采煤机机载式喷雾控降尘装置优化研究

张 波

（大同煤矿集团有限责任公司永定庄煤矿，山西大同 037000）

0 引言

现代综合机械化采煤工艺中，综采工作面煤尘一直是制约作业环境、增大作业安全隐患的重大危害因素[1]。在采煤机割煤时，截割部位对煤壁的破坏以及煤壁受截齿的冲击垮落，将产生大量的粉尘，尤其在逆风割煤时对作业人员的视线造成严重干扰；同时增大了尘肺病的发病率，据相关统计我国现有尘肺病患者达120多万，其中煤炭行业所占比例达到50%以上；另一方面，我国50%以上的煤矿的煤尘具有爆炸性，潜伏着煤尘爆炸危险[2]。

目前，我国在综采工作面采取的防尘措施主要为煤体内部及外部空间2种湿式除尘方法。其中，内部湿式除尘包括煤尘注水、湿式钻进[3-5]，主要是通过压力泵注水及打钻时注水对煤体内部进行湿润，使得煤体含水率增加，在截割及打钻过程中产尘量减少；外部湿式除尘包括喷雾、除尘风机的方式进行降尘，主要是通过将水进行雾化对作业空间进行喷洒，及通过除尘风机进行吸尘的方式进行外部降尘[6-8]。针对采煤工作面粉尘防治，一些专家学者[9-10]也做了相应的研究，基于前人研究成果，本文针对采煤机机载式喷雾控降尘装置进行了优化，使得采煤作业时煤尘浓度大幅度降低，抑尘效果明显，极大地改善了工作面作业环境，这对今后采煤机喷雾系统设计及喷雾方式的选择上提供了一定的借鉴。

1 工作面概况

永定庄煤矿8106综采工作面位于5#煤层北盘区，煤层平均厚度为5.8 m，采用走向长壁后退式采煤工艺，开采方式为放顶煤开采，工作面煤柱间净跨距约15～17 m，工作面煤柱宽约5～7 m。工作面采煤机滚筒直径为φ2 700 mm，截深为0.8 m，工作面有效断面21.3 m2，人行侧断面为11.8 m2，经实测工作面的风量为1 200 m3/min，平均风速达到0.94 m/s。

2 采煤机附近风速及粉尘分布情况

2.1 风速分布

为了准确分析采煤机附近风速对喷雾的影响，此次以采煤机机身段（约7 m）为测定长度，在刮板输送机及人行通道设定上部约1.5 m处，进行2次测风，并求其平均数，两者之间进行同步比较，根据现场所测结果，绘制了风速分布图如图1所示。

图1 采煤机机身段风速分布图

图2 工作面粉尘浓度分布图

对图1进行对比分析：整个采煤机机身段的最大风速差达到了1.6 m/s以上；人行道从电机截割处（1～3 m）缓慢增大，经过下风侧（3～5 m）截割电机后缓慢减小，而在机身处达到了最高风速，峰值达到了5.4 m/s。经分析，由于在上风侧受到工作面采煤机的影响，风流会倾向人行通道处，从而导致人行通道处风速增大，煤尘会随着风流涌向人行通道，最终导致作业环境受到极大的污染，同时增加了作业时的安全隐患。

2.2 粉尘分布

此次测试分别测定顺、逆风割煤时粉尘的分布情况，测点选取：距离采煤机司机前后20 m范围内，及司机后50 m范围内。具体测定结果如图2所示。

由图2可知：采煤机司机处（即0 m处）粉尘浓度呈迅速增大趋势，浓度高达37 mg/m3，尤其在逆风割煤时粉尘浓度变化区段比顺风时大约提前5 m，可知逆风割煤时粉尘污染对采煤机司机的影响更大。

3 机载式喷雾控降尘装置优化设计及应用

此次优化主要是在采煤机截割头端部，顺着风流方向布置若干喷雾，利用其引射作用将粉尘导向煤壁，使得采煤机司机附近粉尘浓度大大降低。

3.1 喷雾引射参数

3.1.1 喷雾引射量

为了取得较好的降尘效果，引射风量不得小于人行通道处受采煤机影响所增加的风量，效果才可达到最好。其计算如下：

式中：S人行侧为人行侧的断面，取11.9 m2；v0为风流未达到采煤机位置时人行侧的平均风速，取1.07 m/s；v1为采煤机中部人行侧平均风速，取0.94 m/s。

3.1.2 喷嘴选型

此次喷嘴选型，主要是由实验室进行模拟静压水在2 MPa下进行了测试，对常用的7种喷嘴进行了试验，结果如表1所示。由表可知此次选取引射风量及半径最大的PZ1喷嘴，并由式（1）可知至少安装8个此型号喷嘴才能满足需要。

表1 7种常用的喷嘴喷雾引射风量和引射半径

3.2 喷雾引射装置优化及应用

此次优化设计，考虑到喷雾引射范围的局限性，分别对喷雾布置及装置结构进行优化设计，具体如下。

3.2.1 喷雾布置

喷雾布置示意图如图3所示，在截割滚筒上交叉布置，上排斜向上布置，下排斜向下布置，上、下各布置4个喷雾，目的是引导粉尘均导向煤壁一侧，从而使得作业人员处粉尘浓度降低。

图3 喷雾装置布置示意图

3.2.2 装置结构

装置由2个部分组成：喷雾引射筒与喷雾引射腔。具体结构如图4所示，所布置的PZ1型喷嘴与引射腔相通，当采煤机采煤时，由于喷雾引射筒形成的负压作用，将产生的粉尘抽吸到腔内，再将含尘气流朝煤壁方向喷出，从而降低采煤机司机处粉尘浓度。

图4 喷雾控降尘装置结构示意图

3.2.3 应用效果

在此次试验区域（8106综采工作面）进行粉尘监测，具体监测结果如表2所示。分析表中数据可知：使用前后浓度差范围在13.23～36之间，降尘效率均达到了80%以上，效果显著。

表2 采取控降尘措施后的降尘效果

4 结束语

本文通过对喷雾的优化改进，利用喷雾引射作用原理，有效地将煤尘引导到了煤壁侧，使得作业人员处粉尘浓度大幅度降低；对试验区域进行粉尘浓度监测后，分析得出，使用前后煤尘浓度降到了3 mg/m3以下，降尘效率均达到了80%以上，效果显著。