综采工作面气水雾化喷雾系统设计研究

李 伟

（晋能控股煤业集团高山煤业有限公司， 山西 大同 037001）

引言

矿井粉尘是影响井下人员身体健康的重要因素，人员长期吸入粉尘会引发尘肺病等病害，严重威胁企业人员的身体健康。除此之外，粉尘污染还有可能造成设备损坏、粉尘爆炸等，严重影响企业安全、高效发展。传统的综采工作面防尘技术主要采用采煤机内外喷雾系统进行除尘，该方法耗水量大、除尘效率低、负作用大，严重影响企业经济效益。针对这一现象，本文提出了气水雾化喷雾系统的设计研究，通过设计辅助除尘系统，提高除尘效率，降低粉尘污染危害。

1 综采工作面降尘技术分析

现阶段，我国最为常用的降尘技术为喷雾降尘技术，其基本原理是通过实现水滴与粉尘的结合，再利用重力作用达到降尘效果。喷雾降尘技术的降尘效果与水滴粒径的大小有直接关系。过大粒径的水滴会造成水雾的分散性较差，降低降尘效果。同时，如果水滴粒径过大，会导致水滴在捕捉粉尘时发生粉尘绕过水滴的逃逸现象，无法有效捕捉粉尘。但水滴粒径也并非越小越好，当水滴粒径过小时，水滴极易发生蒸发现象，尤其是在井下的高湿环境中，蒸发现象越发剧烈。因此，应选择合适的水滴粒径才可更好地提升降尘效率。现阶段，高压喷雾系统的水滴粒径为50~60 μm，对于呼吸性粉尘降尘效果一般。故本文研制了气水雾化装置，可将水滴粒径控制在降尘最佳水滴粒径的15~35 μm 范围内，实现综采工作面降尘效果的提升[1-3]。

2 气水雾化喷雾系统设计

2.1 喷嘴设计

传统的喷雾降尘系统是通过高压水射流进行水滴雾化的，该方法水滴雾化粒径较大，对呼吸性粉尘降尘效果一般，十分影响系统降尘效果。传统的喷雾降尘系统是利用压气雾化原理进行设计的，以压缩空气为动力源，利用振荡器将水滴通过高频声波雾化为水雾。对传统系统中的喷嘴进行结构优化，其具体结构示意图如图1 所示。新型喷嘴设计加入了多层雾化设计，可更好地雾化水滴，降低水滴粒径，提高降尘效率。新型喷嘴雾化水滴粒径范围为7~50μm。同时，新型喷嘴还可依据不同的实际生产环境，对水流压力、水流流量以及气体压力等参数进行调节，从而控制水滴的粒径，达到具体生产环境的最佳降尘效果。经实验分析，新型喷嘴喷雾的雾化角为40°~50°，当水雾相对速度在20~40 m/s、水滴粒径在15~35 μm 时，除尘效果最佳。

图1 气水雾化喷雾系统喷嘴结构示意图

2.2 整体设计

在综采工作面中粉尘浓度较高的位置主要有三处，分别为采煤机滚筒位置、采煤机滚筒前方以及采煤机摇臂与刮板输送机之间。其中，采煤机滚筒位置是工作面粉尘的主要生产地点；滚筒前方由于离滚筒位置较近，浓度同样较高，且该位置是降尘系统的主要作用位置；摇臂与刮板输送机之间除本身会产生较大的粉尘外，还是煤壁粉尘向外输送的通道，因此该位置降尘处理同样重要。针对粉尘高浓度的3 个位置进行气水雾化喷雾系统喷嘴设计，即可有效降低采煤机粉尘出产量，隔离采煤机与人行通道，提升系统降尘效果。对气水雾化喷雾系统进行喷嘴设计如下页图2 所示。

图2 气水雾化喷雾系统喷嘴位置示意图

2.3 喷嘴安装位置设计

通过上文分析可知，新型喷嘴安装位置主要在采煤机滚筒处、采煤机滚筒前以及采煤机摇臂与刮板输送机之间三处位置，喷嘴的布置需保证喷雾范围可以合理覆盖所需降尘的位置，水雾覆盖效果示意图如图3 所示，其中图3-1 为滚筒处水雾覆盖效果图，图3-2为滚筒前水雾覆盖效果图，图3-3 为采煤机摇臂与刮板输送机之间水雾覆盖效果图。采煤机滚筒处最主要的参数为喷嘴中心线与摇臂上侧面以及摇臂正上方的夹角，其计算公式为：

图3 不同位置水雾覆盖效果示意图

式中：β 为喷嘴中心线与摇臂上侧面夹角，（°）；δ 为喷嘴中心线与摇臂正上方夹角，（°）；l 为喷嘴到采煤机距离，cm；h 为滚筒厚度，cm；L 为滚筒中心线到采煤机距离，cm；R 为滚筒半径，cm。

采煤机滚筒前喷嘴布置的最主要参数为喷雾覆盖角，其计算公式为：

式中：σ 为喷雾覆盖角，（°）。

采煤机摇臂与刮板输送机之间水雾覆盖的主要作用除进行降尘处理以外，还需将采煤机与人行道通过水雾隔离开，防止粉尘的继续扩散，本文采用1/4圆设计，其主要参数为喷嘴个数，计算公式为：

式中：n 为喷嘴个数；α 为喷嘴覆盖角度，（°）。

除喷嘴设计外，气水雾化喷雾系统还设计参数调节系统，可对水压、气压以及流量等参数进行针对性调节，以更好地适应不同的应用环境[4-6]。

3 气水雾化喷雾系统测试

以某煤矿综采工作面为例进行气水雾化喷雾系统测试研究，将相关数据带入式（1）—（4）可得喷嘴布置参数为：β=29.5°，δ=31°，σ=62°，n=4。按上述研究进行喷嘴与气水雾化喷雾系统安装并进行系统测试后发现，系统运行稳定，降尘效果良好，采煤机与刮板输送机之间形成了水幕，有效隔离了粉尘，人行道内未有粉尘扩散。对气水雾化喷雾系统安装前后的粉尘浓度进行对比，其对比结果如图4 所示。由图4 可知，所设计气水雾化喷雾系统降尘效果明显，降尘率可达60%~80%。

图4 气水雾化喷雾系统安装前后粉尘浓度对比图

4 结论

随着煤炭开采机械化的不断发展，综采工作面降尘技术逐渐引起企业的重视。传统的综采工作面降尘技术主要采用采煤机内外喷雾系统进行除尘，该方法耗水量大、除尘效率低、负作用大，已无法满足综采面的生产需求[7-8]。针对这一现象，本文提出了气水雾化喷雾系统的设计研究，通过研究分析得出了以下结论：

1）传统的高压喷雾系统的水滴粒径在50~60 μm，对于呼吸性粉尘降尘效果较差，气水雾化装置将水滴粒径控制在15~35 μm 范围内，降尘效果更佳。

2）按上述研究进行气水雾化喷雾系统测试后发现，系统运行高效稳定，采煤机与刮板输送机之间形成了水幕，有效隔离了粉尘。

3）对比系统安装前后粉尘浓度，气水雾化喷雾系统降尘效果明显，降尘率可达60%~80%。