综采工作面采场喷雾降尘系统优化与实践

郭明信

（平顶山天安煤业股份有限公司六矿 河南平顶山 467000）

引言

在煤炭开采过程中会产生大量的粉尘，尤其随着综采设备的应用，开采强度和开采能力得到大幅度提升，工作面产尘量也相应增加[1-2]。综采工作面粉尘危害主要表现在威胁职工身体健康、造成设备磨损、降低工作场所可视度差等，此外，粉尘在一定的条件下会发生连续性爆炸，粉尘爆炸的后果往往会造成设备损坏和人员伤亡[3]。为了降低综采工作面粉尘浓度，现场多采用通风降尘、喷雾降尘、煤层注水减尘等治理粉尘措施，但是受井下特殊环境的限制，减尘和降尘效果并不明显。鉴于此，决定对综采工作面常规喷雾降尘系统进行优化以期达到粉尘治理的目的，实验场所选在平煤股份六矿丁5、6-22240工作面。

1 工作面产尘分析

根据尘源来说，工作面粉尘主要来自于割煤和拉移支架。在采煤机割煤时，截齿给予煤体一定的应力，煤体在接受应力作用过程中集聚有大量弹性能，在煤体受应力破坏时弹性能释放，煤体遭到破坏，且同时煤体内部存在大量的裂隙，煤体受截齿应力作用，裂隙进一步发育，同时煤体内部弹性能突然释放，在该过程中产生大量的煤尘，且随着采煤机截强度度的增加，煤体块度会进一步降低，粉尘量则相应增加。在回采过程中，上部一定深度的煤岩体已经遭到破坏，支架的升降和拉移会进一步造成这部份煤岩体破坏，煤炭体破坏过程中产生大量的粉尘。另外，在支架升降和拉移过程中，支架后方冒漏的煤岩体碎屑会窜入采场，造成采场粉尘量增加，尤其对于顶板条件较差、顶板岩体强度较低的工作面而言，拉移支架产生的煤尘量可达工作面粉尘总量的40%。

2 喷雾降尘影响因素

喷雾降尘研究认为，喷雾降尘是通过喷雾降尘装置喷出的水雾粒子与粉尘粒子相遇后因凝结而实现粉尘采沉降的过程，而喷雾降尘效果是由水雾粒子与粉尘粒子凝结效率决定。喷雾降尘主要是通过喷雾装置产生的水雾粒子与粉尘产生碰撞和拦截实现粉尘降落，实践研究表明，喷雾降尘影响因素主要有水量水质、粉尘粒度、喷雾粒度、喷嘴孔径等。

2.1 水量、水质影响

理论上认为，喷雾流量能够反映单位时间内雾粒水量，当流量增加后，喷雾产生的雾粒与粉尘发生接触碰撞的概率也大大提高，雾粒捕尘效率也相应提高。水质对喷雾的影响主要表现在喷雾装置喷嘴的堵塞，水体含杂质较多容易堵塞喷嘴。

2.2 喷雾粒度和粉尘粒度影响

喷雾降尘是通过雾粒与粉尘凝结而实现降尘，实践表明，随着喷雾粒径在一定范围内的逐渐降低，雾粒在空气中的分散均匀性越好，与粉尘接触发生碰撞的机会越多，喷雾效果越来越好，当喷雾粒径过小时，在沉降过程中易发生蒸发，无法实现喷雾降尘效果；粉尘粒径越大越有利与降尘，其中粉尘粒径超过2μm时采用喷雾降尘，降尘率可达95%以上，粉尘粒径超过1μm时，降尘率可达85%以上，而当粉尘粒径低于0.5μm时，降尘率急剧降低，不足20%。

2.3 喷雾喷嘴孔径

资料显示，在喷雾压力一定的条件下，随着喷雾喷嘴孔径的不断增加，喷雾耗水量逐渐加大，全尘降尘效率逐渐提高，而呼吸性粉尘降尘效率呈现先提高而后降低的趋势，且在喷嘴孔径为1.5mm时呼吸性粉尘降尘率最好。

3 工作面喷雾降尘系统优化

3.1 采煤机喷雾优化

实践表明，采煤机内喷雾在滚筒长期割煤过程中易出现堵塞和损坏，采煤机运行一段时间后往往将内喷雾废置不用，外喷雾喷射范围有限。为了提高采场喷雾效果，决定对采煤机喷雾基于“先隔尘后降尘”的原则进行改造，即先通过隔尘喷嘴将采煤机滚筒附近粉尘包裹起来，然后利用降尘喷嘴进行喷射降尘。根据丁5、6-22240工作面所用采煤机型号，设计的采煤机隔尘降尘喷雾装置共布置有2个隔尘喷嘴和3个降尘喷嘴，隔尘降尘喷雾装置安装在采煤机摇臂末端。通过调整喷嘴孔径、角度和水压来满足隔尘喷嘴喷雾能够覆盖整个滚筒附近达到降尘的目的，通过多次现场试验，最终确定喷嘴孔径d=2mm，喷雾压力为3～5MPa。采煤机隔尘降尘喷雾装置安设见图1所示。

图1 丁5、6-22240工作面采煤机隔尘降尘喷雾装置安设示意图

3.2 支架架间喷雾优化

丁5、6-22240工作面原支架架间喷雾采用的是支架上安设一路Φ25mm的高压胶管作为主主供水管，然后在采面每隔10架引出一路Φ10mm的高压胶管连接喷雾杆，每个喷雾杆上安设4-6个喷嘴，喷雾开启后呈扇形状，喷雾开启方式为人工开启。由于受人为因素的制约，架间喷雾开启往往不及时甚至出现开车不开喷雾的现象，现场监管难度较大。为了避免该现象，在丁5、6-22240工作面引进了一套自动喷雾装置。该自动喷雾装置由电磁阀、集控器、通讯电缆、喷雾管、喷嘴、红外发射器和红外接收器等，其中红外发射器安设在采煤机机身上，红外接收器安设在支架上。自动喷雾装置工作原理是：采煤机机身上红外发射器始终发射信号，当采煤机运行至安设有红外接收器的支架处时，红外接收器接收信号，电磁阀启动，喷雾装置开始喷雾，喷雾延续时长设定位30s，当采煤机继续运行，运行到下一个安设有红外接收器的支架处时开启喷雾，如此循环。六矿丁5、6-22240工作面架间自动喷雾系统见图2所示。

图2 丁5、6-22240工作面工作面架间自动喷雾系统示意图

3.3 降尘效果分析

现场观测显示，工作面粉尘浓度分布随风流变化而变化，其中距离采煤机司机处10m范围内最大，超出10m范围后逐渐减小直至趋于稳定。为了掌握丁5、6-22240工作面采场喷雾系统优化后降尘效果，进行了为期1月的现场粉尘监测，结果显示：应用架间自动喷雾后，采煤机割煤处全尘浓度由659.7mg/m3降低至62.2 mg/m3，降尘效率达 90.6%，呼吸性粉尘浓度由原来的586.4 mg/m3降低到35.8 mg/m3，降尘效率达 93.9%；整个工作面的全尘降尘率在76.5%～90.6%，呼吸性粉尘降尘率在81.1%～93.9%。由此说明，通过对丁5、6-22240工作面采场喷雾系统优化后，工作面采场粉尘降尘明显，达到了预期降尘效果。

结语

在分析丁5、6-22240工作面产尘机理和影响喷雾降尘因素的基础上，通过隔尘降尘采煤机喷雾和架间自动喷雾装置的应用，优化了丁5、6-22240工作面采场喷雾系统。喷雾系统优化后，工作面粉尘得到有效控制，相比于未优化前采场全尘和呼尘浓度分别降低了76.5%～90.6%和81.1%～93.9%，工作面环境得到了大幅度改善。