范少峰

（山西離柳焦煤集團兌鎮(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，隨著采面推進速度增加，煤炭產量明顯增大，但是也存在作業(yè)面內粉塵濃度高問題，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包括噴霧降塵、煤層注水等，其中采煤機高壓噴霧具有除塵效果好、便于操作等優(yōu)點，是綜采工作面最為基礎的降塵措施[4-5]。但是現(xiàn)場應用過程中受到作業(yè)面環(huán)境惡劣，采煤機高壓噴霧射程近、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，對采煤機高壓噴霧降塵技術進行探討，以期能在一定程度上改善綜采工作面環(huán)境質量、提高粉塵治理效果。

1 91105工作面概況

91105綜采工作面回采11號煤層，煤層埋深650 m，具有突出危險性。11號煤層厚度均值3.5 m，傾角6°，頂?shù)装逡阅鄮r、碳質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間隔5 m布置本煤層瓦斯鉆孔進行瓦斯預抽。采面使用的采煤機型號為SL900，截割進尺900 mm，驅動電機功率2 200 kW。11號煤層原始含水率較低加之本煤層瓦斯抽采影響，煤層含水率進一步降低，采煤機割煤期間粉塵產生量較高?，F(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，采面呼吸性粉塵以及全塵濃度最高分別可達220～480 mg/m3、950～2 260 mg/m3，粉塵濃度高、治理難度大。

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

2 粉塵治理技術研究

2.1 粉塵治理思路

91105綜采工作面粉塵產生量較大，采煤機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，因此降低采煤機割煤期間粉塵外溢量是降低采面粉塵濃度的關鍵。依據(jù)工作面現(xiàn)場特點，提出采用射程遠、噴霧量大、霧化效果好以及覆蓋范圍大的噴霧進行降塵，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相結合，構成覆蓋采煤機產塵點的噴霧屏障，降低采煤機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，采用機載高壓外噴霧系統(tǒng)實現(xiàn)采煤機粉塵產生點全覆蓋降塵。采煤機割煤時，高壓噴霧系統(tǒng)可實現(xiàn)粉塵點全覆蓋并及時浸潤粉塵，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，同時通過新型可拆卸噴嘴噴霧的霧滴粒徑控制在30～150 μm，可實現(xiàn)割煤滾筒全覆蓋且抗風能力強。當使用過程中某個噴嘴堵塞時通過拆卸即可快速清理噴嘴內雜物，從而降低噴嘴堵塞對噴霧降塵效果影響。具體采用的噴嘴結構如圖1所示。噴嘴內部旋流芯設計為旋流槽形式，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)相關計算公式求得噴霧流量約為123 L/min。為確保采煤機高壓噴霧效果，選擇采用直徑1.5 mm噴嘴。采煤機上風口、下風口以及機身上各個角度分別布置噴嘴6個、10個、10個，噴霧流量分別為42 L/min、70 L/min、70 L/min，布置的26個噴嘴可實現(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)場布置

采煤機割煤過程中產生大量粉塵，采用高壓噴霧降塵后仍會有粉塵外溢擴展至回采空間，為此采用塵源跟蹤降塵技術對進行全覆蓋降塵，具體如圖2所示。在采面液壓支架上布置紅外傳感器，可實現(xiàn)采煤機位置跟蹤，液壓支架上噴霧系統(tǒng)會隨著采煤機推移而移動，實現(xiàn)采煤機生產范圍圈覆蓋降塵，進一步降塵粉塵外溢量；同時為降低噴霧對底板影響，在與采煤機相距2架以上距離時液壓支架上噴霧系統(tǒng)會自動停止噴霧。

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綜采工作面生產時風速為1.0～1.5 m/s，噴嘴與采煤機間距為2.5 m，采煤機割煤通過機載高壓噴霧系統(tǒng)可捕獲大量粉塵，僅有少許粉塵外溢，因此對塵源跟蹤降塵系統(tǒng)噴嘴工作性能要求相對較低。為合理確定噴嘴性能，對1.5 m/s風速下不同噴嘴射程隨噴霧壓力變化進行統(tǒng)計，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，當噴霧壓力為12 MPa時，試驗采用的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。在噴霧降塵時噴嘴噴霧覆蓋范圍不應小于滾筒割煤產塵范圍，采用的SL900采煤機滾筒直徑2.2 m、割煤產塵范圍3.8 m2，具體SB203、SS3007以及PZ2噴嘴噴霧有效覆蓋范圍試驗結果如表1所示。

根據(jù)表1結果并結合采煤機割煤產塵范圍，若塵源跟蹤噴霧實現(xiàn)產塵范圍圈覆蓋，則需要的噴嘴數(shù)及噴霧流量計算結果如表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，將噴霧壓力設定為12 MPa，噴嘴類型選擇PZ2型。

3 現(xiàn)場粉塵治理效果分析

在91105綜采工作面采用采煤機高壓外噴霧降塵以及塵源跟蹤噴霧降塵技術后，可實現(xiàn)采煤機割煤產塵點全覆蓋。對使用前后采面各位置粉塵濃度情況進行測定，具體結果見表3。

表3 粉塵治理效果

從表3中看出，高壓噴霧降塵技術應用后，采煤機司機處、下風側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 結語

1）在采煤機高壓外噴霧系統(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，可實現(xiàn)采煤機割煤產塵點全覆蓋，并提高霧化效果及抗風能力，降低采煤機割煤粉塵外溢量。

2）使用粉塵跟蹤噴霧降塵技術可捕獲采煤機割煤外溢粉塵，進一步降低回采空間粉塵濃度。依據(jù)91105綜采工作面現(xiàn)場情況，確定噴嘴類型為PZ2、噴霧壓力12 MPa。

3）現(xiàn)場應用后，采煤機實際位置以及下風側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。