大采高綜采工作面防塵系統設計研究

高 斐

（晉能控股煤業(yè)集團云崗礦，山西 大同 037001）

引言

隨著現代化采煤技術的不斷發(fā)展，大采高綜采技術應用日益廣泛，雖然提高了煤炭開采效率但也使采煤工作面受粉塵嚴重污染。大采高綜采技術的粉塵產生和運移規(guī)律與傳統采高綜采技術不同，這使得過往的防塵技術已無法適應實際的生產需求。針對這一現象，提出了專門針對大采高綜采工作面的防塵系統設計研究，通過噴嘴選定、新型霧化降塵裝置設計，完成了大采高綜采工作面防塵系統研究，提高了大采高綜采工作面的除塵效率。

1 大采高綜采工作面粉塵特性以及運動理論分析

大采高綜采工作面的產塵環(huán)節(jié)主要有風流帶入、移架工序、運輸工序以及采煤機割煤工序，產塵方式主要有摩擦、掉落以及二者相互結合三種方式[1-2]。大采高綜采面的風流分布規(guī)律為：整體呈中部大、四面小的規(guī)律，受支架以及護幫板干擾，風流速度不均勻。在采煤機附近，風速被滾筒與設備阻擋，分流到其他空間，使得其他空間風速上升。通過采煤機后，風速恢復。大采高綜采面粉塵主要由煤炭粉塵、巖石粉塵以及其他混合物質組成，可分為非呼吸性與呼吸性粉塵。大采高綜采面粉塵顆粒粒徑為1～50μm，以呼吸性粉塵為主，占比80%以上。大采高綜采面在采煤機與移架處粉塵濃度最高，順著風向，粉塵濃度逐漸降低。

大采高綜采面粉塵的沉降速度與粉塵粒徑呈正比，顆粒越大，沉降速度越快，運移速度主要與風流速度有關。當采煤機逆風割煤時，粉塵擴散性小，高濃度粉塵集中于煤壁一側滾筒處，且移架與割煤粉塵會混合作用，粉塵衰減行程更大。當采煤機順風割煤時，高濃度粉塵位置在煤壁一側中間處，其他與逆風割煤相同[3]。

2 防塵系統設計

2.1 噴嘴選型

大采高綜采工作面的噴嘴選型主要有三個要求：首先，應選擇盡量大的噴霧霧化角，大霧化角可提高水滴霧化效果以及系統降塵覆蓋面積，使系統在同等用水量的前提下得到更好的降塵效果；其次，為考慮企業(yè)生產經濟效益，應保證系統耗水量在10 L/min以下；最后，噴嘴的射程應符合實際工作面的需要。通常情況下，大采高綜采工作面射程至少應在5 m以上。經過對本地噴嘴進行篩選發(fā)現，共有8款噴嘴符合要求。對8款噴嘴進行霧化試驗，其過程示意圖如圖1所示。水箱內的水經過高壓柱塞泵加壓到設計壓力后，通過試驗噴嘴對水進行霧化處理，再運用Winner312激光粒度分析儀對經噴嘴霧化后的霧滴進行粒徑測量，從而模擬大采高綜采工作面的實際生產環(huán)境，通過霧化參數分析得出最佳噴嘴[4-5]。

圖1 霧化試驗過程示意圖

經試驗分析，噴口直徑為2.4 mm的含X形導流芯混合式噴嘴、直徑為1.6 mm的十字開口含X形導流芯混合式噴嘴及1.4 mm錐形導流槽直射式噴嘴性能最佳，較為符合大采高綜采工作面防塵系統。但由于十字開口含X形導流芯混合式噴嘴射程范圍為5.6～7 m，小于含X形導流芯混合式噴嘴的7.2～9.1 m，全斷面噴霧無法做到，但該噴嘴耗水量以及霧化角度較為中庸，故十字開口含X形導流芯混合式噴嘴適合于機外噴霧，含X形導流芯混合式噴嘴適合于大采高架間噴霧。1.4 mm錐形導流槽直射式噴嘴耗水量較小，且霧化角度相對較大，故較為擋塵簾噴嘴。

2.2 新型霧化降塵裝置設計

本文的霧化降塵裝置采用的方法為噴霧負壓二次降塵技術。噴霧負壓二次降塵技術是指當水滴通過噴嘴向外噴霧時，擴散直徑比管徑大，管內會發(fā)生水霧活塞現象，空氣推出后水霧后方會出現真空現象，真空帶來的負壓會吸入含塵氣流，使粉塵與水霧撞擊結合。當水霧噴出后，粉塵會失去漂浮能力沉降，同時去除粉塵后的水霧可再一次與粉塵結合，達到二次降塵目的，提高系統除塵效率。

對新型霧化降塵裝置進行設計研究，其裝置示意圖如圖2所示。降塵裝置采用焊接方式安裝于采煤機電機箱外，裝置共有四個噴嘴設計，使用的為直徑為1.6 mm的十字開口含X形導流芯混合式噴嘴，排列呈一字形，方向呈30°，完成滾筒全覆蓋。吸收口可依據企業(yè)實際生產需要進行向上或向下安裝，設計數量為一，具備負壓吸收粉塵能力，霧場可完美封閉截割位置粉塵[6-7]。

圖2 新型霧化降塵裝置示意圖

2.3 液壓支架除塵裝置設計

液壓支架的除塵裝置本文同樣采用噴霧負壓二次降塵技術，其裝置布置圖如圖3所示。液壓支架噴霧負壓二次降塵裝置由固定部件、噴霧部件以及吸塵除塵部件三部分組成。其中，固定部件主要包括固定圈、螺栓以及銷子三部分，裝置固定位置在液壓支架圓柱油缸處；噴霧除塵部件由噴嘴與管道組成，噴嘴共設計三處，與水平夾角為0°、40°以及80°；吸塵口設置在裝置側部，起到吸塵除塵效果[8-9]。液壓支架噴霧負壓二次降塵裝置兼顧噴霧降塵以及吸風除塵技術，可更好地提高系統除塵效率。由上文可知，液壓支架噴霧負壓二次降塵裝置使用的噴嘴為含X形導流芯混合式噴嘴。

2.4 擋塵簾設計

圖3 液壓支架噴霧負壓二次降塵裝置示意圖

大采高綜采工作面粉塵污染具有持續(xù)時間長、污染范圍廣的特點，單純靠采煤機新型霧化降塵裝置與液壓支架噴霧負壓二次降塵裝置無法滿足整個工作面的除塵需求，故本文對大采高綜采工作面防塵系統進行了擋塵簾除塵補充設計，擋塵簾結構示意圖如圖4所示。通過將霧化后的水霧噴射在捕塵濾網上，運用水張力的原理使捕塵濾網形成一層由水霧組成的濾網，使得粉塵與水霧結合的概率增加，提高裝置除塵效率。由上文可知，擋塵簾使用的噴嘴為1.4 mm錐形導流槽直射式噴嘴[10]。

圖4 擋塵簾結構示意圖

3 防塵系統降塵效果測試

將上述新型霧化降塵裝置、液壓支架噴霧負壓二次降塵裝置以及擋塵簾系統應用于某煤礦大采高綜采工作面并進行降塵效果測試，采取各類措施后各工序的粉塵濃度測量數據表1所示。由表1可知，防塵系統應用后大采高綜采工作面呼吸性粉塵與全塵濃度大幅度下降，呼吸性粉塵與全塵降塵率為90.63%、91.84%，符合除塵系統設計要求。

表1 應用各類措施各工序粉塵濃度測量數據

4 結論

1）噴霧負壓二次降塵技術具有更好的工作面降塵除塵效果，可滿足大采高綜采工作面降塵除塵的要求。

2）對大采高綜采工作面防塵系統進行降塵效果測試后發(fā)現，系統降塵效果明顯，呼吸性粉塵與全塵降塵率分別為90.63%、91.84%，符合除塵系統設計要求。