高壓噴霧降塵技術在新村煤業(yè)15111綜采工作面采煤機上的應用

閆曉斐

（山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

1 工程概況

新村煤業(yè)15111工作面隸屬151采區(qū)，工作面標高為+1 058～+1 098 m，走向平均長度1 029 m，傾斜長度160.5～150 m，面積157 437m2，本工作面北為西膠帶巷，南為井田邊界，西為153采區(qū)，東部為15109工作面采空區(qū)。主采15號煤層，工作面煤層厚度4.87～8.58 m，平均厚度5.89 m。工作面地質構造條件中等，煤層結構簡單。煤層直接頂為泥巖，厚度3.85～10.35 m，平均7.10 m；老頂為中粒砂巖，厚度為0.83～9.43 m，平均5.13 m；直接底為泥巖，厚度6.46～6.7 m，平均厚度6.58m；老底為L9灰?guī)r，厚度0.3～0.7 m，平均0.5 m。工作面采用綜采放頂煤法，全部垮落法管理采空區(qū)頂板。工作面通風方式為U型通風，即新鮮風流從下順槽進入，經過工作面后通過上順槽回風巷回出。

根據工作面地質資料可知，工作面開采的15號煤層屬于瘦煤，煤塵無爆炸性。由于工作面采用放頂煤開采方式，在工作面回采期間，割煤、拉架和放煤作業(yè)會產生大量的煤塵，極大危害職工身體健康，同時造成現場作業(yè)環(huán)境極差，影響人員視線，為減少工作面生產作業(yè)期間的煤塵，優(yōu)化現場作業(yè)環(huán)境，減少粉塵傷害，對工作面粉塵治理技術進行分析研究，以保證工作面安全、健康生產。

2 噴霧降塵機理分析

綜采工作面在生產作業(yè)時的粉塵主要在采煤機割煤期間產生，采煤機在割煤運行作業(yè)時不斷擾動煤體，將煤塵揚起從而形成移動的粉塵源頭[1-2]，因此控制采煤機割煤運行作業(yè)時的粉塵是降低工作面粉塵含量的最有效措施。工作面生產作業(yè)期間產生的粉塵粒徑一般都在0.3μm以下，具有粒徑小、重量輕等特點，在工作面風流作用下極易會被吹散帶走且具有極大的擴散性。粉塵被風流吹起帶走時呈布朗運動[3]，在運動過程中極易與其他物體接觸碰撞時沉降（如圖1（a）所示）。如果風流中含有水滴，則粉塵粒子與水滴碰撞后向低處產生偏移，由于風流中含塵量密度大，在風流運動過程中受慣性作用將會向有液滴方向進行移動，粉塵中質量大于m的粒子將會全部與水滴產生碰撞從而被水滴捕捉，具體捕塵機理如圖1（b）所示。

圖1 噴霧降塵機理示意圖

工作面生產期間采取噴霧灑水降塵措施是通過噴灑的水滴與粉塵顆粒之間發(fā)生碰撞后從而凝結到一起產生沉降效果，故噴霧降塵效果大小主要取決于粉塵粒子與噴灑的水霧顆粒之間產生的凝結效果[4-5]。若捕塵水霧顆粒以恒定速度進行移動，同時水霧顆粒不帶電時，則其只能對直徑大于8μm的粉塵顆粒具有較好的捕塵效果，當粉塵顆粒直徑小于8μm時，則水霧捕塵效果較差。若捕塵水霧顆粒帶電時，其產生的靜電與粉塵顆粒產生的靜電之間相互吸引，能夠大大提高水霧顆粒的捕塵效果。

據相關研究分析結果，增加捕塵水霧單顆粒的帶電量時，可以有效提高水霧的捕塵效果，捕塵水霧帶電量比與水霧壓力之間的變化關系如圖2所示。由圖2中分析可知，當水霧壓力在10 MPa以內時，隨著水霧壓力的增大，水霧帶電電荷數也會成不斷增多趨勢。由此可知，通過提高水霧噴射壓力時能夠增加水霧帶電電荷量，從而增加了水霧對粉塵顆粒的吸引力，提高了噴霧降塵效果。根據上述分析情況，結合15111工作面煤層地質和通風等基本條件，研究決定工作面回采期間采用的降塵措施為高壓噴霧灑水方式，噴霧水壓力設定為6～8 MPa。

圖2 不同噴霧水壓力作用下帶電電荷密度變化圖

3 噴霧降塵方案及應用效果

3.1 噴霧降塵系統(tǒng)

15111工作面設計采用的噴霧降塵系統(tǒng)主要有采煤機滾筒噴霧、機身噴霧系統(tǒng)和綜采液壓支架噴霧降塵系統(tǒng)，其主要作用是當工作面割煤作業(yè)時，通過噴霧灑水的方式對工作面煤壁提前進行濕潤，從而抑制粉塵的產生[6]，15111工作面各噴霧降塵系統(tǒng)設計方式如下：

1）采煤機滾筒噴霧降塵。在采煤機上下滾筒處設計安裝3級水幕，噴水壓力設計為6～8 MPa，利用3級水幕對采煤機割煤時產生的粉塵進行攔截并使粉塵與水霧顆粒進行充分接觸，濕潤后的粉塵顆粒再與其他粉塵相碰撞接觸融合，最后形成粉塵顆粒團后在自重下沉，具體效果如圖3所示。

圖3 采煤機滾筒3級水幕噴灑降塵效果示意圖

在采煤機滾筒上安裝粉塵濃度傳感器，針對采煤機在工作面運行割煤時的產生的粉塵濃度值設置開啟3級噴霧降塵裝置，即當粉塵濃度大于3 mg/m3時，第1級噴霧噴嘴將自動打開，形成1級水幕降塵；當粉塵濃度大于4 mg/m3時，第1級噴霧噴嘴開啟的同時自動開啟第2級噴霧噴嘴，形成2級水幕降塵；當粉塵濃度大于5 mg/m3時，第3級噴霧噴嘴同時開啟，形成3級水幕降塵系統(tǒng)。在采取噴霧降塵措施后粉塵濃度下降到設置的對應報警值時，將會對應自動關閉降塵噴嘴，當粉塵濃度降低到3 mg/m3以下時，3級水幕噴嘴將會全部自動關閉。

2）機身噴霧降塵系統(tǒng)。在工作面采煤機機身上設置高壓噴霧灑水設施，噴霧壓力設定為6～8 MPa，噴嘴之間的間距設置為500 mm，安裝角度為40°，噴灑水霧時確保對采煤機機身形成整體覆蓋，具體效果如圖4所示。

圖4 采煤機機身噴霧灑水除塵裝置示意圖

3）當采煤機割煤作業(yè)結束以后，還有一部分粉塵留存在工作面作業(yè)區(qū)域，為將該部分粉塵進行治理，在工作面綜采液壓支架的頂梁下方安裝高壓降塵噴頭，每架支架上安裝1個噴嘴，噴霧壓力設置為6～8 MPa。生產作業(yè)期間，工作面粉塵濃度傳感器監(jiān)測到的粉塵濃度超過設置的報警值時，會將信息傳遞到液壓支架上安裝的P LC控制器上，控制器將會控制液壓支架降塵系統(tǒng)自動打開，同時根據濃度值大小調節(jié)噴霧壓力大小，以此達到噴霧降塵的效果。

3.2 應用效果分析

為檢驗15111工作面安裝噴霧降塵系統(tǒng)的降塵效果，通過對安裝噴霧降塵系統(tǒng)前后作業(yè)區(qū)域內的粉塵濃度進行測定，得出表1所示的結果。分析表1可知，工作面安裝噴霧降塵系統(tǒng)后，粉塵濃度明顯降低，各作業(yè)區(qū)域的粉塵濃度與未安裝降塵系統(tǒng)前相比，粉塵濃度平均降低了66.5%，為工作面生產作業(yè)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

表1 工作面粉塵濃度測定

4 結論

通過研究分析噴霧灑水降塵工作機理，結合15111工作面實際地質條件，制定生產作業(yè)期間的降塵技術方案，即在采煤機機身、上下滾筒和工作面液壓支架上安裝高壓灑水降塵噴霧系統(tǒng)，工作面回采期間根據粉塵濃度情況及時開啟噴霧灑水降塵系統(tǒng)。通過對現場粉塵濃度進行測試，降塵效果顯著，工作面作業(yè)環(huán)境得到了明顯改善。