综采工作面采煤机高压喷雾降尘技术研究

范少峰

（山西离柳焦煤集团兑镇煤矿，山西 孝义 032300）

引言

综采工艺是煤矿井下主要开采方式，随着采面推进速度增加，煤炭产量明显增大，但是也存在作业面内粉尘浓度高问题，恶化井下作业环境并威胁采煤人员身体健康[1-3]。煤矿井下常用降尘技术包括喷雾降尘、煤层注水等，其中采煤机高压喷雾具有除尘效果好、便于操作等优点，是综采工作面最为基础的降尘措施[4-5]。但是现场应用过程中受到作业面环境恶劣，采煤机高压喷雾射程近、喷雾覆盖范围及喷雾量小等因素影响，面临喷雾降尘效果不佳问题[6-8]。文中就以山西某矿91105综采工作面粉尘治理为背景，对采煤机高压喷雾降尘技术进行探讨，以期能在一定程度上改善综采工作面环境质量、提高粉尘治理效果。

1 91105工作面概况

91105综采工作面回采11号煤层，煤层埋深650 m，具有突出危险性。11号煤层厚度均值3.5 m，倾角6°，顶底板以泥岩、碳质泥岩以及粉砂岩为主，煤层原始瓦斯含量9.5 m3/t。采面回采前在回采巷道内间隔5 m布置本煤层瓦斯钻孔进行瓦斯预抽。采面使用的采煤机型号为SL900，截割进尺900 mm，驱动电机功率2 200 kW。11号煤层原始含水率较低加之本煤层瓦斯抽采影响，煤层含水率进一步降低，采煤机割煤期间粉尘产生量较高。现场实测发现，采面呼吸性粉尘以及全尘浓度最高分别可达220～480 mg/m3、950～2 260 mg/m3，粉尘浓度高、治理难度大。

在生产过程中，受到采煤机机载喷雾系统喷嘴类型以及喷雾压力不合理等因素影响，采煤机高压喷雾效果不佳。

2 粉尘治理技术研究

2.1 粉尘治理思路

91105综采工作面粉尘产生量较大，采煤机割煤以及液压支架移架是主要的粉尘来源，液压支架上布置有喷雾系统，可降低移架喷雾量，因此降低采煤机割煤期间粉尘外溢量是降低采面粉尘浓度的关键。依据工作面现场特点，提出采用射程远、喷雾量大、雾化效果好以及覆盖范围大的喷雾进行降尘，并确定合理喷雾压力，提高喷雾效果。将高压喷雾系统、尘源跟踪喷雾降尘技术相结合，构成覆盖采煤机产尘点的喷雾屏障，降低采煤机割煤期间粉尘外溢量，改善工作面环境。

2.2 高压喷雾降尘

91105综采工作面SL900原有的高压喷雾降尘系统由于喷雾压力小、水质差以及喷嘴选型不合理等因素影响，存在喷嘴雾化效果不佳、粉尘治理效果差等问题。为此，采用机载高压外喷雾系统实现采煤机粉尘产生点全覆盖降尘。采煤机割煤时，高压喷雾系统可实现粉尘点全覆盖并及时浸润粉尘，从而抑制粉尘外溢。

喷雾采用变频控制高压泵，供水压力0～15 MPa，同时通过新型可拆卸喷嘴喷雾的雾滴粒径控制在30～150 μm，可实现割煤滚筒全覆盖且抗风能力强。当使用过程中某个喷嘴堵塞时通过拆卸即可快速清理喷嘴内杂物，从而降低喷嘴堵塞对喷雾降尘效果影响。具体采用的喷嘴结构如图1所示。喷嘴内部旋流芯设计为旋流槽形式，可增加喷雾雾化效果；中心孔可增大喷雾覆盖范围。

图1 新型可拆卸喷嘴示意图

在91105综采工作面粉尘密度平均约为1.4 g/cm3，水雾半径平均90 μm，喷雾系数为3，根据相关计算公式求得喷雾流量约为123 L/min。为确保采煤机高压喷雾效果，选择采用直径1.5 mm喷嘴。采煤机上风口、下风口以及机身上各个角度分别布置喷嘴6个、10个、10个，喷雾流量分别为42 L/min、70 L/min、70 L/min，布置的26个喷嘴可实现全覆盖喷雾降尘，喷雾总流量为182 L/min＞123 L/min，表明整个高压喷雾系统喷雾流量可满足降尘需要。

2.3 尘源跟踪喷雾降尘

2.3.1 现场布置

采煤机割煤过程中产生大量粉尘，采用高压喷雾降尘后仍会有粉尘外溢扩展至回采空间，为此采用尘源跟踪降尘技术对进行全覆盖降尘，具体如图2所示。在采面液压支架上布置红外传感器，可实现采煤机位置跟踪，液压支架上喷雾系统会随着采煤机推移而移动，实现采煤机生产范围圈覆盖降尘，进一步降尘粉尘外溢量；同时为降低喷雾对底板影响，在与采煤机相距2架以上距离时液压支架上喷雾系统会自动停止喷雾。

图2 尘源跟踪喷雾降尘布置示意图

2.3.2 喷嘴类型确定

在91105综采工作面生产时风速为1.0～1.5 m/s，喷嘴与采煤机间距为2.5 m，采煤机割煤通过机载高压喷雾系统可捕获大量粉尘，仅有少许粉尘外溢，因此对尘源跟踪降尘系统喷嘴工作性能要求相对较低。为合理确定喷嘴性能，对1.5 m/s风速下不同喷嘴射程随喷雾压力变化进行统计，具体如图3所示。

图3 喷嘴喷雾射程随喷雾压力变化曲线

从图3看出，随着喷雾压力增加喷嘴喷雾射程均有所增大，当喷雾压力为12 MPa时，试验采用的SB203、SS3007以及PZ2有效射程均可超过2.5 m，仅GA201喷嘴射程在2.3 m。在喷雾降尘时喷嘴喷雾覆盖范围不应小于滚筒割煤产尘范围，采用的SL900采煤机滚筒直径2.2 m、割煤产尘范围3.8 m2，具体SB203、SS3007以及PZ2喷嘴喷雾有效覆盖范围试验结果如表1所示。

根据表1结果并结合采煤机割煤产尘范围，若尘源跟踪喷雾实现产尘范围圈覆盖，则需要的喷嘴数及喷雾流量计算结果如表2所示。

表1 不同喷嘴流量及覆盖面积

表2 尘源跟踪喷雾降尘需要喷嘴流量及喷嘴数

结合表1、表2数据，在满足喷雾降尘需要、减少喷雾用水需要时，将喷雾压力设定为12 MPa，喷嘴类型选择PZ2型。

3 现场粉尘治理效果分析

在91105综采工作面采用采煤机高压外喷雾降尘以及尘源跟踪喷雾降尘技术后，可实现采煤机割煤产尘点全覆盖。对使用前后采面各位置粉尘浓度情况进行测定，具体结果见表3。

表3 粉尘治理效果

从表3中看出，高压喷雾降尘技术应用后，采煤机司机处、下风侧10 m处位置全尘以及呼吸性粉尘降低幅度分别超过89%、90%，取得显著的降尘效果。

4 结语

1）在采煤机高压外喷雾系统中通过采用新型可拆卸喷嘴、合理确定喷雾压力及流量等，可实现采煤机割煤产尘点全覆盖，并提高雾化效果及抗风能力，降低采煤机割煤粉尘外溢量。

2）使用粉尘跟踪喷雾降尘技术可捕获采煤机割煤外溢粉尘，进一步降低回采空间粉尘浓度。依据91105综采工作面现场情况，确定喷嘴类型为PZ2、喷雾压力12 MPa。

3）现场应用后，采煤机实际位置以及下风侧10 m位置处粉尘浓度均明显降低，取得较为显著粉尘治理效果。