综采工作面采煤机高压喷雾降尘系统设计及应用分析

赵晓璐

（晋能控股煤业集团铁路运营有限公司矿山铁路分公司，山西 大同 037000）

1 工程概况

晋能控股煤业集团某矿15111 工作面隶属151 采区，开采区域的面积为157437m2，海拔高度在1058～1098m之间，采区的倾斜长度约为115m，走向平均长度1029m。15 号煤层为当前最大的开采区，厚度的范围在4.87～8.58m之间，厚度的平均值为5.89m。对煤层的地质结构进行勘探发现，结构的复杂度较低。煤层顶部的主要成分为泥岩，平均厚度为7.10m;煤层底部的主要成分为泥岩，平均厚度为6.58m。在采空区，采取了综采、放顶煤的方法，对采空区的顶板进行了全面的管理。工作面的通风路径为U 型，将新鲜的空气从下风巷导入，穿过工作面，再由上风巷返回。

根据工作面地质数据分析，15煤层为薄煤，煤尘不具有爆炸性。由于工作面采用放顶煤开采方式，采煤、拉架、放煤作业会产生大量的煤尘，对工人的健康造成很大的危害，同时也会对工作环境造成很大的影响，降低了能见度，给工人带来了安全隐患，为了降低采煤过程中的煤尘，优化工作面工作环境，减少对工人的危害，对工作面粉尘治理技术进行了分析和探讨，确保工作面生产的安全，减少对工作人员健康的伤害[1]。

2 喷雾降尘机理分析

综采工作面生产过程中产生的粉尘主要是在采煤机切割过程中产生的，采煤机在开采过程中对煤体进行扰动，造成粉尘在工作面中浮动，从而形成了粉尘的源头，因此，对采煤机割煤作业中的粉尘进行控制是减少煤层中粉尘含量的最有效的方法。工作面生产过程中产生的粉尘粒径通常小于0.3μm，粒径较小，重量较轻，在工作面的风流中很容易被吹走，从而会在较大的范围内扩散。当灰尘被气流卷走时，它呈现出一种布朗运动的特征，当它与其它的东西发生接触时，它很容易发生沉降，见图1a。当气流中包含水珠时，灰尘颗粒与雨珠的撞击会发生向下层的偏移，而气流中的灰尘浓度较高，在气流中的惯性会使其沿气流的方向发生变化[2]，粉尘中质量较大的粒子将会全部与水滴产生碰撞从而被水珠捕捉，其捕集原理见图1b。

图1 喷雾降尘机理示意图

在工作面生产过程中，采用了喷水降尘的方法，就是将水珠和尘粒的撞击作用结合在一起，形成一种具有一定的沉降作用，因此，喷雾降尘的效果主要是由水珠和粉尘的凝结作用决定的[3]。如果水雾粒子在一定的速度下运动，不带电荷的情况下，那么它只能对8μm以上的微粒起到很好的作用，而在微粒直径小于8μm的情况下，它的作用就会很弱。当捕尘水雾粒子被带上电后，它们所形成的静电场会和粉尘所形成的静电场力互相吸附，从而极大地改善了水雾的除尘作用[4]。

根据上述的研究成果，在水雾中加入一定的电荷后，可以有效地改善水雾的防尘性能，而水雾的带电量与水雾压力的关系则显示在图2 中。从图2 中可以看出，在水雾压力小于10MPa时，水雾的带电电荷量随水雾压力的增加而增加[5]。由此可以看出，当喷水压力增大时，可以增大水雾的带电电荷，从而增大水雾对尘埃粒子的吸附能力，从而改善喷雾降尘效果。基于以上的研究结论，并结合15111 工作面的煤体、通风等基础条件，确定了在采区开采过程中采取的降灰方法为：高压喷射喷洒法，并设置了6～8MPa的喷射水压。

图2 不同喷雾水压力作用下带电电荷密度变化图

3 喷雾降尘方案及应用效果

3.1 喷雾降尘系统

15111工作面喷雾装置由多个模块组成：滚筒喷雾系统、机身喷雾系统、综采油管支架喷雾系统，它的主要功能是在切割煤炭开采过程中，利用喷雾喷洒来预先对煤体进行润湿，以达到控制煤层的目的，15111 采场的各个喷洒除尘装置按以下方法进行了研究：

（1）采煤机滚筒喷雾降尘。为了有效降低粉尘浓度，在滚筒的位置共安装了三级降尘水幕[6]，设计喷头处的压强在6～8MPa，三级水幕在滚筒处产生大量的水蒸气粒子，空气中的粉尘会和水蒸气结合形成潮湿的粉尘，并不断地吸附其它的粉尘，当粉尘颗粒较大时，就会在重力的作用下下沉，工作原理如图3所示。

图3 采煤机滚筒3级水幕喷洒降尘效果示意图

在采煤机上安装传感器，实时检测粉尘浓度，根据在工作台作业过程中所采集的粉尘浓度的差异，设三级喷洒系统，当监测到粉尘含量超过3mg/m3时，第一级喷洒装置将会自行开启，从而达到初步的降尘作用[7]；当监测到粉尘含量超过4mg/m3时，第二级喷洒装置将会自行开启，同时第一级水幕仍保持开启，两级水幕同时起到降尘效果；在检测到粉尘浓度大于5mg/m3的情况下，第三级喷雾装置会自动打开，同时，前2个水幕仍然处于打开状态，三级水幕降尘同时工作。在多级水幕的作用下，粉尘的浓度将逐步降低，同时水幕逐个关闭，关闭顺序与开启顺序相反，当监测到粉尘含量低于3mg/m3时，所有水幕全部关闭[8]。

（2）机身喷雾降尘系统。在工作台上设有喷淋装置进行降尘处理，喷头的压力为6～8MPa，每两个喷头之间的距离500mm，装配角40°，喷头喷射时保证整个机架被完全遮蔽，其作用见图4。

图4 采煤机机身喷雾洒水除尘装置示意图

（3）采煤机的采煤作业完成后，在工作面内容仍然残留着一定浓度的粉尘，为了有效地清除该区域粉尘，在综采工作面上的液压支架顶部横梁下面设置了一个高压降尘喷雾装置，将喷嘴安装在支架上，同事保持喷嘴的压力在6～8MPa之间。在掘进过程中，当传感器检测到的浓度超过规定的阈值时，将会把该数据传送给装有PLC 的液力支架，由该控制器来控制油柜的降尘装置[9]。并可通过调整喷射口压强来实现对粉尘浓度的控制。

3.2 应用效果分析

为了验证15111 工作面上安装的喷尘装置的降尘效果，本文对安装了喷尘装置的车间和车间的烟尘浓度进行了测量，得到了如表1所示的结果。通过对表1的分析，发现在采煤工作面上设置了除尘装置后，煤层的浓度有了显著的下降[10]，且与没有设置除尘装置之前相比，各作业区的粉尘浓度有所下降，烟尘浓度平均下降66.5%，有利于开展采煤作业[11]。

表1 工作面粉尘浓度测定

4 结论

本文从理论和实践出发，对15111工作面的具体地质条件进行了研究和分析，提出了在采煤机机身、上下滚筒和工作台的油缸内设置了一套喷淋、除尘装置，在工作面开采过程中，应视煤层中的粉尘浓度变化，适时启动喷淋、降尘装置。经对矿区内的粉尘含量测定表明，该工艺具有较好的降尘作用，使采煤工作面的生产条件大为改善。