大采高工作面高压喷雾降尘技术研究及应用

郭奋超，李腾龙，马 威，杨俊磊

(1.陕煤集团神木红柳林矿业有限公司，陕西 榆林 719300； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

大采高工作面具有生产效率高、产能大等特点，特别适用于煤层赋存简单的煤田。大采高工作面在提高产能的同时带来了更加严重的粉尘污染问题，工作面充斥着大量粉尘严重威胁煤矿作业人员的身心健康和安全生产，也制约了煤矿智能开采技术的发展。采煤机高压喷雾降尘技术由于其具有简便、经济、适应性强等优点，故常作为采煤工作面应用广泛的防尘措施之一[1-6]。实际生产过程中，现有的采煤机外喷雾射程、喷雾流量和喷雾覆盖范围不能适应大采高工作面的条件，降尘效率不到50%，导致部分粉尘逃逸，进入风流后仍会对人行巷道造成污染[7-9]。

1 大采高综采工作面的产尘特点

红柳林煤矿24205工作面走向长度1 216 m，倾向长度300 m，煤层平均厚度3.5 m，倾角3°。工作面采用SL900双滚筒采煤机割煤，一次采全高，滚筒直径2.2 m，功率2 200 kW。大采高综采工作面生产效率高，滚筒割煤时前方煤体受挤压片帮垮落严重[10]。工作面总粉尘质量浓度普遍在1 000～3 000 mg/m3，呼吸性粉尘质量浓度普遍在250～500 mg/m3，粉尘治理难度较大[11-12]。

实际生产过程中，由于采煤机外喷雾装置喷雾压力设置和喷嘴选型不合理，导致滚筒割煤时除尘效果不理想[13];同时只使用采煤机外喷雾装置并不能将采煤机滚筒产生的粉尘完全捕获，粉尘进入风流后仍会造成污染。

2 高压外喷雾降尘治理思路

根据大采高工作面产尘特点，采用高压喷雾降尘技术进行治理，并对存在的问题开展应用性研究。针对采煤机割煤的主要产尘源，在采煤机滚筒根部布置高压喷雾装置，在支架顶部安装采煤机尘源跟踪喷雾装置。根据大采高综采工作面的条件对喷雾参数进行研究，设计选用射程远、喷雾覆盖范围大、喷雾流量大的喷嘴，确定合适的喷雾压力，并开展现场试验进行验证和优化调整[14-15]。将采煤机高压外喷雾和尘源跟踪喷雾降尘系统相结合，形成始终包围采煤机滚筒的三维立体喷雾屏障，第一时间湿润滚筒，降低产尘量，并消除逸散的粉尘。最终形成一套与大采高采煤工艺相匹配的综合防尘技术及装备系统，有效解决工作面的粉尘污染问题。

3 采煤机高压外喷雾降尘技术

采煤机原喷雾装置，由于系统供水压力小、过滤效果差、喷嘴堵塞严重、喷嘴选型不合理，导致水流呈喷射状，喷射角度和雾化效果不理想，致使粉尘无法被有效抑制[16]。

采煤机机载高压外喷雾降尘系统如图1所示。采煤机工作时，高压外喷雾系统产生的水雾能够及时湿润并捕捉粉尘，同时形成的水雾包围面会阻止粉尘扩散，可从尘源处有效控制粉尘[17-18]。

图1 采煤机高压外喷雾降尘示意图

高压水泵将常压水转换为0～15 MPa(可调)的高压水，经特殊的旋流雾化喷嘴处理，形成的雾粒直径为30～150 μm，抗风能力强。水雾有效覆盖滚筒产尘区域，降低滚筒截齿割煤产生的粉尘。

高压外喷雾装置喷嘴在高粉尘质量浓度环境中工作经常会出现由于堵塞而更换繁琐的问题，为解决这一问题，研发一种新型可拆卸喷嘴，如图2所示。喷嘴体与进水旋套采用螺纹连接，当喷嘴堵塞时，拆下旋套，方便清理堵塞物。旋流芯上设计有旋流槽增加喷嘴雾化效果；同时设计有中心孔以增加喷雾射程。

图2 新型可拆卸喷嘴示意图

喷雾流量计算的经验公式为[19-20]：

(1)

式中：M为喷雾流量，L/min；k为喷雾流量系数；c为工作面平均粉尘质量浓度，mg/m3；Q为工作面风量，m3/min；d为水雾的最佳平均雾粒粒径，μm；ρc为粉尘的真密度，g/cm3；D为粉尘的平均空气动力直径，μm。

根据现场情况，粉尘的平均真密度为1.4 g/cm3，水雾颗粒的平均粒径为90 μm，喷雾流量系数取3.0，通过计算得到所需喷雾流量为123 L/min。新型可拆卸喷嘴能够满足设计方案。取出口压力为12 MPa，喷嘴雾流参数如表1所示。

表1 喷嘴雾流参数

为保证足够喷雾流量和射程，选取直径为1.5 mm的喷嘴。喷雾系统共包括3部分：采煤机上风滚筒布置6个不同喷射角度的新型可拆卸喷嘴，喷雾流量共计42 L/min；采煤机下风滚筒布置10个不同喷射角度的新型可拆卸喷嘴，喷雾流量共计70 L/min；采煤机机面布置10个不同喷射角度的新型可拆卸喷嘴，喷雾流量共计70 L/min。整个系统喷雾流量共计182 L/min，大于所需喷雾流量123 L/min。

4 采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术

由于滚筒割煤产尘量大，采用采煤机高压外喷雾后，仍有部分粉尘未被捕捉，扩散至工作面风流中。采煤机尘源跟踪喷雾降尘系统，通过安装在支架上的红外传感器，实现喷雾跟踪采煤机位置自动开启和关闭，在采煤机滚筒周围形成完整的包围面捕捉逃逸粉尘，进一步降低产尘量。尘源跟踪系统工作原理如图3所示。

图3 尘源跟踪系统工作原理示意图

采煤机滚筒割煤产尘是工作面最主要的尘源，尘源跟踪喷雾降尘系统主要清除采煤机滚筒处逃逸的粉尘。根据实际情况，现场风速1.0～1.5 m/s，喷嘴与采煤机滚筒距离为2.5 m，工作面大部分粉尘被采煤机高压外喷雾系统捕获，尘源跟踪系统喷嘴处粉尘质量浓度相对较低，喷嘴性能要求也相对较低，故可选择其他低成本喷嘴。在实验室中，优选多种雾化效果较好的喷嘴，在1.5 m/s风速下，研究其射程随压力的变化情况，结果如图4所示。

图4 优选喷嘴射程随压力变化图

由图4可知，在1.5 m/s风速条件下，各喷嘴射程随着喷雾压力增加而增加，在喷雾压力不超过 12 MPa 时，SS3007、PZ2和SB203三个型号的喷嘴射程能达到2.5 m。

采煤机滚筒产尘区域面积决定喷雾覆盖面积大小，为保证雾流能够完全包围滚筒产尘区域，要求喷雾覆盖范围不得小于滚筒面积。采煤机滚筒直径为2.2 m，通过计算，喷雾覆盖面积最小应为3.8 m2。在实验室中，对SS3007、PZ2和SB203三个型号的喷嘴，在1.5 m/s风速条件、12 MPa 喷雾压力、距离喷嘴2.5 m处的喷雾覆盖范围进行了测定，结果如表2所示。

表2 距离喷嘴2.5 m处雾流覆盖面积

根据实验结果，不同型号的喷嘴，所需喷嘴个数及喷雾总流量如表3所示。

表3 系统所需喷嘴个数及喷雾总流量

由表2、表3可知，为最大程度减少喷雾流量，同时满足大采高工作面对喷雾射程和喷雾覆盖范围的要求，尘源跟踪喷雾降尘系统喷雾压力应选择 12 MPa，喷嘴型号为PZ2，在此条件下喷嘴能够达到系统要求喷雾射程和喷雾覆盖范围，同时又能最大程度减少喷雾流量。

5 现场应用

综采工作面采煤机高压外喷雾系统结合采煤机尘源跟踪喷雾降尘系统，前者直接从尘源处有效抑制粉尘，后者则在尘源处形成外包围面，防止逃逸粉尘进一步扩散。两系统相辅相成，综采工作面粉尘控制效果显著，极大地改善了工作面的环境。

系统安装前后通过滤膜测尘法，分别在司机处和采煤机下风10 m处对粉尘质量浓度进行了测量，结果如表4所示。

表4 采用降尘系统前后粉尘质量浓度

由表4可知，在应用采煤机外喷雾降尘装置和尘源跟踪喷雾降尘系统后，采煤机司机处总粉尘和呼吸性粉尘平均质量浓度分别从1 362.4、289.1 mg/m3降低到97.4、31.7 mg/m3，降尘效率分别为92.85%、89.02%；采煤机下风侧10 m处总粉尘和呼吸性粉尘平均质量浓度分别从456.8、97.3 mg/m3降低到45.1、9.7 mg/m3，降尘效率分别为90.13%和89.76%。

6 结论

1)选取新型可拆卸喷嘴、设定合理喷雾压力、喷雾流量和喷射角度，使采煤机高压外喷雾形成雾粒直径为30～150 μm，抗风能力强，且能将滚筒完全包围在水雾中，可直接高效地从尘源处降低粉尘浓度。

2)尘源跟踪喷雾降尘系统能够捕获采煤机滚筒处逃逸的粉尘，阻止粉尘进入人行巷道。选取PZ2型号喷嘴、设定喷雾压力12 MPa，使尘源跟踪喷雾能够到达且覆盖采煤机滚筒，保证了尘源跟踪系统的高效性。

3)实验工作面在使用采煤机高压外喷雾和采煤机尘源跟踪喷雾降尘系统后，采煤机司机处总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率分别为92.85%、89.02%；采煤机下风侧10 m处总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率分别为90.13%、89.76%，显著改善了工作面的作业环境。