綜掘工作面分段控風(fēng)控塵技術(shù)研究

蘇永兵

(山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

目前，綜掘工作面的粉塵防治措施主要有掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧、氣幕控塵、濕式除塵、轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧和巷道風(fēng)流凈化水幕等。在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中存在著不利的因素，主要表現(xiàn)為：（1）綜掘工作面采用主動(dòng)壓風(fēng)、被動(dòng)出風(fēng)的通風(fēng)模式，在綜掘工作面采用噴霧降塵，會(huì)使得工作面氣流變?yōu)闅忪F狀，不利于工作人員的作業(yè)，會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的安全隱患；（2）沒(méi)有對(duì)綜掘工作面的風(fēng)流進(jìn)行相應(yīng)的控制，降塵效果不理想。本文以新景礦15028綜掘工作面為研究對(duì)象，對(duì)其采用分段風(fēng)控塵技術(shù)進(jìn)行了研究和實(shí)踐應(yīng)用，降塵效果明顯。

1 工作面概況

新景礦15028回風(fēng)巷沿2#煤層底板掘進(jìn)，煤層沿巷道傾角2～4°，2#煤屬于干燥易碎（原始水分含量0.85%，堅(jiān)固性系數(shù)f=0.46）、難濕潤(rùn)煤層，工作面采用EBZ-220懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割落煤，選擇Φ1000mm雙反邊軟質(zhì)風(fēng)筒供風(fēng)，同時(shí)配備了KCS-500型濕式除塵器，處理風(fēng)量450～550m3/min，實(shí)測(cè)吸風(fēng)量為480m3/min，箱體固定在綜掘機(jī)二運(yùn)拖拉尾，隨綜掘機(jī)向前移動(dòng)。

15028工作面所開(kāi)掘的巷道具有斷面大（S=5.2×3.6m=18.72m2）、供風(fēng)量大（500～550m3/min）、出口風(fēng)速高（8～10 m/s，風(fēng)流壓頭大，對(duì)迎頭流場(chǎng)擾動(dòng)大）、割煤強(qiáng)度大（日進(jìn)尺15～20m）、煤體破碎嚴(yán)重、產(chǎn)塵量大等特點(diǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)塵強(qiáng)度高，治理難度大，防塵系統(tǒng)工藝要求高，因此急需針對(duì)綜掘面粉塵治理難題進(jìn)行系統(tǒng)研究，尤其是針對(duì)高產(chǎn)塵綜掘工作面通風(fēng)控塵技術(shù)進(jìn)行研究。

2 分段控風(fēng)控塵系統(tǒng)參數(shù)確定

為了控制15028回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面粉塵向回風(fēng)側(cè)擴(kuò)散，綜掘工作面配備了分段控風(fēng)控塵系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由附壁風(fēng)筒、調(diào)風(fēng)閥門(mén)、整流風(fēng)筒等組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。工作面正常工作時(shí)，新鮮風(fēng)流向前方煤壁移動(dòng)，割煤產(chǎn)塵與新鮮風(fēng)流混合后在煤壁阻擋作用下向后移動(dòng)，工作面前部區(qū)域存在新鮮風(fēng)流與含塵氣流相互作用面，該作用面是控制粉塵向外擴(kuò)散的臨界面，通過(guò)調(diào)節(jié)軸向出風(fēng)口和徑向出風(fēng)口與工作面煤壁之間的距離，控制控塵面的位置，保證司機(jī)位置處于新鮮分流中，使得控塵區(qū)域保持在司機(jī)前方，同時(shí)控塵面位于吸塵罩罩口后方，提高效果。

圖1 控風(fēng)控塵系統(tǒng)組成示意圖

2.1 軸向出風(fēng)與迎頭距離確定

根據(jù)工作面配風(fēng)量與除塵器抽風(fēng)量關(guān)系，即在工作面前部控塵區(qū)域內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)除塵器未抽出的風(fēng)量將和割煤產(chǎn)生的粉塵無(wú)序擴(kuò)散，形成高濃度粉塵存儲(chǔ)區(qū)域。工作面正常生產(chǎn)時(shí)，割煤屬于間歇性的，從左幫割到右?guī)蜁r(shí)，掘進(jìn)機(jī)會(huì)短暫停頓，待除塵器將控塵區(qū)域大部粉塵抽走后，再繼續(xù)割煤。因此，在割煤期間，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算軸向出風(fēng)口距離工作面煤壁最佳距離為軸向出風(fēng)口距離迎頭8～10 m時(shí)為最佳。

2.2 徑向出風(fēng)與迎頭距離確定

為了研究出風(fēng)口有效射程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了射流場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律，給出了自由射流和受限射流的計(jì)算公式，射流出風(fēng)口到射流風(fēng)速降為零處，此過(guò)程之間的距離為射程，射流射程計(jì)算公式為：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，式中：

Fn-巷道斷面面積，18.72 m2；

θ-取11°。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到徑向出風(fēng)口有效射程為s=18.36m，考慮到控塵面的位置，新鮮風(fēng)流應(yīng)位于司機(jī)前部、吸塵罩口后部，取徑向出風(fēng)口距離迎頭20m比較合理。

3 控風(fēng)控塵效果分析

在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了試驗(yàn)測(cè)試分析，以驗(yàn)證軸徑向出風(fēng)口參數(shù)的有效性。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，在不使用任何降塵措施時(shí)，綜掘面司機(jī)位置原始粉塵濃度為2744mg/m3，在通風(fēng)除塵系統(tǒng)未經(jīng)改進(jìn)優(yōu)化前，15028回風(fēng)巷掘進(jìn)面司機(jī)位置總粉塵濃度平均1224.8 mg/m3，綜掘機(jī)機(jī)尾一運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)總粉塵濃度平均為489.7mg/m3，機(jī)尾二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)總粉塵濃度平均為253.2mg/m3。為了得到附壁風(fēng)筒最佳安裝位置，以軸向出風(fēng)口距離迎頭15m、20m和25m三種條件下控塵效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并且通過(guò)連續(xù)測(cè)試掘進(jìn)面司機(jī)位置粉塵濃度，以此確定附壁風(fēng)筒距離迎頭最佳配套參數(shù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知：當(dāng)附壁風(fēng)筒位于二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)后部時(shí)，二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)距離附壁風(fēng)筒較近，此處風(fēng)速較大，轉(zhuǎn)載點(diǎn)兩側(cè)有大量粉塵被風(fēng)流帶入到工作面，因此附壁風(fēng)筒最佳位置應(yīng)為距離迎頭20m處，且靠近二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)，在二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)前5m位置為最佳。

通風(fēng)除塵系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化后，與未優(yōu)化前相比，司機(jī)位置粉塵濃度從1224.8mg/m3下降到225.3mg/m3，粉塵濃度下降了81.6%，總降塵效率為91.8%；一運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵濃度從489.7mg/m3下降到146.8mg/m3，粉塵濃度下降了70.1%，總降塵效率為84.0%；二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵濃度從253.2mg/m3下降到99.0mg/m3，粉塵濃度下降了60.9%，總降塵效率為86.5%。15028回風(fēng)巷綜掘工作面通風(fēng)除塵效果有明顯改觀，工作面粉塵濃度有大幅下降。分段控風(fēng)控塵系統(tǒng)軸徑向出風(fēng)口與工作面煤壁距離優(yōu)化前后控降塵對(duì)比效果如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前后粉塵濃度對(duì)比

總之，通過(guò)采取對(duì)原通風(fēng)除塵系統(tǒng)分段出風(fēng)參數(shù)優(yōu)化后，通風(fēng)除塵系統(tǒng)的控降塵效果提升了80%左右，能夠有效降低掘進(jìn)面粉塵濃度。該系統(tǒng)在最佳匹配參數(shù)下司機(jī)位置的平均粉塵濃度可降到225.3mg/m3，并且割煤大部分時(shí)間內(nèi)粉塵濃度穩(wěn)定在200mg/m3左右，降塵效率可達(dá)91.8%，高濃度粉塵控制在工作面前部2m范圍內(nèi)，作業(yè)環(huán)境得到明顯改善?，F(xiàn)場(chǎng)采樣測(cè)試分析可知：工作面通風(fēng)除塵系統(tǒng)位于最佳匹配參數(shù)時(shí)（供風(fēng)風(fēng)筒軸向出風(fēng)口距離迎頭8～10 m，附壁風(fēng)筒距離工作面迎頭20 m），控風(fēng)控塵效果最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)新景礦15028綜掘工作面煤層條件及產(chǎn)塵特點(diǎn)，建立了粉塵存儲(chǔ)模型，得到了分段控風(fēng)控塵系統(tǒng)軸向出風(fēng)口與工作面煤壁最佳距離關(guān)系，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件計(jì)算得到了軸向出風(fēng)口距離迎頭最佳距離為8～10m。通過(guò)計(jì)算附壁風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)流有效射程，確定了徑向出風(fēng)口與迎頭最佳距離為20m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，工作面正常割煤時(shí)，分段控風(fēng)控塵系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后，控降塵效率可提升80%左右，總粉塵降塵效率可達(dá)91.8%，高濃度粉塵控制在工作面前部2m范圍內(nèi)，作業(yè)環(huán)境得到明顯改善。