综放工作面采煤机喷雾控尘技术研究与应用

陈 芳

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

粉尘是我国煤矿五大灾害之一，不仅会引起煤尘爆炸事故，还会使长期从事煤矿行业的工人患尘肺病、矽肺病等职业病[1-3]。近年来，随着煤矿设备开采能力的不断提升，矿井高产、集约化生产的发展模式，导致采场空间粉尘污染越来越突出[4，5]，井下工作面的粉尘产量也越来越大，已经成为现代化矿井健康开采的主要问题。综放工作面作业产生的粉尘主要来自于采煤机割煤作业、降柱移架作业和放煤作业过程中，是煤矿产尘量最大的作业场所，其产尘量约占矿井产尘量的60%，粉尘浓度远超国家有关管理标准[6-8]。

煤矿井下综放工作面内采煤机割煤产尘是综放工作面主要尘源，也是影响作业人员身心健康的主要尘源[9-11]。采煤机割煤产尘因其在工作面来回往复连续割煤，其尘源点呈现连续移动产尘特点，为粉尘治理带来难度；并且采煤机附近煤壁较为破碎，割煤产生的大块煤易对采煤机附属装置造成冲击破坏，增加了粉尘治理设备配套难度[12-14]。同时，在采煤机对风流阻挡效应影响下，滚筒割煤产尘迅速发生横向偏移扩散，进而进入支架人行侧空间，此区域瞬间总粉尘浓度高达1000mg/m3以上，对作业人员造成职业危害[15，16]。其次，夹杂大量粉尘颗粒的横向扩散风流速度相对较高，直接冲击作业人员面部，致使作业人员视野及舒适度大幅下降，严重影响作业人员正常观察采煤机割煤滚筒位置，存在安全生产隐患[17，18]。综上所述，急需在针对采煤机滚筒割煤移动尘源开展治理研究。

1 工程概况

羊场湾煤矿一号井主要开采2#煤层，煤层平均水分含量为12.44%，煤层硬度为1～2，矿井属低瓦斯矿井，煤尘具有爆炸性。150201综放工作面，煤层埋深620～700m，倾角7°～10°，平均8°，煤层平均厚度8.8m，工作面长度为260m，连续推进长度为1020m，采用综放开采，采高3.8m，放煤高度5m，采用MG750/1920-WD双滚筒采煤机割煤，滚筒直径2.5m，摇臂长2.8m。采用140台ZF13000/25/43D型液压支架支护顶板，架中心距1.75m。工作面设计供风量1267m3/min，工作面平均风速1.0m/s，工作面配备有3台BPW500/16型喷雾泵站，采用直径108mm防尘供水管路供水。

150201综放工作面由于采用一采一放综放开采工艺，工作面煤壁较为破碎，同时采煤机割煤速度较大，导致采煤机割煤产尘粉尘产尘强度较大，受采煤机阻挡影响，风流易发生横向扩散，采煤机割煤产尘迅速被风流带动而扩散到支架内人行侧区域，因此急需对该类条件采煤机割煤产尘进行治理。

2 采煤机喷雾控尘理论分析

针对采煤机尘源处飞扬起来的粉尘，控制含尘气流不向人行道扩散并对含尘气流进行净化是国内外采煤机防尘技术的一个新的思路，并在试验和实际应用中，尤其是在、高风速条件下取得了较好的效果，可使采煤机人行道、或司机处粉尘减少80%以上。该项技术的特点是利用扇形雾幕控尘，控制含尘气流靠煤壁一侧运动，减少司机位置处的粉尘污染，同时对沿煤壁与人行道之间运移的含尘气流采用不同喷雾组合进行沿程净化，进一步降低风流中的粉尘浓度。

扇形雾幕控尘主要是通过在采煤机滚筒附近，通过高压雾流实现对上风侧风流进行干预阻挡，使得新鲜风流在采煤机前方2～3m位置发生分流，减少滚筒附近风流对割煤产生的粉尘颗粒吹拂扬尘现象；同时，下风侧滚筒附近扇形高压雾流可将上风侧滚筒割煤逃逸扩散粉尘利用喷雾卷吸作用引导粉尘向煤壁运动；扇形雾幕在控尘过程中还可通过雾流对割煤滚筒实现密闭包裹，降低滚筒产尘量，采煤机扇形雾幕控尘及分风导流示意如图1所示。

图1 采煤机扇形雾幕控尘及分风导流示意图

3 喷雾控尘装置研制

3.1 设计参数的确定

要实现扇形雾幕包裹滚筒，同时能够分风导流，雾幕安装位置及雾流角度是关键。根据羊场湾煤矿150201综放工作面MG750/1920-WD型采煤机结构，同时考虑扇形雾幕控尘安装维护便利等问题，设备安装在采煤机截割电机外侧端面，以此位置计算研究喷雾雾流方向角度。以滚筒位置及雾流覆盖范围、喷嘴自身喷雾雾流张角等参数建立数学模型，研究控尘装置的喷孔角度，雾流角度计算模型如图2所示。

图2 扇形控尘装置雾流角度计算模型

由图2数学计算模型，可得到扇形雾幕控尘雾流布置角度范围满足以下关系：

式(1)简化后，得到α、β计算式(2)：

式中，α为扇形雾流垂直夹角；β为扇形雾流水平夹角；D为滚筒直径；H为截割深度，一般取0.8m；S为喷雾点距离煤壁距离；L0为喷雾点距离滚筒中心距离；L1为喷雾点距离滚筒外边缘最远端距离；L2为喷雾点距离滚筒内边缘最近端距离。

根据现场生产设备配套及布置方式，实测得到：D=2.5m，S=1.5m，L0=4.0m，L1=5.4m，L2=3.6m；经计算，扇形雾幕控尘雾流垂直夹角为α为36.9°，水平夹角β为25.5°；因此在设计扇形雾幕控尘喷雾装置时，垂直与水平喷雾角度应至少大于α和β角度。为了进一步确定扇形雾幕控尘装置所需喷嘴数量，选用性能参数较好的PZ型喷嘴覆盖面积(1.08m2)作为试验喷嘴，为了确保喷雾雾流能够完全覆盖滚筒边缘，应至少需要7个喷嘴，如图3所示。扇形雾幕控尘雾流角度如图4所示。

图3 喷嘴覆盖滚筒

根据喷雾流覆盖面积大小及覆盖位置，结合采煤机结构尺寸及现场布置参数，建立1∶1坐标系，量取坐标系内不同位置喷嘴的朝向角度，具体见表1。

3.2 喷雾装置研制

在上述研究结果基础上，结合采煤机机构形式，研制适合该类采煤机的随机扇形雾幕控尘装置。采煤机控尘装置包含上风侧和下风侧喷雾控尘两个装置，上风侧控尘喷雾主要通过雾流阻挡导流作用阻止粉尘向人行测扩散，下风侧控尘喷雾可将上风侧滚筒割煤逃逸扩散粉尘利用喷雾卷吸作用引导粉尘向煤壁运动，同时在引导过程中实现沿程降尘，扇形雾幕控尘装置如图5所示。装置根据计算得到喷雾角度，设计7个必须的喷孔，同时另外增加2个备用喷孔，共设计9个喷孔，具体喷孔使用数量可根据现场需要选取。

图4 扇形雾幕控尘雾流角度

表1 扇形雾幕控尘雾流角度明细表

图5 采煤机扇形雾幕控尘装置及喷雾效果

4 实验室试验

通过对研制的扇形雾幕控尘装置进行实验室测试试验，测试控尘装置在不同喷雾压力、流量条件下，喷雾角度、射程及覆盖面积，得到扇形雾幕控尘技术最佳的工艺参数，实验室测试情况如图6所示。实验室测试中，受实验室采用喷雾泵站流量限制，同时考虑到喷雾范围测量难度，本次试验分为2次分别对其中4个喷嘴进行分批测试，喷雾流量采用称重法测试、射程及范围采用卷尺测量雾流有效长度、角度采用照片投影法计算，其中喷雾流量和喷雾覆盖面积为两次喷雾试验后的叠加数据，试验测试数据见表2。

图6 扇形雾流实验室测试

表2 扇形雾幕控尘实验室测试数据

实验室测试可知：控尘装置喷雾压力在2～9MPa下，喷雾流量在42.3～75.8L/min之间，流量在喷雾压力4MPa之后，增大趋势随喷雾压力逐渐减缓；随着喷雾压力增加，喷雾角度略有增加，喷雾角度在28°～33°之内变化，变化幅度不大；随着喷雾压力增加，有限射程在1.6～3.6m之间变化，其中喷雾压力达到5MPa之后，喷雾有效射程增加量变化不大，达到7MPa后，射程稳定在3.6m，无明显增加；喷雾覆盖面积随喷雾压力增加而增加，但喷雾压力在2～4MPa之间时增加幅度较大，喷雾压力达到4MPa之后覆盖面积增加幅度逐渐减小，并随喷雾压力增加稳定在5.2m2。通过实验室测试表明，在现场应用时，要使得控尘喷雾实现完全包裹采煤机滚筒，喷雾压力至少应达到5MPa。

5 现场应用

根据以上研究结果，在羊场湾煤矿一号井150201综放工作面进行了现场测试试验，现场安装布置如图7所示。现场使用时，上风侧和下风侧扇形雾幕控尘装置分别安装在采煤机摇臂根部截割电机外侧并靠近挡煤板位置，通过焊接固定在截割电机端面上部位置，上下风侧控尘喷雾喷嘴数量均为7个，现场实测喷雾压力为5～6MPa之间变化，喷雾流量为55～65L/min。现场使用稳定后，利用粉尘浓度采样器测试控尘喷雾使用前后采煤机司机和机尾10m位置粉尘浓度变化情况，分析其对滚筒割煤控降尘效率，现场测试数据见表3。

图7 现场试验测试

表3 现场粉尘浓度测试情况表 mg/m3

通过现场测试可知，司机位置总粉尘浓度由原来的534.6mg/m3降低到146.8mg/m3，降尘效率为72.54%，呼吸性粉尘由原来的156.8mg/m3降低到48.6mg/m3，降尘效率为69.01%；机尾10m位置总粉尘浓度由原来的574.7mg/m3降低到150.3mg/m3，降尘效率为73.85%，呼吸性粉尘由原来的187.5mg/m3降低到52.2mg/m3，降尘效率为72.16%，总粉尘降尘效果对比如图8所示，呼吸性粉尘降尘效果对比如图9所示；经现场应用，扇形雾幕控尘装置起到了较好控降尘效果，能有效解决采煤机割煤粉尘横向扩散问题，装置使用稳定可靠，司机位置处作业环境得到明显改善。

图8 总粉尘降尘效果对比图

图9 呼吸性粉尘降尘效果对比图

6 结 论

1)通过分析采煤机扇形雾幕导流分风及控尘原理，建立了控尘喷雾角度数学模型，计算得出了控尘喷雾夹角及喷嘴数量，并结合采煤机结构，设计了扇形雾幕控尘装置；经实验室测试表明：扇形雾幕控尘装置在喷雾压力6～8MPa之间时，有效射程稳定在3.5m以上，覆盖面积可达4.9m2以上，雾流能够覆盖采煤机割煤滚筒。

2)现场应用可知：在喷雾压力5～6MPa条件下，司机位置总粉尘和呼吸性粉尘浓度由原来的534.6mg/m3和156.8mg/m3，分别降低到146.8mg/m3和48.6mg/m3，降尘效率分别为72.54%和69.01%；机尾10m位置总粉尘和呼吸性粉尘浓度分别降低了73.85%和72.16%，研发的扇形雾幕控尘装置可有效降低采煤机割煤粉尘横向扩散问题，操作人员作业环境得到明显改善，效果显著。