综采工作面喷雾降尘系统优化改造及应用

白艳飞

（晋能控股煤业集团泰山隆安煤矿，山西 保德 036600）

0 引 言

综采工作面因人员相对集中，且为极易产生粉尘的高强度劳动场所，因此，粉尘治理是综采工作面不可忽视的一项重要工作。目前，高压喷雾降尘是综采工作面常用的除尘方式，主要包括采煤机内、外喷雾、液压支架喷雾、转载点喷雾及回风巷喷雾等[1-3]。综采工作面产生粉尘的主要源头为采煤机割煤作业，因此，采煤机内、外喷雾及液压支架喷雾是喷雾降尘系统中的关键部分，在生产过程中，因受横向风流及断面跨度影响，液压支架喷雾难以对断面内粉尘进行全面覆盖降尘，采煤机喷雾难以实现对采煤机滚筒的全包裹除尘[4-5]，导致关键除尘部位的阻隔煤尘和降尘效果不佳，工作面粉尘浓度仍可能存在超标现象，对员工身体健康及现场安全生产造成隐患。基于此，对采煤机及液压支架这2 个关键除尘部分的喷雾系统进行优化改造，以实现综采工作面降尘达标的目的。

1 工作面概况

常村煤矿23061 综采工作面位于矿井二水平23 采区西翼，为23 采区首采工作面，工作面走向长度1 750 m，倾向长度225 m，工作面主采3 号煤层，平均厚度2.13 m，倾角3°～4°，煤层硬度系数f 值为0.98，煤层节理中等发育。23061 综采工作面通风系统为“U”型通风，下顺槽进风，上顺槽回风，上、下顺槽均为矩形断面，下顺槽断面规格为5 m×3.5 m，上顺槽断面规格为5.5 m×3.5 m。综采工作面采用一次采全高、全部垮落法管理顶板。工作面生产期间，根据现场粉尘浓度检测结果可知，全尘浓度较高，呼吸性粉尘平均值在280 mg/m3左右，高于现行相关规定的限度，为优化现场作业环境，需对喷雾降尘系统进行优化改造。

2 喷雾降尘系统优化方案

基于综采工作面几处喷雾降尘的基础上，优化方案主要选择在产生粉尘的源头处进行喷雾除尘系统优化，即对采煤机喷雾和液压支架喷雾优化改造。

2.1 采煤机辅助降尘装置

采煤机割煤期间，截割滚筒处为产生粉尘的主要源头，其降尘方式主要通过采煤机滚筒内喷雾及采煤机外喷雾降尘，但受横向风流影响及粉尘浓度较高的原因，采煤机内外喷雾难以覆盖扬尘范围，导致现场粉尘浓度仍偏高。为弥补采煤机内外喷雾降尘不足，根据现场除尘需求，设计采煤机辅助降尘装置。该装置模拟局部通风机进行改造，整机呈圆筒状，直径420 mm，采用电机功率为1 260 kW 的防爆防水电机，电机外侧为不锈钢外壳，设置的底座固定在采煤机两侧靠近2 个滚筒的位置，在出风口处设置由8 个喷嘴组成的环形喷雾环，最高风速8 m/s，喷雾压力4～8 MPa，喷雾有效射程可达7～10 m，可满足采煤机2 个滚筒割煤期间的扬尘范围有效覆盖。采煤机辅助降尘装置如图1 所示。

图1 采煤机辅助降尘装置示意图

2.2 液压支架喷雾助力装置

液压支架喷雾主要用于采煤机回风侧断面内的喷雾降尘，以防止粉尘向回风方向进一步扩散，在现场应用中，因液压支架喷雾有效射程较短，喷射的雾场极易被工作面横向风流吹散，且难以覆盖支架立柱到煤壁间的降尘覆盖，导致降尘效果不佳。为解决液压支架喷雾存在的不足，利用负压引射除尘原理，在液压支架喷雾上安装一个喷雾助力装置，即在原液压支架喷雾管出风口安装一个刚性外壳，外壳一端为出风口，一端为进风口，在进、出风口间安装一个带有叶轮的微型气动马达，气动马达接通现场的高压风管，风压可通过截止阀及风压表控制在0.4～1 MPa 之间，出风口侧设置3 个扩散性喷嘴，喷嘴角度分别呈水平向下20°、45°、70°（可根据覆盖效果调整），以实现喷雾对立柱至煤壁间的断面覆盖。通过对液压支架喷雾加装该助力装置后，可增加液压支架喷雾的有效喷雾射程及覆盖范围，实现最大效率的断面喷雾覆盖。液压支架喷雾助力装置如图2 所示。

图2 液压支架喷雾助力装置示意图

3 改造后效果数值模拟分析

为确保喷雾系统改造后的应用效果，现通过数值模拟对改造后的采煤机辅助降尘装置及液压支架喷雾助力装置根据不同参数进行效果分析，并根据分析结果选择采煤机辅助降尘装置的最佳喷雾水压及液压支架喷雾助力装置的最佳风压。

3.1 数值模拟参数确定

采用Fluent 数值模拟软件，建立风-雾两相流模型，根据23061 工作面各项参数特征，确定模型长度为30 m，宽度为5.5 m，高度为2.8 m，并根据现场实际在模型中建立采煤机、液压支架等设备以及采煤机辅助降尘装置及液压支架喷雾助力装置。模型中设置液压支架宽度1.5 m，根据模型长度，共设置20 架液压支架，设置采煤机滚筒直径1.2 m，机身长度11 m，设置风流为连续介质，风速设置为2 m/s，设置后的数值模拟模型如图3 所示。

图3 工作面数值模拟模型图

3.2 采煤机辅助降尘装置不同喷雾压力下数值模拟

为测试采煤机辅助降尘装置不同喷雾压力下的降尘效果，通过数值模拟设置喷雾出风口风速为8 m/s，并分别设置喷雾压力Pw为4、6、8 MPa，根据数值模拟结果，3 种不同喷雾压力下雾场的雾滴浓度分布如图4 所示。

图4 不同喷雾压力下滚筒附近雾场雾滴浓度分布云图

根据图5 所示的数值模拟结果可知：采煤机喷雾装置增加改造后的辅助降尘装置后，在3 种不同喷雾压力下，采煤机喷雾降尘装置的高浓度雾场均能实现对滚筒产尘及扬尘范围内进行有效覆盖，并从数值模拟结果图中可知，喷雾压力越高，雾场的雾滴浓度及覆盖范围越大，即降尘效果越好，根据图4（C）中数值模拟结果可知，喷雾压力为8 MPa 工况下，滚筒处最高雾滴浓度可达17 460 mg/m3，对采煤机滚筒处的粉尘具有很好的沉降效果，由此确定采煤机喷雾装置的最佳喷雾压力为8 MPa。

3.3 液压支架喷雾助力装置不同风压下数值模拟

液压支架喷雾装置通过改造加装喷雾助力装置后，为确定不同压力下的喷雾覆盖范围及除尘效果，分别设置气动马达气压动力分别为0.4、0.6、0.8、1 MPa，并通过数值模拟分析4 种不同工况下的雾场雾滴分布浓度，根据数值模拟得出分布结果如图5 所示。

根据图5 中数值模拟分析结果可知，液压支架喷雾助力装置启动后，助力装置产生的高速风流能够增加喷雾的有效射程及喷雾浓度，并且从图5 中可知，当气压动力在0.4 MPa，雾场雾滴平均浓度为3 476 mg/m3，当气压动力逐步增大到1 MPa 时，雾场雾滴平均浓度达到13 542 mg/m3，由此可知，气动马达的气压动力越大，产生的雾场雾滴浓度越高，距离产生尘源的滚筒也越近，降尘效果越好，由此确定液压支架喷雾辅助装置的最佳气压动力为1 MPa。

图5 不同气动压力下雾场雾滴浓度分布云图

4 现场应用

4.1 现场安装及应用

根据23061 综采工作面采煤机结构特征，在采煤机两侧靠近滚筒位置各安装一个辅助降尘喷雾装置，装置出雾口对准采煤机滚筒及回风侧区域；根据液压支架结构特征，在液压支架原喷雾管出风口安装喷雾助力装置。采煤机辅助降尘喷雾装置设置喷雾压力为8 MPa，液压支架喷雾助力装置设置气动压力为1 MPa。采煤机割煤作业时，打开采煤机内外喷雾，同时打开采煤机上的辅助降尘喷雾及采煤机下风侧最近的一架液压支架喷雾及喷雾助力装置。在采煤机内外喷雾、采煤机辅助降尘喷雾及液压支架喷雾相互配合与共同作用下，实现了对高浓度粉尘的有效捕集与沉降。现场应用效果见图6。

图6 喷雾降尘系统优化后现场应用效果图

4.2 效果分析

为验证23061 综采工作面喷雾装置优化改造后的降尘效果，在工作面采煤机下风侧、回风巷等地点共设置了9 个测尘点，在采煤机割煤期间分别测试未采取防尘措施和采用优化措施后的全尘及呼吸性粉尘浓度，并计算采用优化措施后的降尘率，测尘点及测尘结果见表1。

表1 喷雾系统优化前、后测尘数据对比表

根据表1 结果可知，工作面喷雾系统优化后，各测尘点区域内的全尘浓度及呼吸性粉尘浓度均有大幅下降，其中，全尘降尘率在85%～90%之间，呼吸性粉尘降尘率在85%～91%之间，呼吸性粉尘浓度符合生产标准，降尘效果明显，作业环境得到明显改善。

5 结 论

针对23061 工作面喷雾降尘系统存在降尘效果差、粉尘浓度超标问题，对产生尘源处的采煤机喷雾及液压支架喷雾装置进行了优化改造，优化改造后的喷雾系统经现场应用及测尘结果可知，全尘及呼吸性粉尘降尘率达到85 %以上，优化后的粉尘浓度符合生产标准要求，作业环境得到明显改善。