(chǎn)量明顯增大，但是也存在作業(yè)面內(nèi)粉塵濃度高問題，惡化井下作業(yè)環(huán)境并威脅采煤人員身體健康[1-3]。煤礦井下常用降塵技術(shù)包括噴霧降塵、煤層注水等，其中采煤機(jī)高壓噴霧具有除塵效果好、便于操作等優(yōu)點(diǎn)，是綜采工作面最為基礎(chǔ)的降塵措施[4-5]。但是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中受到作業(yè)面環(huán)境惡劣，采煤機(jī)高壓噴霧射程近、噴霧覆蓋范圍及噴霧量小等因素影響，面臨噴霧降塵效果不佳問題[6-8]。文中就以山西某礦91105綜采工作面粉塵治理為背景，對(duì)采煤機(jī)高壓噴霧降塵技術(shù)進(jìn)行探討，以期能在一定程度上改善綜采工作面環(huán)境質(zhì)量、提高粉塵治理效果。

1 91105工作面概況

91105綜采工作面回采11號(hào)煤層，煤層埋深650 m，具有突出危險(xiǎn)性。11號(hào)煤層厚度均值3.5 m，傾角6°，頂?shù)装逡阅鄮r、碳質(zhì)泥巖以及粉砂巖為主，煤層原始瓦斯含量9.5 m3/t。采面回采前在回采巷道內(nèi)間隔5 m布置本煤層瓦斯鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。采面使用的采煤機(jī)型號(hào)為SL900，截割進(jìn)尺900 mm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率2 200 kW。11號(hào)煤層原始含水率較低加之本煤層瓦斯抽采影響，煤層含水率進(jìn)一步降低，采煤機(jī)割煤期間粉塵產(chǎn)生量較高?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，采面呼吸性粉塵以及全塵濃度最高分別可達(dá)220～480 mg/m3、950～2 260 mg/m3，粉塵濃度高、治理難度大。

在生產(chǎn)過程中，受到采煤機(jī)機(jī)載噴霧系統(tǒng)噴嘴類型以及噴霧壓力不合理等因素影響，采煤機(jī)高壓噴霧效果不佳。

2 粉塵治理技術(shù)研究

2.1 粉塵治理思路

91105綜采工作面粉塵產(chǎn)生量較大，采煤機(jī)割煤以及液壓支架移架是主要的粉塵來源，液壓支架上布置有噴霧系統(tǒng)，可降低移架噴霧量，因此降低采煤機(jī)割煤期間粉塵外溢量是降低采面粉塵濃度的關(guān)鍵。依據(jù)工作面現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，提出采用射程遠(yuǎn)、噴霧量大、霧化效果好以及覆蓋范圍大的噴霧進(jìn)行降塵，并確定合理噴霧壓力，提高噴霧效果。將高壓噴霧系統(tǒng)、塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成覆蓋采煤機(jī)產(chǎn)塵點(diǎn)的噴霧屏障，降低采煤機(jī)割煤期間粉塵外溢量，改善工作面環(huán)境。

2.2 高壓噴霧降塵

91105綜采工作面SL900原有的高壓噴霧降塵系統(tǒng)由于噴霧壓力小、水質(zhì)差以及噴嘴選型不合理等因素影響，存在噴嘴霧化效果不佳、粉塵治理效果差等問題。為此，采用機(jī)載高壓外噴霧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)粉塵產(chǎn)生點(diǎn)全覆蓋降塵。采煤機(jī)割煤時(shí)，高壓噴霧系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)粉塵點(diǎn)全覆蓋并及時(shí)浸潤(rùn)粉塵，從而抑制粉塵外溢。

噴霧采用變頻控制高壓泵，供水壓力0～15 MPa，同時(shí)通過新型可拆卸噴嘴噴霧的霧滴粒徑控制在30～150 μm，可實(shí)現(xiàn)割煤滾筒全覆蓋且抗風(fēng)能力強(qiáng)。當(dāng)使用過程中某個(gè)噴嘴堵塞時(shí)通過拆卸即可快速清理噴嘴內(nèi)雜物，從而降低噴嘴堵塞對(duì)噴霧降塵效果影響。具體采用的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴嘴內(nèi)部旋流芯設(shè)計(jì)為旋流槽形式，可增加噴霧霧化效果；中心孔可增大噴霧覆蓋范圍。

圖1 新型可拆卸噴嘴示意圖

在91105綜采工作面粉塵密度平均約為1.4 g/cm3，水霧半徑平均90 μm，噴霧系數(shù)為3，根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式求得噴霧流量約為123 L/min。為確保采煤機(jī)高壓噴霧效果，選擇采用直徑1.5 mm噴嘴。采煤機(jī)上風(fēng)口、下風(fēng)口以及機(jī)身上各個(gè)角度分別布置噴嘴6個(gè)、10個(gè)、10個(gè)，噴霧流量分別為42 L/min、70 L/min、70 L/min，布置的26個(gè)噴嘴可實(shí)現(xiàn)全覆蓋噴霧降塵，噴霧總流量為182 L/min＞123 L/min，表明整個(gè)高壓噴霧系統(tǒng)噴霧流量可滿足降塵需要。

2.3 塵源跟蹤噴霧降塵

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)布置

采煤機(jī)割煤過程中產(chǎn)生大量粉塵，采用高壓噴霧降塵后仍會(huì)有粉塵外溢擴(kuò)展至回采空間，為此采用塵源跟蹤降塵技術(shù)對(duì)進(jìn)行全覆蓋降塵，具體如圖2所示。在采面液壓支架上布置紅外傳感器，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置跟蹤，液壓支架上噴霧系統(tǒng)會(huì)隨著采煤機(jī)推移而移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)生產(chǎn)范圍圈覆蓋降塵，進(jìn)一步降塵粉塵外溢量；同時(shí)為降低噴霧對(duì)底板影響，在與采煤機(jī)相距2架以上距離時(shí)液壓支架上噴霧系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止噴霧。

圖2 塵源跟蹤噴霧降塵布置示意圖

2.3.2 噴嘴類型確定

在91105綜采工作面生產(chǎn)時(shí)風(fēng)速為1.0～1.5 m/s，噴嘴與采煤機(jī)間距為2.5 m，采煤機(jī)割煤通過機(jī)載高壓噴霧系統(tǒng)可捕獲大量粉塵，僅有少許粉塵外溢，因此對(duì)塵源跟蹤降塵系統(tǒng)噴嘴工作性能要求相對(duì)較低。為合理確定噴嘴性能，對(duì)1.5 m/s風(fēng)速下不同噴嘴射程隨噴霧壓力變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如圖3所示。

圖3 噴嘴噴霧射程隨噴霧壓力變化曲線

從圖3看出，隨著噴霧壓力增加噴嘴噴霧射程均有所增大，當(dāng)噴霧壓力為12 MPa時(shí)，試驗(yàn)采用的SB203、SS3007以及PZ2有效射程均可超過2.5 m，僅GA201噴嘴射程在2.3 m。在噴霧降塵時(shí)噴嘴噴霧覆蓋范圍不應(yīng)小于滾筒割煤產(chǎn)塵范圍，采用的SL900采煤機(jī)滾筒直徑2.2 m、割煤產(chǎn)塵范圍3.8 m2，具體SB203、SS3007以及PZ2噴嘴噴霧有效覆蓋范圍試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1結(jié)果并結(jié)合采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵范圍，若塵源跟蹤噴霧實(shí)現(xiàn)產(chǎn)塵范圍圈覆蓋，則需要的噴嘴數(shù)及噴霧流量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 不同噴嘴流量及覆蓋面積

表2 塵源跟蹤噴霧降塵需要噴嘴流量及噴嘴數(shù)

結(jié)合表1、表2數(shù)據(jù)，在滿足噴霧降塵需要、減少噴霧用水需要時(shí)，將噴霧壓力設(shè)定為12 MPa，噴嘴類型選擇PZ2型。

3 現(xiàn)場(chǎng)粉塵治理效果分析

在91105綜采工作面采用采煤機(jī)高壓外噴霧降塵以及塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵點(diǎn)全覆蓋。對(duì)使用前后采面各位置粉塵濃度情況進(jìn)行測(cè)定，具體結(jié)果見表3。

表3 粉塵治理效果

從表3中看出，高壓噴霧降塵技術(shù)應(yīng)用后，采煤機(jī)司機(jī)處、下風(fēng)側(cè)10 m處位置全塵以及呼吸性粉塵降低幅度分別超過89%、90%，取得顯著的降塵效果。

4 結(jié)語

1）在采煤機(jī)高壓外噴霧系統(tǒng)中通過采用新型可拆卸噴嘴、合理確定噴霧壓力及流量等，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵點(diǎn)全覆蓋，并提高霧化效果及抗風(fēng)能力，降低采煤機(jī)割煤粉塵外溢量。

2）使用粉塵跟蹤噴霧降塵技術(shù)可捕獲采煤機(jī)割煤外溢粉塵，進(jìn)一步降低回采空間粉塵濃度。依據(jù)91105綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，確定噴嘴類型為PZ2、噴霧壓力12 MPa。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，采煤機(jī)實(shí)際位置以及下風(fēng)側(cè)10 m位置處粉塵濃度均明顯降低，取得較為顯著粉塵治理效果。