综掘机高压外喷雾降尘装备应用分析

冯 飞

（汾西矿业集团曙光煤矿， 山西 孝义 032300）

1 某煤矿煤层与工作面概况

山西某矿的开采煤层具有厚度大、含水量低（原始含水量0.81%）等特点，同时矿井开采强度高，采用综掘方式掘进巷道，巷道断面大、供风量高。由于综掘机日进尺量达到18～20 m，在掘进迎头位置全尘、呼吸性粉尘质量浓度高达1 238 mg/m3、318 mg/m3，给综掘机高效工作带来一定的不利影响[1]。掘进工作面采用长压短抽通风、环形喷雾降尘等措施治理掘进工作面粉尘，但是综掘司机位置全尘、呼吸性粉尘质量浓度仍高达328.7 mg/m3、160.2 g/m3。

2 某煤矿1505 综掘巷产尘特点

大断面综掘工作生产过程围岩应力集中程度更为明显，前方煤岩体更为破碎，在正常掘进过程中截割煤岩产生的粉尘量更大，具体产尘特点为[2-3]：

1）产尘强度高。通过现场测试发现，大断面综掘巷道内产尘强度可达3.62×10-2g/J，在未采取防尘措施情况下综掘司机位置处全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别可达2 987.5 mg/m3、665.5 mg/m3，相对于矿井其他的掘进工作面，煤体产尘强度以及粉尘浓度增加幅度在10%以上。

2）掘进破煤时冲击产尘严重。综掘机破顶煤是整个掘进过程中产尘最大的工序，1505 巷巷宽、巷高分别为5.5 m、4.0 m，巷道顶煤从4.0 m 高度从下掉落，破煤、落煤过程中产生大量的冲击粉尘。加之掘进工作面风量供应量大，粉尘扩散范围更广泛。现场实测发现冲击产尘量约占综掘工作面割煤粉尘产生量的60%左右。

3）呼吸性粉尘含量高。对综掘工作面粉尘粒度测试分析发现，在大断面巷道掘进中呼吸性粉尘占比约为33.2%，远高于普通综掘工作面呼吸性粉尘25.8%的占比。

3 高压外喷雾降尘装备分析

该矿井1505 大断面综掘巷道内粉尘主要来源于截割头破煤、落煤冲击等部分，通过分析现阶段综掘机常用的喷雾除尘装置，决定在综掘机摇臂位置增加一组喷雾降尘装置，具体安装位置见图1-1，喷雾降尘装置结构见图1-2。安装的喷雾降尘装置上有上、中、下三个喷管，从而实现高压喷雾完全覆盖整个综掘机截割头，降低截割破岩过程中粉尘产生量。

图1 外喷雾装置示意图

同时在喷雾过程中高压喷雾装置内的负压强会形成高负压，从而可以使得一部分破碎煤体冲击产生的高浓度粉尘进入到喷雾装置内部，该部分高浓度粉尘与高压水雾充分接触、凝结，从而降低了综掘工作面粉尘浓度[4]。

根据上述喷雾除尘思路，通过综合对比SA102、SB102、SC102、SD102 以及G 型高压适用情况[5-7]，综合确定选用G 型喷嘴。为了确定合理的喷雾压力，将供水压力按照2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa 调整，对不同喷雾压力下的用水量、引射风量以及有效射程进行分析，具体采用的测试装置结构见图2，测试结果见表1。

图2 测试装置结构图

表1 测试结果

从表1 中看出，喷嘴有效射程、总用水量以及引射风量均随着喷雾压力的增加而增大，当水压在4～6 MPa 时，喷嘴有效射程、引射风量、总用水量分别为2.5～3.2 m、10.17～16.33 m3/min、16.08～18.33 L/min，均可满足喷雾降尘需要。因此，最终确定喷雾除尘水压为4～6 MPa。

4 综掘机喷雾除尘工艺现场测试

根据上述分析结果，在1505 综掘工作面对喷雾除尘装置使用情况进行现场分析，具体布置的喷雾除尘装置结构组成见图3，从调节泵站中输出的水压为2～8 MPa，测试综掘司机位置及后方10 m 位置处全尘、呼吸性粉尘浓度，从而确定最佳的喷雾工艺参数。在井下应用时选用的高压水泵型号为BPW80/16 通过管径为Φ25 mm、Φ13 mm 的高压软管为喷雾降尘装置供水，具体测试结果见表2。

从表2 中看出，采用G 型喷嘴时外喷雾效果除尘效率随着喷雾压力的增加而增大，当供水压力为6 MPa 时，综掘司机位置处全尘、呼吸性粉尘降尘率分别为82.65%、77.38%，当供水压力提升至8 MPa时全尘、呼吸性粉尘降尘效率分别为84.63%、78.65%，降尘效率相对于6 MPa 时分别提升了1.98%、1.27%。因此，将6 MPa 作为最佳供水压力。

1505 综掘工作面采用的防尘措施主要为长压短抽通风降尘、高压外喷雾两种方式，具体改造前后的综掘工作粉尘降尘效果见表3。

图3 现场布置的喷雾除尘装置结构组成

表2 现场测试结果

表3 改造前后的综掘工作粉尘降尘效果

5 现场配套设备

根据现场应用结果，并结合综掘机高压外喷雾降尘工艺应用情况，采用机载喷雾泵、高压软管、开关、供电电缆以及外喷雾装置等构成机载外喷雾系统，具体构成见图4。

图4 现场配套设备示意图

选用型号为BP25/8J 电驱动喷雾泵来为外喷雾装置提供高压水，该喷雾泵提供的喷雾压力最大为8 MPa、供水流量为50 L/min，电机额定功率为11 kW，同时该喷雾泵采用正压供水方式，无需设置水箱，大幅减少设备占用空间，可将喷雾泵直接布置于综掘机机尾上，综掘机供电电源为喷雾泵供电。为避免供水管路、喷嘴堵塞在喷雾泵站出水口处，安装GCQ-12 过滤器，在高压喷嘴前安装GCQ-3 过滤器，在过滤器后方安装压力传感器并与外喷雾开关连接。当压力传感器检测到供水压力在0.5 MPa 以下时，外喷雾开关自动断开，从而避免因缺水而导致喷雾水泵损坏。此外，为了便于综掘司机控制高压外喷雾系统，在喷雾泵开关上布置电源控制按钮，并布置在综掘司机操作位置，从而提升综掘司机对高压外喷雾系统控制能力。

6 结论

由于1505 综掘工作掘进断面大，相对于一般的综掘工作面粉尘产生强度更大，割煤过程中垮落煤体冲击产生的粉尘量更多，其中冲击粉尘产生量占粉尘量约60%，同时在掘进工作面呼吸性粉尘占比更高。

1）根据综掘机外形结构，通过试验对比最终选用G 型高压喷嘴、6 MPa 供水压力、36.8 L/min 供水流量进行高压外喷雾降尘，在该工艺下综掘机司机位置全尘、呼吸性粉尘质量浓度由2 987.5 mg/m3、665.5 mg/m3分别下降至287.8 mg/m3、105.6 mg/m3，降尘率分别为90.37%、77.77%。配合使用长压短抽通风降尘措施后，综掘司机位置全尘、呼吸性粉尘质量浓度下降至63.2 mg/m3、44.1 mg/m3，除尘效率显著提升。

2）根据综掘机布置情况，选用BP25/8J 喷雾泵并利用综掘机1 140 V 供电电源为喷雾泵供电，过滤器后方布置的压力传感器检测供水管路是否缺水，在喷雾泵开关上加装电源控制按钮便于综掘司机控制高压外喷雾系统运行。