辛置煤矿10-428B工作面喷雾降尘技术实践

杨保国

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

1 工程概况

霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿10-428B 工作面位于东四左翼采区，工作面井下位于+540 水平，对应地面标高为+763～+828 m，井下标高为+403～+431 m；工作面走向长度883 m，倾斜长度240 m；开采10#煤层，煤层平均厚度2.6 m，平均倾角4°，含有1 层夹矸，夹矸均厚0.2 m，煤层顶底板岩层特征见表1。

表1 煤层顶底板岩层特征

根据矿井地质资料可知，10#煤层瓦斯相对涌出量为0.46 m3/t，为低瓦斯煤层；煤尘具有爆炸性。10-428B 工作面采用综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板，工作面平均采高2.6 m，循环进度0.6 m；现为降低工作面的粉尘浓度，进行喷雾降尘方案的设计。

2 喷雾降尘系统设计

2.1 系统设计

根据前人的研究成果[1-3]，目前综采工作面的支架喷雾装置无法有效覆盖液压支架与煤壁间的区域，导致这种现象出现的主要原因为工作面风速大、采高大；另外由于工作面内存在着横向高速风流，易导致喷雾系统形成的高浓度雾场被吹散，进而不能有效的对采煤机滚筒区域进行包裹，从而无法对采煤机产尘源进行有效控制，阻断煤尘扩散效果差。本文根据负压引射吸尘理论[4-5]，探索在不增加喷雾用水的基础上，设计采用液压支架风助集中喷雾和采煤机湿式风助降尘装置，其具体降尘装置如下：

（1）液压支架风助集中喷雾降尘装置：为实现喷雾场在综采面煤壁至液压支架立柱间的全覆盖，采用不锈钢外壳进行喷雾管的包裹，外壳上设置吸风口和喷雾口，吸风口位置处安装一组马达，在喷雾口的位置安装3 个喷嘴，喷嘴分别与喷雾杆成15°、45°和75°布置，喷雾压力为8 MPa。卷吸作用下的喷雾会在后部形成负压场，使粉尘被吸入喷雾场内，并且通过在喷雾装置靠近吸尘口的位置布置一个气动马达，产生与喷雾方向同向的高速风流，增强引射吸尘和喷雾降尘效果。风助集中喷雾降尘装置布置在液压支架顶梁油缸处，具体液压支架降尘装置组成见图1。

图1 液压支架风助集中喷雾降尘装置组成

（2）采煤机湿式风助降尘装置：采煤机喷雾是控制采煤机滚筒截割煤壁区域最关键的喷雾措施。但因采煤机滚筒截割煤层时产尘量较大且工作面内风速较高，喷雾无法覆盖采煤机滚筒区域，回采作业产生的粉尘会向着下风侧扩散，工作面及回风侧降尘效果较差。而若单纯通过增大喷嘴孔径或增加喷嘴数量，则会出现喷雾量过大[6-7]，工作面无法正常作业。为此，本文通过结合工作面现有的开采条件及采煤机设备情况，设计采用采煤机湿式风助喷雾降尘装置：在直径为400 mm 的铁圆桶内布置一台防爆防水电机，型号为BYDF32，该电机的额定排量为6 840 m3/h，额定功率为1 440 W，静压力为800 Pa。喷雾装置在出风口的位置安设，喷雾装置成环形布置，等间距的布置8 个喷嘴，喷雾压力为8 MPa，在叶轮前部区域布置若干排水孔，装置底部布置固定底座，具体结构见图2。

图2 采煤机湿式风助降尘装置

2.2 数值模拟分析

为分析液压支架风助集中喷雾降尘+采煤机湿式风助降尘的效果，现采用FLUENT数值模拟软件进行降尘效果分析。根据工作面、采煤机以及液压支架的结构，建立工作面数值模型，设计气压为1.0 MPa，喷雾压力为8 MPa，并在工作面不同位置设置测点，具体模型及测点布置见图3。

图3 数值模型

基于上述建立的数值模型，进行工作面液压支架风助集中喷雾降尘+采煤机湿式风助降尘方案下雾场分布规律模拟分析，模拟结果得出雾场雾滴分布见图4。

图4 雾场雾滴分布云

根据数值模型中设置的测点数据可得出，采煤机前滚筒不同位置处的雾场浓度见表2。

表2 采煤机前滚筒区域雾场浓度数据

分析图3和表2可知，工作面回采期间，在采煤机风助喷雾和液压支架风助喷雾的综合作用下，采煤机喷雾形成的雾场会与液压支架风助喷雾形成的雾场在采煤机滚筒区域处形成叠加，实现了对采煤机滚筒的有效包裹，雾场的平均浓度为24 665 mg/m3，控尘降尘效果良好。基于上述分析可知，喷雾系统有效抑制了粉尘的产生和扩散，能够有效降低工作面内的粉尘含量，优化回采作业环境。

图3 浸泡时间—渗透率关系

3 降尘效果分析

在10-428B 工作面采用喷雾降尘系统前后，在工作面内布置9 个粉尘浓度监测点，具体测点布置见表3。

表3 工作面粉尘浓度监测点

通过对工作面降尘系统开启前后粉尘浓度的检测，分别得出工作面各个区域全尘和呼尘浓度，见表4。

分析表4可知，降尘系统开启后，工作面各个区域的粉尘浓度均大幅下降，采煤机下风侧10 位置处其降尘率最大，呼尘降尘率和全尘降尘率分别可达89.6%和90.2%；其次降尘率较高的区域为移架工处和转载机处，工作面各个区域全尘和呼尘的降尘率均在80%以上。据此可知工作面降尘系统降尘效果显著，有效地优化了回采作业环境。

表4 喷雾系统实施前后粉尘浓度数据

4 结论

1）采用FLUENT 数值模拟软件进行液压支架风助集中喷雾降尘+采煤机湿式风助降尘系统应用效果的模拟分析得出：工作面雾场平均浓度24 665 mg/m3，雾场可有效包裹采煤机滚筒区域。

2）10-428B 工作面采用喷雾降尘系统后，工作面各区域降尘率均在80%以上，降尘效果显著。