采煤機(jī)高壓外置噴霧降塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊 君高級(jí)工程師

(國家能源集團(tuán)神東煤炭公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

隨著煤礦開采技術(shù)的發(fā)展，大功率采煤機(jī)的應(yīng)用大大提高綜采工作面的回采速度，但同時(shí)工作面產(chǎn)生的粉塵隨之增加，采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵占整個(gè)工作面總粉塵含量的60%左右，而其產(chǎn)生的粉塵濃度高達(dá)2 000～5 000mg/m。如果不采取有效的降塵措施，煤礦內(nèi)會(huì)飄浮大量粉塵，不僅對(duì)井下作業(yè)人員的健康造成危害，還給煤礦的安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重隱患。高壓噴霧是控制綜采工作面粉塵污染的有效技術(shù)，但是由于現(xiàn)有調(diào)壓噴霧降塵系統(tǒng)現(xiàn)場降塵效果不理想，因此本文將結(jié)合國家能源集團(tuán)神東煤炭分公司保德煤礦綜采工作面煤層的實(shí)際條件，研制一套GPW/75綜采工作面高壓外置噴霧降塵系統(tǒng)，以提高降塵效果。

1 綜采工作面降塵現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)常見降塵措施及存在的問題

目前我國綜采工作面防塵降塵主要采用煤層注水預(yù)濕煤體降塵、傳統(tǒng)通風(fēng)排塵和噴霧灑水降塵等措施。由于除塵技術(shù)落后和管理不到位等多方面原因，礦井粉塵濃度不能有效降低，導(dǎo)致井下空氣污染嚴(yán)重，作業(yè)現(xiàn)場能見度較低。近幾年我國采煤機(jī)降塵措施主要使用噴霧降塵，即在采煤機(jī)外布置噴霧噴嘴，同時(shí)在滾筒外布置內(nèi)噴霧噴嘴，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外噴霧聯(lián)合作業(yè)降塵。但是，目前生產(chǎn)的采煤機(jī)內(nèi)外噴霧系統(tǒng)，現(xiàn)場使用效果不理想，主要原因有：噴霧噴嘴在滾筒截割時(shí)部分或全部埋進(jìn)煤中，噴出的射流不能形成霧化，甚至噴嘴被煤塵堵塞，無法完成降塵作業(yè)；系統(tǒng)采用的噴嘴均設(shè)置為逆風(fēng)流噴霧，水霧不能充分到達(dá)產(chǎn)塵區(qū)；噴嘴前水壓較低，噴射距離太近，霧化效果較差。綜上所述，由于采煤機(jī)內(nèi)外噴霧噴嘴的包攏角度和霧化效果設(shè)置不理想，使得無法有效降低粉塵濃度。

1.2 工程概況

國家能源集團(tuán)神東煤炭公司保德煤礦現(xiàn)開采的8#煤層為中灰煤、高揮發(fā)、特低硫份為主的富油氣煤。根據(jù)煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司2018年8月10日出具的報(bào)告，保德煤礦8#煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類，屬自燃煤層。保德煤礦使用采煤機(jī)滾筒直徑2.5m，工作面長度240m。

1.3 礦井粉塵分布規(guī)律

采煤機(jī)作業(yè)時(shí)現(xiàn)場粉塵濃度經(jīng)檢測，得出如下結(jié)論：采煤機(jī)割煤時(shí)，無論是順風(fēng)割煤還是逆風(fēng)割煤，沿程巷道內(nèi)粉塵濃度最大值均出現(xiàn)在采煤機(jī)滾筒附近，而且割煤期間工作面的粉塵濃度最高達(dá)到5 000mg/m。當(dāng)雙滾筒采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)，由于風(fēng)流受到采煤機(jī)阻礙、前滾筒高速旋轉(zhuǎn)和逆風(fēng)噴霧等原因，采煤機(jī)前段產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，致使大量高濃度含塵氣流擴(kuò)散到采煤機(jī)司機(jī)的作業(yè)空間。

1.4 礦井綜采工作面降塵必要性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，呼吸性粉塵是危害職業(yè)健康的最主要致病粉塵，以綜采工作面為例，未采取防塵措施前，綜采工作面全塵質(zhì)量濃度可達(dá)1 100mg/m，遠(yuǎn)高于國家有關(guān)規(guī)定。研究發(fā)現(xiàn)，粒徑小于5μm的呼吸性粉塵在總粉塵中占比較重，這些呼吸性粉塵可以進(jìn)入人體呼吸道深部，并沉積于呼吸性細(xì)支氣管和肺泡中，引發(fā)塵肺病。同時(shí)根據(jù)《安全生產(chǎn)法》規(guī)定，生產(chǎn)單位必須對(duì)在職工人的安全生產(chǎn)措施和安全生產(chǎn)條件擔(dān)負(fù)責(zé)任。因此降低粉塵濃度是生產(chǎn)單位必須重視的保障工人健康的重要環(huán)節(jié)。

2 綜采工作面高壓外置噴霧降塵設(shè)計(jì)

2.1 噴霧降塵的影響因素

噴霧是通過噴嘴，使液體分散成細(xì)小霧滴，進(jìn)入到空氣中。噴霧的整個(gè)過程，內(nèi)部液體動(dòng)力、噴射表面氣體運(yùn)動(dòng)、噴射壓力以及噴嘴形狀等對(duì)液體霧化效果有重要影響，這些因素之間彼此聯(lián)系，相互影響。噴霧效果的好壞直接影響降塵效果。影響噴霧降塵效果因素有水的特性、噴嘴型式及參數(shù)、霧流特性、噴霧流量、噴霧壓力和噴霧系統(tǒng)的合理匹配與布置等。

2.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

采煤機(jī)高壓外置噴霧的降塵效果在很大程度上取決于噴霧射流的引射風(fēng)量以及采煤機(jī)截割滾筒周圍是否能形成均勻的噴霧水幕，以阻止粉塵向外擴(kuò)散并盡可能多的消除粉塵。均勻水幕的形成和噴霧射流的引射風(fēng)量主要取決于噴嘴產(chǎn)生的噴霧射流質(zhì)量。

GPW/75綜采工作面高壓外置噴霧降塵系統(tǒng)由高壓噴霧泵站、高壓噴霧模塊、量子水處理器、一級(jí)反沖洗過濾器、自動(dòng)供水裝置等組成。它是由帶有自動(dòng)水位控制裝置和過濾裝置的水箱向高壓噴霧水泵提供水源，水泵通過高壓膠管、控制閥向高壓噴霧模塊提供高壓水，實(shí)現(xiàn)噴霧降塵，具有霧粒細(xì)、速度高、射程遠(yuǎn)、水量較小、覆蓋面積大、降塵效率高、引射風(fēng)量大以及噴嘴不易堵塞等顯著優(yōu)點(diǎn)。高壓噴霧引射降塵器工作時(shí)，礦井靜壓水經(jīng)高壓泵加壓形成高壓水，高壓水經(jīng)高壓管路進(jìn)入引射器高壓噴嘴，利用高壓噴嘴噴出的高速水霧流高效引射降塵。

GPW/75高壓水泵將常壓水轉(zhuǎn)換為10～25Pa(可調(diào))的高壓水，運(yùn)行期間16MPa噴霧壓力下旋流霧化噴嘴有效射程為13m，可有效克服巷道風(fēng)流的影響，噴霧壓力所產(chǎn)霧粒配比，見表1。

表1 噴霧壓力所產(chǎn)霧粒配比Tab.1 The ratio of aerosol particles produced by spray pressure

水霧的噴射速度30m/s以上，以提高水霧與粉塵的碰撞幾率。霧粒的粒度越接近粉塵的粒度，其除塵效率就越高。霧粒粒徑過大，塵粒與霧粒相遇時(shí)會(huì)因旋流作用從霧粒邊緣繞過，不被捕捉；霧粒粒徑小，則容易氣化。因此高壓外置噴霧降塵系統(tǒng)不僅在速度上克服巷道風(fēng)流的影響，而且其霧粒粒徑更為接近粉塵直徑即0.1～15μm，二者共同作用實(shí)現(xiàn)高效除塵的目的。

高壓外置噴霧降塵裝置是使用特殊材料模塊，即鋅硅合金對(duì)高壓水霧角度進(jìn)行定位，噴霧裝置與搖臂同步運(yùn)動(dòng)。模塊利用量子原理改變水質(zhì)的螺旋結(jié)構(gòu)，改變水的帶電離子，與空氣中的粉塵盡可能多地進(jìn)行碰撞，進(jìn)而加強(qiáng)潤濕及降塵效果。同時(shí)能改善水質(zhì)的總硬度、降低Ca、Na的含量再通過旋流霧化噴嘴，形成霧粒直徑為30～150μm，噴霧區(qū)域內(nèi)，每立方厘米空氣中含水量2～2.5g。水霧有效覆蓋滾筒產(chǎn)塵區(qū)域，降低滾筒截齒割煤時(shí)的溫升并達(dá)到最佳的降塵效果。綜采工作面濃度、降塵率測定結(jié)果，見表2。

表2 綜采工作面濃度、降塵率測定結(jié)果Tab.2 Determination results of concentration and dedust rate in fully mechanized mining face

兩級(jí)反沖洗過濾器，可過濾水中異物，避免噴嘴堵塞。水箱自動(dòng)供水，缺水時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水，從而保證噴霧降塵的持續(xù)性，實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)化運(yùn)行。通過數(shù)字化三維模擬，水流量科學(xué)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)噸煤含水量控制在1%左右，綜采工作面降塵系統(tǒng)配置圖，如下圖。

圖 綜采工作面降塵系統(tǒng)配置圖Fig. Configuration diagram of dedusting system in fully mechanized mining face

3 結(jié)論

(1) GPW/75綜采工作面高壓外置噴霧降塵系統(tǒng)體積小、功率高。通過使用鋅硅合金和旋流霧化噴嘴這類硬件設(shè)施使水霧射程變遠(yuǎn)，并有效覆蓋滾筒產(chǎn)塵區(qū)域，使水霧與空氣中的粉塵實(shí)現(xiàn)高效碰撞，實(shí)現(xiàn)降塵目的；兩級(jí)反沖洗過濾器，以保證噴嘴的流暢運(yùn)行；高壓噴霧模塊起到細(xì)化霧粒、加快水霧傳遞速度、加長射程及加強(qiáng)引射風(fēng)量的效果。

(2) GPW/75綜采工作面高壓外置噴霧降塵系統(tǒng)在保證降塵效率和不增加綜采工作面員工任何工作的前提下，能夠有效改善綜采工作面的作業(yè)環(huán)境，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保障工人人身安全并降低職業(yè)病發(fā)病概率。經(jīng)調(diào)查，采用此系統(tǒng)后礦井中的職業(yè)病發(fā)病率控制在1‰以下，為礦井安全生產(chǎn)和礦工身心健康提供保障。