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摘要：為解決常村煤礦23061綜采工作面噴霧降塵系統(tǒng)降塵效果差、粉塵濃度超標問題，通過分析當前噴霧降塵系統(tǒng)存在的不足，提出采煤機輔助噴霧降塵裝置及液壓支架噴霧助力裝置的優(yōu)化改造方案，并通過數(shù)值模擬技術確定采煤機輔助噴霧降塵裝置的噴霧壓力及液壓支架噴霧助力裝置的氣動壓力，經(jīng)現(xiàn)場應用結果表明：優(yōu)化后的噴霧降塵系統(tǒng)降塵率在85%以上，粉塵濃度達到了生產(chǎn)標準要求，工作面作業(yè)環(huán)境得到了明顯改善。

關鍵詞：綜采工作面；噴霧降塵；優(yōu)化；粉塵濃度

0引言

綜采工作面因人員相對集中，且為極易產(chǎn)生粉塵的高強度勞動場所，因此，粉塵治理是綜采工作面不可忽視的一項重要工作。目前，高壓噴霧降塵是綜采工作面常用的除塵方式，主要包括采煤機內(nèi)、外噴霧、液壓支架噴霧、轉載點噴霧及回風巷噴霧等[1-3]。綜采工作面產(chǎn)生粉塵的主要源頭為采煤機割煤作業(yè)，因此，采煤機內(nèi)、外噴霧及液壓支架噴霧是噴霧降塵系統(tǒng)中的關鍵部分，在生產(chǎn)過程中，因受橫向風流及斷面跨度影響，液壓支架噴霧難以對斷面內(nèi)粉塵進行全面覆蓋降塵，采煤機噴霧難以實現(xiàn)對采煤機滾筒的全包裹除塵[4-5]，導致關鍵除塵部位的阻隔煤塵和降塵效果不佳，工作面粉塵濃度仍可能存在超標現(xiàn)象，對員工身體健康及現(xiàn)場安全生產(chǎn)造成隱患。基于此，對采煤機及液壓支架這2個關鍵除塵部分的噴霧系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，以實現(xiàn)綜采工作面降塵達標的目的。

1工作面概況

常村煤礦23061綜采工作面位于礦井二水平23采區(qū)西翼，為23采區(qū)首采工作面，工作面走向長度1750m，傾向長度225m，工作面主采3號煤層，平均厚度2.13m，傾角3°～4°，煤層硬度系數(shù)f值為0.98，煤層節(jié)理中等發(fā)育。23061綜采工作面通風系統(tǒng)為“U”型通風，下順槽進風，上順槽回風，上、下順槽均為矩形斷面，下順槽斷面規(guī)格為5m×3.5m，上順槽斷面規(guī)格為5.5m×3.5m。綜采工作面采用一次采全高、全部垮落法管理頂板。工作面生產(chǎn)期間，根據(jù)現(xiàn)場粉塵濃度檢測結果可知，全塵濃度較高，呼吸性粉塵平均值在280mg/m3左右，高于現(xiàn)行相關規(guī)定的限度，為優(yōu)化現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，需對噴霧降塵系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

2噴霧降塵系統(tǒng)優(yōu)化方案

基于綜采工作面幾處噴霧降塵的基礎上，優(yōu)化方案主要選擇在產(chǎn)生粉塵的源頭處進行噴霧除塵系統(tǒng)優(yōu)化，即對采煤機噴霧和液壓支架噴霧優(yōu)化改造。

2.1采煤機輔助降塵裝置

采煤機割煤期間，截割滾筒處為產(chǎn)生粉塵的主要源頭，其降塵方式主要通過采煤機滾筒內(nèi)噴霧及采煤機外噴霧降塵，但受橫向風流影響及粉塵濃度較高的原因，采煤機內(nèi)外噴霧難以覆蓋揚塵范圍，導致現(xiàn)場粉塵濃度仍偏高。為彌補采煤機內(nèi)外噴霧降塵不足，根據(jù)現(xiàn)場除塵需求，設計采煤機輔助降塵裝置。該裝置模擬局部通風機進行改造，整機呈圓筒狀，直徑420mm，采用電機功率為1260kW的防爆防水電機，電機外側為不銹鋼外殼，設置的底座固定在采煤機兩側靠近2個滾筒的位置，在出風口處設置由8個噴嘴組成的環(huán)形噴霧環(huán)，最高風速8m/s，噴霧壓力4～8MPa，噴霧有效射程可達7～10m，可滿足采煤機2個滾筒割煤期間的揚塵范圍有效覆蓋。采煤機輔助降塵裝置如圖1所示。

2.2液壓支架噴霧助力裝置

液壓支架噴霧主要用于采煤機回風側斷面內(nèi)的噴霧降塵，以防止粉塵向回風方向進一步擴散，在現(xiàn)場應用中，因液壓支架噴霧有效射程較短，噴射的霧場極易被工作面橫向風流吹散，且難以覆蓋支架立柱到煤壁間的降塵覆蓋，導致降塵效果不佳。為解決液壓支架噴霧存在的不足，利用負壓引射除塵原理，在液壓支架噴霧上安裝一個噴霧助力裝置，即在原液壓支架噴霧管出風口安裝一個剛性外殼，外殼一端為出風口，一端為進風口，在進、出風口間安裝一個帶有葉輪的微型氣動馬達，氣動馬達接通現(xiàn)場的高壓風管，風壓可通過截止閥及風壓表控制在0.4～1MPa之間，出風口側設置3個擴散性噴嘴，噴嘴角度分別呈水平向下20°、45°、70°（可根據(jù)覆蓋效果調(diào)整），以實現(xiàn)噴霧對立柱至煤壁間的斷面覆蓋。通過對液壓支架噴霧加裝該助力裝置后，可增加液壓支架噴霧的有效噴霧射程及覆蓋范圍，實現(xiàn)最大效率的斷面噴霧覆蓋。液壓支架噴霧助力裝置如圖2所示。

3改造后效果數(shù)值模擬分析

為確保噴霧系統(tǒng)改造后的應用效果，現(xiàn)通過數(shù)值模擬對改造后的采煤機輔助降塵裝置及液壓支架噴霧助力裝置根據(jù)不同參數(shù)進行效果分析，并根據(jù)分析結果選擇采煤機輔助降塵裝置的最佳噴霧水壓及液壓支架噴霧助力裝置的最佳風壓。

3.1數(shù)值模擬參數(shù)確定

采用Fluent數(shù)值模擬軟件，建立風-霧兩相流模型，根據(jù)23061工作面各項參數(shù)特征，確定模型長度為30m，寬度為5.5m，高度為2.8m，并根據(jù)現(xiàn)場實際在模型中建立采煤機、液壓支架等設備以及采煤機輔助降塵裝置及液壓支架噴霧助力裝置。模型中設置液壓支架寬度1.5m，根據(jù)模型長度，共設置20架液壓支架，設置采煤機滾筒直徑1.2m，機身長度11m，設置風流為連續(xù)介質(zhì)，風速設置為2m/s，設置后的數(shù)值模擬模型如圖3所示。

3.2采煤機輔助降塵裝置不同噴霧壓力下數(shù)值模擬

為測試采煤機輔助降塵裝置不同噴霧壓力下的降塵效果，通過數(shù)值模擬設置噴霧出風口風速為8m/s，并分別設置噴霧壓力Pw為4、6、8MPa，根據(jù)數(shù)值模擬結果，3種不同噴霧壓力下霧場的霧滴濃度分布如圖4所示。根據(jù)圖5所示的數(shù)值模擬結果可知：采煤機噴霧裝置增加改造后的輔助降塵裝置后，在3種不同噴霧壓力下，采煤機噴霧降塵裝置的高濃度霧場均能實現(xiàn)對滾筒產(chǎn)塵及揚塵范圍內(nèi)進行有效覆蓋，并從數(shù)值模擬結果圖中可知，噴霧壓力越高，霧場的霧滴濃度及覆蓋范圍越大，即降塵效果越好，根據(jù)圖4（C）中數(shù)值模擬結果可知，噴霧壓力為8MPa工況下，滾筒處最高霧滴濃度可達17460mg/m3，對采煤機滾筒處的粉塵具有很好的沉降效果，由此確定采煤機噴霧裝置的最佳噴霧壓力為8MPa。

3.3液壓支架噴霧助力裝置不同風壓下數(shù)值模擬

液壓支架噴霧裝置通過改造加裝噴霧助力裝置后，為確定不同壓力下的噴霧覆蓋范圍及除塵效果，分別設置氣動馬達氣壓動力分別為0.4、0.6、0.8、1MPa，并通過數(shù)值模擬分析4種不同工況下的霧場霧滴分布濃度，根據(jù)數(shù)值模擬得出分布結果如圖5所示。根據(jù)圖5中數(shù)值模擬分析結果可知，液壓支架噴霧助力裝置啟動后，助力裝置產(chǎn)生的高速風流能夠增加噴霧的有效射程及噴霧濃度，并且從圖5中可知，當氣壓動力在0.4MPa，霧場霧滴平均濃度為3476mg/m3，當氣壓動力逐步增大到1MPa時，霧場霧滴平均濃度達到13542mg/m3，由此可知，氣動馬達的氣壓動力越大，產(chǎn)生的霧場霧滴濃度越高，距離產(chǎn)生塵源的滾筒也越近，降塵效果越好，由此確定液壓支架噴霧輔助裝置的最佳氣壓動力為1MPa。

4現(xiàn)場應用

4.1現(xiàn)場安裝及應用

根據(jù)23061綜采工作面采煤機結構特征，在采煤機兩側靠近滾筒位置各安裝一個輔助降塵噴霧裝置，裝置出霧口對準采煤機滾筒及回風側區(qū)域；根據(jù)液壓支架結構特征，在液壓支架原噴霧管出風口安裝噴霧助力裝置。采煤機輔助降塵噴霧裝置設置噴霧壓力為8MPa，液壓支架噴霧助力裝置設置氣動壓力為1MPa。采煤機割煤作業(yè)時，打開采煤機內(nèi)外噴霧，同時打開采煤機上的輔助降塵噴霧及采煤機下風側最近的一架液壓支架噴霧及噴霧助力裝置。在采煤機內(nèi)外噴霧、采煤機輔助降塵噴霧及液壓支架噴霧相互配合與共同作用下，實現(xiàn)了對高濃度粉塵的有效捕集與沉降?，F(xiàn)場應用效果見圖6。

4.2效果分析

為驗證23061綜采工作面噴霧裝置優(yōu)化改造后的降塵效果，在工作面采煤機下風側、回風巷等地點共設置了9個測塵點，在采煤機割煤期間分別測試未采取防塵措施和采用優(yōu)化措施后的全塵及呼吸性粉塵濃度，并計算采用優(yōu)化措施后的降塵率，測塵點及測塵結果見表1。根據(jù)表1結果可知，工作面噴霧系統(tǒng)優(yōu)化后，各測塵點區(qū)域內(nèi)的全塵濃度及呼吸性粉塵濃度均有大幅下降，其中，全塵降塵率在85%～90%之間，呼吸性粉塵降塵率在85%～91%之間，呼吸性粉塵濃度符合生產(chǎn)標準，降塵效果明顯，作業(yè)環(huán)境得到明顯改善。

5結論

針對23061工作面噴霧降塵系統(tǒng)存在降塵效果差、粉塵濃度超標問題，對產(chǎn)生塵源處的采煤機噴霧及液壓支架噴霧裝置進行了優(yōu)化改造，優(yōu)化改造后的噴霧系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場應用及測塵結果可知，全塵及呼吸性粉塵降塵率達到85%以上，優(yōu)化后的粉塵濃度符合生產(chǎn)標準要求，作業(yè)環(huán)境得到明顯改善。

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[5]惠雙琳.橫向風速和噴霧壓力對降塵噴霧特性的影響[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2019，46（2）：42-46.

作者:白艷飛 單位:晉能控股煤業(yè)集團泰山隆安煤礦