综掘机截割部防尘装备研究

李彦辉

（辽宁能源煤电产业股份有限公司，辽宁 沈阳 110014）

近年来辽宁能源煤电产业股份有限公司（简称“辽宁能源”）大力推进“四化三减”和装备技术升级改造工程，综掘机械化程度大幅提升，特别是煤巷综掘机械化程度已达到100%。煤巷综掘机械化程度的提高，也随之带来了煤尘安全隐患。辽宁能源所属的林盛煤矿、红阳二矿、红阳三矿、西马煤矿、蒙西煤矿、蒲河煤矿6 对矿井，煤尘都具有爆炸危险性，作为煤巷综掘机械化掘进关键部位的截割部，是矿井煤尘主要来源之一，同时综掘机截割的时候，遇到坚硬的煤层，截割部会出现火花，加上煤层赋存的瓦斯，具备了煤尘爆炸的条件，存在安全隐患，制约了煤矿安全高效生产。

目前针对综掘工作面的煤尘防治，国内主要采取的是综掘机单喷嘴高压外喷雾、电动叶轮式湿式除尘风机、巷道喷雾、捕尘纱网、化学降尘剂、压力水旋转雾化降尘装置、旋转喷雾降尘装置等措施，并在不同的矿区进行了应用，也取得了一定的效果。辽宁能源所属矿井目前都是采用综掘机单喷嘴高压外喷雾、巷道喷雾、捕尘纱网综合防尘技术，防尘效果一般，不能有效解决工作面煤尘治理难题。辽宁能源针对所属矿井的实际情况，提出了对综掘工作面截割部采用压气水射流细水雾防尘技术和装备进行研究，对促进矿区的安全生产和工人身体健康，减少煤尘危害带来的经济损失，具有重大的社会效益。

1 工程概况

辽宁能源蒲河煤矿位于沈阳市沈北新区蒲河镇，设计生产能力为300 万t/a，主要开采甲2 煤层。西一采区13#面位于西一采区西北部，东西走向布置，运输顺槽长1008 m，回风顺槽长576 m，开采深度在380～410 m 之间。工作面可采煤层为甲2 煤层，由30 多层煤分层构成，中间夹0.05～1.5 m厚度不等的夹矸，煤层平均厚25 m，厚度及结构变化不大。煤尘爆炸指数44.92%，单位煤尘浓度为164.17 mg/m3，采用综掘机施工巷道。

防尘供水系统：地面贮水池→北三立孔→副下→西翼回风上部车场→西翼回风下山→西一采区集中回风巷→西一采区集中运输巷→西一北集中轨道巷→西一13#面回风顺槽。

2 压气水射流吸风喷雾雾滴特性与降尘试验

试验方案采用正交试验，按L9（34）正交表设计。考虑到影响压气水射流吸风喷雾器效果的参数主要包括喷嘴、射流管（包括喉管、短扩散管、吸入室等部件）结构尺寸、供水供气参数等，该试验只对影响吸风空气式降尘喷雾器性能的喉嘴距L1、α喷嘴直径D以及扩散管的扩散角 三个因素进行分析。

对于喷嘴直径，考虑到压风耗量及其喷雾效果，选2 mm、3 mm、4 mm 三种进行试验；射流管的扩散管扩散角α分别取为30°、45°和60°，对应扩散管长度分别为56 mm、36 mm 和26 mm；喉嘴距设定为48 mm、68 mm、98 mm 等3 个位置。因素与水平的数据见表1。

表1 压气水射流吸风喷雾试验因素与水平表

3 综掘机截割部致灾因素防控装置的数值模拟

试验系统包括压气水喷雾降尘试验系统和喷雾特性测试系统，如图1。

图1 压气水射流喷雾器降尘试验系统

吸风量通过圆锥形集风器法测定，先通过补偿式微压计测定静压测量孔的静压Pst，再按下式计算吸风量：

式中：Q为吸风量，m3/s；µ为流量系数；Pst为静压测量孔的静压，Pa；D为测压处管径，m；ρ为空气密度，kg/m3。

压气水射流喷雾特性测试系统由喷雾子系统和激光相位多普勒粒子分析仪（Phase Doppler Particle Analyzer，简称PDPA）系统两部分组成，如图2 所示。喷雾子系统由水泵、水箱、自吸式喷雾器、供水阀门、水流量计、压缩机、旋流式气水混合器、供气管路、集水装置等组成。PDPA 子系统用来测量雾滴的速度和粒径大小等参数，包括发送光源镜头、接收光源镜头、三维坐标架、数据处理器、计算机等。试验主要测试索太尔平均直径（Sauter mean diameter，简称SMD）值及其雾滴的速度。该测试系统的工作原理是，经压缩机和高压泵出来的水经过混合气后，由喷嘴喷出，PDPA 系统把一束蓝色激光和一束紫色激光打到水雾上，并在测量点上聚焦，然后把水滴反射回的激光信号收集起来，送数据处理器进行处理，得到被测处雾滴的速度、粒径等参数。

图2 压气水射流喷雾PDPA 喷雾特性试验系统示意图

4 试验结果及分析

（1） 正交试验（表2）

表2 正交试验及结果表

为了便于直观分析，通过各因素水平的数据与相对应的平均值以及每列的极差作正交试验直观分析图，如图3 所示。根据直观分析图可以得出，当喉嘴距为48 mm、喷嘴直径为3 mm、扩散角为30°时，有效射程、喷射角、SMD 值、吸风量达到最佳。

图3 正交试验直观分析图

5 综掘机截割部防控致灾装备

综掘机截割部防控致灾装备由综掘压气水吸风水气幕装置（主要由几个压气水吸气喷雾器组成）、压气水射流吸尘净化器、旋流分风器等组成，如图4。

图4 综掘截割部防控致灾装备组成

压气水吸气喷雾器耗水量每个3～5 L/min，压气压力为0.4～0.7 MPa，每个压气水吸风式喷雾的吸风量为12 m3/min，喷雾出口500 mm 处索太尔平均直径（SMD）为70～100 μm；压气水射流吸尘净化器不锈钢制作，吸风量为90～120 m3/min，耗水量3～5 L/min，雾滴平均直径（SMD）为70～100 μm；压气水射流吸尘净化器出口接直径600 mm软质风筒；旋流分风器有2 个固定分风口、1 个可调分风口、旋流叶片等，可调分风口根据迎头瓦斯情况调节，采用不锈钢制作。

6 注意事项

（1）与压气水射流吸尘除尘器连接的伸缩风筒出口应指向运输机上方，使得压气水射流抽风除尘装置出来的水流向运输机运走，同时应注意伸缩风筒的弯曲应平滑，风筒出口不应指向电器设备。

（2）平时应及时挪移，使得压气水射流吸尘除尘器、旋转射流送风分风控尘器离掘进迎头的距离不超过10 m。

（3）使用及挪移时应注意保护压气水射流吸尘除尘器和旋转射流送风分风控尘器，不得损坏。

（4）与压气水射流吸尘除尘器所联的压气管路接口均不得低于19 mm。

（5）掘进机下井前需要预先在摇臂附近焊接内螺纹安装孔的安装板4～6 个，以便用直径12 mm的螺栓安装自吸式喷雾降尘装置。生产过程中需要更换掘进机刨头或其他需要预先焊接本降尘装置底座的部件时，一定要预先在下井前预先焊接厚为16～20 mm 的安装板和底座。

（6）工作面地质条件变化，有关喷雾器碰到巷道支架时，应将喷雾器暂时拆下，等到条件正常时再重新安装。喷雾器与巷道支架发生摩擦时千万不能强行运行。

7 结语

综掘机截割部压气水射流吸风喷雾目前正在辽宁能源蒲河煤矿西一采区13#面进行工业性试验，从目前回采过程中测定的数值情况分析，最大全尘质量浓度降尘率由以往常规单喷嘴喷雾的92.67%提升到现在的97.2%，呼吸性粉尘最大质量浓度降尘率由以往常规单喷嘴喷雾的87.21%提升到现在的96.2%，降尘效果明显，能够有效改善工作面的工作环境，降低煤尘爆炸的风险，具有良好的社会效益，推广应用前景广阔。