综采工作面新型风助喷雾降尘装置研制及应用

2021-05-13杜永星

山东煤炭科技 2021年4期

杜永星

（山西保利平山煤业股份有限公司，山西晋城 048000）

1 引言

综采工作面粉尘的防治一直以来是煤矿安全生产管理工作中面临的难题，如何有效降尘成为当务之急[1]。目前，普遍采用的降尘措施包括煤层注水、加强通风管理、喷雾降尘等[2]。其中喷雾降尘主要是利用安装于综采面中支架、采煤机和转载点等处的喷雾降尘装置进行粉尘防治。深入研究工作面降尘装置，提高降尘效率对于安全生产具有重要意义[3]。

本文针对平山煤矿31016 工作面粉尘浓度超标问题，提出在现有喷雾降尘技术基础上，结合雾场分布特性，研发出液压支架风力负压喷雾降尘装置和采煤机湿式喷雾降尘器，不仅增强了喷雾效果，而且喷雾产生的雾场对于采煤机滚筒产尘源能够进行有效的包裹，抑制粉尘扩散[4-5]。

2 新型喷雾装置机理及与原喷雾装置对比分析

新型喷雾装置主要由液压支架风力负压喷雾降尘装置和采煤机湿式喷雾降尘器组成，通过增加喷雾浓度，扩大喷雾范围，利用负压引射吸尘，在高速风流的运载下，增加雾滴碰撞以提高拦截粉尘的概率，有效捕集粉尘，降低工作面粉尘浓度。

2.1 液压支架风力负压喷雾降尘装置研制及与原结构对比分析

在综采工作面中，液压支架喷雾的目的在于降低产尘源处粉尘浓度和阻止粉尘扩散，而平山煤矿31016 工作面风速较大，原有喷雾装置产生的雾场容易被吹散，导致喷雾有效覆盖范围较小。

对此，增加了负压引射装置，即在原喷雾管上加装不锈钢外壳，前面为喷雾口，后面为吸风口，在吸风口处安装带有叶轮的微型气动马达构成负压吸风系统。于喷雾口处分别安装与喷雾杆呈15°、45°、75°的圆口含X 形导流芯实心圆锥形的喷嘴，此喷雾具有流量小、喷雾效果好的特性，能够形成覆盖煤壁至支架立柱间的全断面喷雾场，气动马达产生的负压气流能够将粉尘通过吸风口卷吸进入，进而通过喷雾场捕集沉降，同时马达能够产生与喷雾方向相同的高速气流，进一步促使喷雾场向滚筒处扩散。装置安装于液压支架顶梁油缸处，每隔一台支架进行布置。装置结构如图1。

图1 液压支架风力负压喷雾装置

马达为防爆型马达，结构简单，输出功率较高，在0.1～0.4 MPa 气压下能够正常运行，提供持续稳定的风流。

2.2 采煤机湿式风助降尘装置研制及与原结构对比分析

采煤机喷雾对于工作面降尘起到关键性作用，目的在于降低产尘源处粉尘浓度，而原装置的喷雾系统由于综采面风速较大，滚筒产尘量较多，难以有效覆盖滚筒产尘源，使得降尘效果并不明显。若单纯增加喷雾装置，导致喷雾量增大，会出现打湿工作人员衣物以及工作面积水等问题。

在不增加喷雾量的前提下，为了克服风阻以及喷雾范围无法有效覆盖等问题，设计了湿式风助喷雾装置。在直径为350 mm 的不锈钢圆桶外壳内安置一个小功率防爆防水电机，电机连接风叶，在出风口处均匀布置8 个圆口含X 形导流芯实心圆锥形喷嘴，底部安装有固定底座，叶轮前布置若干排水孔，防止积水影响电机。该装置工作时，开启喷雾装置和电机，喷雾在电机高速风流的带动下，雾场扩散，有效覆盖采煤机滚筒处产尘点，并且雾场对于外界风流的抗干扰能力较强。如图2。

图2 采煤机湿式风助降尘装置

3 新型降尘装置喷雾数值模拟

利用Fluent 软件进行模拟，其中将31016 综采工作面模型计算区域中的风流看做连续相介质，巷道内风速设置为1.2 m/s，空气密度1.23 kg/m3，取六个点A1～F1 进行喷雾浓度的测试，并将其平均值作为滚筒处喷雾场的喷雾浓度，如图3。

图3 喷雾场雾滴分布范围

新型降尘装置喷雾压力和气压对喷雾效果的影响。在未开启马达和电机时，将支架和采机喷雾压力分别设置为4 MPa、6 MPa 和8 MPa 进行模拟，不同压力条件下雾场分布和截面云图模拟如图4。

图4 不同压力条件下雾场分布截面云图

从模拟图4 可以看出，当喷雾压力分别设置为4 MPa、6 MPa 和8 MPa 时，雾滴平均浓度分别为1120 mg/m3、1340 mg/m3和2300 mg/m3，说明喷雾压力越高，喷雾效果越好，喷雾场此时能够较好地覆盖从煤壁至立柱的空间范围，但对于滚筒处却无法有效覆盖。

在喷雾效果最佳时，即喷雾压力为8 MPa 的前提下，开启马达和电机，气压分别设置三个不同参数，依次为0.6 MPa、0.8 MPa 和1.0 MPa 进行效果模拟，如图5。

从图5 可以看出，在喷雾压力为8 MPa 时，气压越大，雾场分布范围越广，对于滚筒产尘源处的覆盖越有效。当P气=1.0 MPa 时，85%喷雾场区域喷雾浓度在10 000 mg/m3以上，较之前未开启马达和电机时，喷雾效果明显增强。这是由于雾场雾滴在风流作用下进行了有效扩散，能够较好覆盖采煤机滚筒产尘源处的区域。