大采高综采工作面防尘系统设计研究

2022-09-23高斐

机械管理开发 2022年9期

高斐

（晋能控股煤业集团云岗矿，山西大同 037001）

引言

随着现代化采煤技术的不断发展，大采高综采技术应用日益广泛，虽然提高了煤炭开采效率但也使采煤工作面受粉尘严重污染。大采高综采技术的粉尘产生和运移规律与传统采高综采技术不同，这使得过往的防尘技术已无法适应实际的生产需求。针对这一现象，提出了专门针对大采高综采工作面的防尘系统设计研究，通过喷嘴选定、新型雾化降尘装置设计，完成了大采高综采工作面防尘系统研究，提高了大采高综采工作面的除尘效率。

1 大采高综采工作面粉尘特性以及运动理论分析

大采高综采工作面的产尘环节主要有风流带入、移架工序、运输工序以及采煤机割煤工序，产尘方式主要有摩擦、掉落以及二者相互结合三种方式[1-2]。大采高综采面的风流分布规律为：整体呈中部大、四面小的规律，受支架以及护帮板干扰，风流速度不均匀。在采煤机附近，风速被滚筒与设备阻挡，分流到其他空间，使得其他空间风速上升。通过采煤机后，风速恢复。大采高综采面粉尘主要由煤炭粉尘、岩石粉尘以及其他混合物质组成，可分为非呼吸性与呼吸性粉尘。大采高综采面粉尘颗粒粒径为1～50μm，以呼吸性粉尘为主，占比80%以上。大采高综采面在采煤机与移架处粉尘浓度最高，顺着风向，粉尘浓度逐渐降低。

大采高综采面粉尘的沉降速度与粉尘粒径呈正比，颗粒越大，沉降速度越快，运移速度主要与风流速度有关。当采煤机逆风割煤时，粉尘扩散性小，高浓度粉尘集中于煤壁一侧滚筒处，且移架与割煤粉尘会混合作用，粉尘衰减行程更大。当采煤机顺风割煤时，高浓度粉尘位置在煤壁一侧中间处，其他与逆风割煤相同[3]。

2 防尘系统设计

2.1 喷嘴选型

大采高综采工作面的喷嘴选型主要有三个要求：首先，应选择尽量大的喷雾雾化角，大雾化角可提高水滴雾化效果以及系统降尘覆盖面积，使系统在同等用水量的前提下得到更好的降尘效果；其次，为考虑企业生产经济效益，应保证系统耗水量在10 L/min以下；最后，喷嘴的射程应符合实际工作面的需要。通常情况下，大采高综采工作面射程至少应在5 m以上。经过对本地喷嘴进行筛选发现，共有8款喷嘴符合要求。对8款喷嘴进行雾化试验，其过程示意图如图1所示。水箱内的水经过高压柱塞泵加压到设计压力后，通过试验喷嘴对水进行雾化处理，再运用Winner312激光粒度分析仪对经喷嘴雾化后的雾滴进行粒径测量，从而模拟大采高综采工作面的实际生产环境，通过雾化参数分析得出最佳喷嘴[4-5]。

图1 雾化试验过程示意图

经试验分析，喷口直径为2.4 mm的含X形导流芯混合式喷嘴、直径为1.6 mm的十字开口含X形导流芯混合式喷嘴及1.4 mm锥形导流槽直射式喷嘴性能最佳，较为符合大采高综采工作面防尘系统。但由于十字开口含X形导流芯混合式喷嘴射程范围为5.6～7 m，小于含X形导流芯混合式喷嘴的7.2～9.1 m，全断面喷雾无法做到，但该喷嘴耗水量以及雾化角度较为中庸，故十字开口含X形导流芯混合式喷嘴适合于机外喷雾，含X形导流芯混合式喷嘴适合于大采高架间喷雾。1.4 mm锥形导流槽直射式喷嘴耗水量较小，且雾化角度相对较大，故较为挡尘帘喷嘴。

2.2 新型雾化降尘装置设计

本文的雾化降尘装置采用的方法为喷雾负压二次降尘技术。喷雾负压二次降尘技术是指当水滴通过喷嘴向外喷雾时，扩散直径比管径大，管内会发生水雾活塞现象，空气推出后水雾后方会出现真空现象，真空带来的负压会吸入含尘气流，使粉尘与水雾撞击结合。当水雾喷出后，粉尘会失去漂浮能力沉降，同时去除粉尘后的水雾可再一次与粉尘结合，达到二次降尘目的，提高系统除尘效率。

对新型雾化降尘装置进行设计研究，其装置示意图如图2所示。降尘装置采用焊接方式安装于采煤机电机箱外，装置共有四个喷嘴设计，使用的为直径为1.6 mm的十字开口含X形导流芯混合式喷嘴，排列呈一字形，方向呈30°，完成滚筒全覆盖。吸收口可依据企业实际生产需要进行向上或向下安装，设计数量为一，具备负压吸收粉尘能力，雾场可完美封闭截割位置粉尘[6-7]。

图2 新型雾化降尘装置示意图

2.3 液压支架除尘装置设计

液压支架的除尘装置本文同样采用喷雾负压二次降尘技术，其装置布置图如图3所示。液压支架喷雾负压二次降尘装置由固定部件、喷雾部件以及吸尘除尘部件三部分组成。其中，固定部件主要包括固定圈、螺栓以及销子三部分，装置固定位置在液压支架圆柱油缸处；喷雾除尘部件由喷嘴与管道组成，喷嘴共设计三处，与水平夹角为0°、40°以及80°；吸尘口设置在装置侧部，起到吸尘除尘效果[8-9]。液压支架喷雾负压二次降尘装置兼顾喷雾降尘以及吸风除尘技术，可更好地提高系统除尘效率。由上文可知，液压支架喷雾负压二次降尘装置使用的喷嘴为含X形导流芯混合式喷嘴。

2.4 挡尘帘设计

图3 液压支架喷雾负压二次降尘装置示意图

大采高综采工作面粉尘污染具有持续时间长、污染范围广的特点，单纯靠采煤机新型雾化降尘装置与液压支架喷雾负压二次降尘装置无法满足整个工作面的除尘需求，故本文对大采高综采工作面防尘系统进行了挡尘帘除尘补充设计，挡尘帘结构示意图如图4所示。通过将雾化后的水雾喷射在捕尘滤网上，运用水张力的原理使捕尘滤网形成一层由水雾组成的滤网，使得粉尘与水雾结合的概率增加，提高装置除尘效率。由上文可知，挡尘帘使用的喷嘴为1.4 mm锥形导流槽直射式喷嘴[10]。

图4 挡尘帘结构示意图

3 防尘系统降尘效果测试

将上述新型雾化降尘装置、液压支架喷雾负压二次降尘装置以及挡尘帘系统应用于某煤矿大采高综采工作面并进行降尘效果测试，采取各类措施后各工序的粉尘浓度测量数据表1所示。由表1可知，防尘系统应用后大采高综采工作面呼吸性粉尘与全尘浓度大幅度下降，呼吸性粉尘与全尘降尘率为90.63%、91.84%，符合除尘系统设计要求。