大斷面煤巷綜掘機(jī)高壓外噴霧降塵技術(shù)研究

高衛(wèi)彬

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司賀西煤礦，山西 柳林 033300）

引言

隨著礦井綜合機(jī)械化、自動(dòng)化技術(shù)的不斷提升，綜掘設(shè)備在煤礦井下應(yīng)用逐漸普遍。綜掘機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中截割頭不停地破煤巖，導(dǎo)致掘進(jìn)迎頭粉塵產(chǎn)生量較大[1-2]。雖然綜掘機(jī)隨機(jī)配備有噴霧除塵裝置，但是由于噴霧壓力以及噴霧量較小，掘進(jìn)迎頭粉塵量較高[3-4]。噴霧降塵是最為有效、便捷的除塵方式，為此文中提出在綜掘機(jī)上增加布置高壓外噴霧裝置降低掘進(jìn)迎頭粉塵產(chǎn)生量。

1 賀西煤礦工程概況

山西某礦現(xiàn)開(kāi)采的5號(hào)煤層厚度6.5 m、埋深350 m，瓦斯含量平均3.8 m3/t，開(kāi)采的煤層瓦斯含量較低。現(xiàn)階段礦井回采巷道多采用綜掘方式，巷道設(shè)計(jì)斷面面積為24 m2（巷寬×巷高=6.0 m×4.0 m），巷道掘進(jìn)進(jìn)尺約為18～20 m/d，迎頭供風(fēng)量約420 m3/min。受到5號(hào)煤層原始含水率較低（含水率為0.75%）影響，掘進(jìn)迎頭全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別為450 mg/m3、160 mg/m3。因此，需要對(duì)掘進(jìn)機(jī)噴霧系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

2 礦井綜掘煤巷產(chǎn)塵特點(diǎn)分析

由于礦井掘進(jìn)的煤巷斷面大，巷道掘進(jìn)對(duì)圍巖擾動(dòng)較為明顯，從而導(dǎo)致掘進(jìn)迎頭前方煤巖體較為破碎。在正常掘進(jìn)過(guò)程中綜掘機(jī)截割破煤時(shí)較一般的小斷面綜掘巷道產(chǎn)生更多的粉塵，同時(shí)大斷面綜掘煤巷與小斷面煤巷粉塵產(chǎn)生特點(diǎn)及運(yùn)移規(guī)律也有一定差異。在對(duì)礦井掘進(jìn)煤層物理力學(xué)性質(zhì)以及掘進(jìn)迎頭粉塵含量分布測(cè)試分析基礎(chǔ)上，結(jié)合掘進(jìn)過(guò)程中圍巖應(yīng)力變化特征，總結(jié)得到大斷面綜掘煤巷粉塵產(chǎn)生具有下述特點(diǎn)[5-7]：

1）產(chǎn)塵強(qiáng)度大、粉塵濃度高。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)大斷面煤巷掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)塵強(qiáng)度可達(dá)到35.78 mg/s，綜掘司機(jī)位置全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度最大可達(dá)2 215 mg/m3、518 mg/m3。大斷面綜掘巷道迎頭產(chǎn)塵強(qiáng)度及粉塵產(chǎn)生較礦井其他的小斷面綜掘工作面高13%左右。

2）煤塊垮落產(chǎn)塵嚴(yán)重。由于掘進(jìn)巷道高達(dá)4 m，綜掘機(jī)在截割巷道頂部煤層時(shí)，破碎的煤塊從4 m高度掉落時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。加之掘進(jìn)迎頭供風(fēng)量較大，粉塵隨著風(fēng)流擴(kuò)散?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)垮落粉塵產(chǎn)生量可占據(jù)到綜掘機(jī)割煤時(shí)粉塵產(chǎn)生量的60%左右。

3）呼吸性粉塵占比高?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)掘進(jìn)迎頭粉塵占比實(shí)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，大斷面綜掘煤巷呼吸性粉塵濃度占比較高，實(shí)測(cè)可達(dá)31.5%，礦井其他小斷面綜掘工作面呼吸性粉塵占比平均為26.9%。

3 高壓外噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)前文分析結(jié)果得出，大斷面綜掘煤巷粉塵主要來(lái)自于綜掘機(jī)截割破煤以及截割頂煤時(shí)破碎煤體垮落產(chǎn)生的粉塵。在對(duì)綜掘機(jī)噴霧降塵技術(shù)分析基礎(chǔ)上，提出在綜掘機(jī)搖臂上增加布置噴霧除塵裝置，從而降低綜掘機(jī)破巖以及巷道頂煤掉落時(shí)粉塵產(chǎn)生量。在綜掘機(jī)搖臂上、中、下三個(gè)位置均布置外噴霧除塵裝置，從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)斷面全覆噴霧降塵。具體綜掘機(jī)搖臂上布置的外噴霧裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)下頁(yè)圖1。

根據(jù)相關(guān)研究成果并結(jié)合搖臂外噴霧裝置需要，外噴霧裝置采用的噴嘴型號(hào)為G型，具體G型噴嘴在不同壓力下的噴嘴性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表1。

從表中看出，外噴霧裝置供水壓力在4～6 MPa時(shí)噴霧有效射程可達(dá)到2.5～3.2 m、引射風(fēng)量達(dá)到10.09～16.57 m3/min、用水量介于16.09～18.37 L/min，噴霧效果較為顯著。

4 高壓外噴霧系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 噴霧壓力優(yōu)選

圖1 搖臂上布置的外噴霧裝置結(jié)構(gòu)示意圖

表1 外噴霧裝置噴嘴（G型）性能參數(shù)

在礦井5807運(yùn)輸巷綜掘機(jī)懸臂上裝置外噴霧裝置，并通過(guò)高壓管路（Φ25 mm）為外噴霧裝置提供高壓水，供水壓力可通過(guò)調(diào)節(jié)泵站調(diào)整，具體現(xiàn)場(chǎng)高壓外噴霧裝置布置情況見(jiàn)圖2。在綜掘機(jī)上安裝型號(hào)BPW80/16泵為外噴霧裝置供水。為了確定最佳噴霧壓力，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)水泵水壓（2～8 MPa）,依據(jù)綜掘司機(jī)位置粉塵濃度來(lái)確定最佳噴霧壓力。具體不同噴霧壓力綜掘司機(jī)位置粉塵濃度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)高壓外噴霧裝置布置情況

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表2）看出，當(dāng)噴霧壓力為6 MPa時(shí)，綜掘司機(jī)、綜掘機(jī)后方10 m位置處全塵降塵率分別為81.2%、72.2%；而當(dāng)噴霧壓力提升至8 MPa時(shí)綜掘司機(jī)、綜掘機(jī)后方10 m位置處全塵降塵率分別增加至82.3%、76.7%，增加量分別為2.1%、4.5%，增加效果不顯著。為此，將綜掘機(jī)外噴霧裝置噴霧壓力確定為6 MPa。

表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在綜掘機(jī)上機(jī)載的高壓泵供水壓力設(shè)定為6 MPa、噴霧流量確定為50 L/min，為了避免高壓管路堵篩，在高壓泵以及噴霧裝置前分別安裝型號(hào)GCQ-12、GCQ-13的過(guò)濾器?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，采用綜掘機(jī)隨機(jī)噴霧以及高壓外噴霧裝置后，綜掘司機(jī)位置全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別降低至557 mg/m3、159 mg/m3。后配合采用長(zhǎng)壓短抽除塵方式可將綜掘司機(jī)位置全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度降低至160 mg/m3、53 mg/m3，粉塵治理取得顯著效果。