大柳塔煤矿连续采煤机除尘系统优化改进

张江石，王文晖，刘绍灿

（1.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京100083；2.国家能源集团 神东大柳塔煤矿，陕西 神木719315）

连续采煤机在作业时因截割速度快，截割面积大，产生大量粉尘[1-2]，现大部分型号连续采煤机均采用了外喷雾加机载湿式除尘风机进行除尘[3-4]，仍无法满足《煤矿安全规程》对矿井粉尘浓度要求，为解决这一问题，现部分矿区连续采煤机掘进工作面采用在破碎机机尾跨骑于输送胶带安装1 套大功率湿式除尘风机，吸风口通过负压骨架风筒延伸至掘进面迎头5 m 以内，与局部通风机供风共同形成1 套长压短抽负压湿式除尘系统[5-6]，虽能减小掘进工作面粉尘浓度，但因系统存在安装维护困难，工人劳动强度大等问题，在实际应用中存在一定的缺陷[7]。董超[8]通过在采煤机上增添一种内置式喷雾增压降尘系统，解决了外喷雾易被粉尘堵塞问题，提高了喷雾降尘效率。王英等[9]通过分析邢东矿综采工作面粉尘运动的变化规律，设计适用于邢东矿综采工作面高压喷雾除尘系统，但不适用于其它煤矿。

为此，从连续采煤机设备自身出发，分析现有连续采煤机的除尘方式和存在的缺陷，通过提高外喷雾的压力和增添离心式湿式除尘风机，解决连续采煤机除尘系统外喷雾难以雾化、除尘风量小和吸风口布局不合理的设计缺陷，并在矿井掘进工作面进行了现场应用，并对除尘数据进行了采集分析。

1 现有连续采煤机除尘方式及缺陷

1.1 现有连续采煤机除尘方式

现有连采机虽品牌型号较多，但除尘系统设计几乎一致，主要包含2 部分：一是在截割头和装运机构安装外喷雾喷头，掘进工作面系统供水水压经过电机冷却后经喷头雾化喷出，通过喷雾除去一部分粉尘；二是机身安装1 套湿式除尘风机，由1 台除尘风机提供动力，对连续采煤机截割滚筒附近含尘空气强制性吸入机身风道，风道内安装喷雾头、过滤网、波纹板除雾器对含尘空气进行过滤降尘，处理后泥水由泥浆泵抽排至连续采煤机运输机，过滤后的空气则向机身后部排出[10-13]。

1.2 现有连续采煤机除尘缺陷

1）外喷雾利用掘进工作面系统水水压形成雾化，而矿井掘进工作面距矿井加压泵房距离较远，工作面供水末端压力不大，造成外喷雾雾化状况较差，影响外喷雾除尘效率[14-15]。

2）除尘处理风量较小，大断面掘进时处理粉尘风量不足，受现有连采机机身尺寸限制，各型连续采煤机除尘风机功率在19～26 kW 之间。为提高除尘效率，滤尘滤网网格空隙直径设置较小，风阻较大，工作阻力在2 000～2 600 Pa 之间，吸风风量200～300 m3/min。以神东大柳塔矿52502 回风巷掘进工作面为例，巷道最大断面为25.2 m2，巷道风速0.4 m/s 的要求，工作面需风量600 m3/min 以上，即除尘风机需能够处理风量要略小于600 m3/min，现有除尘风机不能满足使用要求。

3）吸风口布局不合理，吸风口受机身结构限制，只能分别布置在截割臂下方左右各1 处，装载钯爪上方1 处。粉尘产生主要发生在割煤、落煤和装煤过程中，对截割臂抬起较高时，落煤行程较大，落煤产生的粉尘不能有效被捕获。而在扫帮作业时，粉尘逸散空间较大，吸尘口不能有效捕获粉尘，扫帮作业示意图如图1。

图1 扫帮作业示意图Fig.1 Schematic diagram of the sweeping operation

4）采用过滤网和波纹板除尘，对7 μm 以下呼吸性粉尘除尘效率较低。除尘风机形成负压将截割滚筒附近粉尘吸入风道后，经过喷雾湿润，由密致防锈金属过滤网将大直径粉尘颗粒过滤，直径较小粉尘颗粒由除雾器拦截，除雾器由多片排列的波纹板组成。这种除尘方式对呼吸性粉尘除尘效率较低，在神东大柳塔煤矿52502 回风巷掘进工作面，开启除尘外喷雾后，该除尘系统对呼吸性粉尘除尘效率远低于对全尘除尘效率。机载除尘系统对总粉尘和呼尘除尘效率对比见表1。

表1 机载除尘系统对总粉尘和呼尘除尘效率对比Table 1 Comparison of total dust and dust removal efficiency of airborne dust removal system

2 连续采煤机除尘系统改进方案

掘进工作面粉尘在截割滚筒附近浓度最大，粉尘在风流作用下沿巷道全断面不断地排出、沉降和被捕集，因此粉尘浓度沿程不断减小[16-17]，提出的改进方案仍然在粉尘产生源头进行收集处理。

1）增加水路增压泵。根据连采机型号不同选择安装1 台合理的液压型水路增压泵，利用连续采煤机液压系统提供动力，对连续采煤机电机冷却水进行增压后由喷头喷出。针对神东大柳塔煤矿掘进面的实际情况，在12CM15-10D 连续采煤机上安装1台3520FVH 型号的增压泵，额定压力16 MPa，额定水流量87 L/min，水路增压后压力达到4.0 MPa，增压泵液压动力来自12CM15 连续采煤机液压先导回路，满足《煤矿安全规程》规定，提高喷雾除尘效率。

2）增加安装离心式湿式除尘风机。离心湿式除尘风机主要由吸风道、除尘器、主机、消声器等组成;离心湿式除尘风机直接利用由叶轮高速旋转所产生的旋转气流强化含尘空气中的粉尘与水雾雾粒的冲突,使其得到充分混合并形成含尘液滴，由旋转气流产生的离心力将含尘液滴抛到内筒壁上，经通孔进入夹层空腔落入积水盒后被排出，从而实现捕获气载粉尘、净化空气的目的。

3）针对神东大柳塔煤矿掘进面现有连续采煤机处理风量小，吸风口布局受限，对呼吸性粉尘除尘效率低等问题，可根据巷道断面尺寸，在运输左侧安装1 台KCS-300D 离心湿式除尘风机，机身尺寸长×宽×高为2 200 mm×720 mm×800 mm，额定功率为22 kW，额定交流电压1 140 V，电源取自连续采煤机电控箱，在驾驶室前安装1 台南京双井QJZ-30启动器控制。每分钟处理风量为300 m3/min，风机骑跨于连采机机身左后侧。根据现场使用经验离心湿式除尘风机安装在机身左侧，吸风口距截割滚筒3～5 m 时，除尘风机吸尘效果较好。

3 现场应用

设计改进方案应用于神东大柳塔煤矿52502 回风巷（1）、52502 回风巷（2）掘进工作面，该掘进面双巷掘进，巷道断面尺寸6.0 m×4.2 m，每隔65 m 掘进1 个联络巷，月均进尺1 600 m。工作面掘进头使用φ800 mm 风筒，供风量600 m3/min，风筒末端距工作面迎头20 m。使用12CM15-10D 型连续采煤机，机载除尘风机功率为26 kW，除尘风机处理风量220 m3/min。在不开启除尘风机时，喷雾水路增压前后除尘效率对比见表2。喷雾水路增压后，2 台风机开启和只开启机载除尘风机除尘效率对比见表3。

表2 喷雾水路增压前后除尘效率对比Table 2 Comparison of dust removal efficiency before and after pressurized water spray

表3 2 台风机开启和只开启机载除尘风机除尘效率对比Table 3 Comparison of dust removal efficiency of two sets of fan on and only on-board dust removal fan

通过表2 分析可知，将水路压力增加到4 MPa的时候，煤机司机作业点的总粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率较喷雾水路增压前分别提高了29.12%和22.14%；煤机后5 m 的总粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率较喷雾水路增压前分别提高了19.12%和21.59%；煤机后15 m 的总粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率较喷雾水路增压前分别提高了19.80%和15.64%。只通过增加喷雾压力对提高降尘效率不是很显著，尤其是对呼吸性粉尘的降尘效率的提高更为不理想，相较不增加喷雾压力，在煤机司机作业点、煤机后5 m 和煤机后15 m 3 个测量点，总尘和呼吸性粉尘提高最大的除尘效率分别为29.12%和22.14%。

通过表3 分析可知，2 台除尘风机同时开启相较只开启机载除尘风机除尘率在煤机司机作业点的总粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率较分别提高了83.19%和67.23%；2 台除尘风机同时开启相较只开启机载除尘风机除尘率在煤机后5 m 的总粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率分别提高了80.01%和66.12%；2 台除尘风机同时开启相较只开启机载除尘风机除尘率在煤机后15 m 的总粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率分别提高了73.36%和31.95%。通过增加喷雾压力和增加离心湿式除尘风机，相较只增加喷雾压力，在煤机司机作业点、煤机后5 m 和煤机后15 m 3 个测量点，总尘和呼吸性粉尘除尘效率提高的最大效率分别为83.19%和67.23%。

4 结 语

1）机载除尘风机和新增设除尘风机除尘效果与煤机滚筒割巷道底部或者中上部有较大影响，割巷道底部时，机载除尘风机除尘效果更为明显，煤机滚筒割巷道中上部时，新增设除尘风机效果相较割巷道底部时除尘效果更为明显。

2）通过增加喷雾压力对提高降尘效率不是很显著，尤其是对呼吸性粉尘的降尘效率的提高更为不理想，相较不增加喷雾压力，在煤机司机作业点、煤机后5 m 和煤机后15 m 3 个测量点，总尘和呼吸性粉尘提高最大的除尘效率分别为29.12%和22.14%；通过增加喷雾压力和增加离心湿式除尘风机，相较只增加喷雾压力，在煤机司机作业点、煤机后5 m 和煤机后15 m 3 个测量点，总尘和呼吸性粉尘除尘效率提高的最大效率分别为83.19%和67.23%。