神角煤業(yè)2105工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律及降塵參數(shù)優(yōu)化研究

杜玉春

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)神角煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042103）

0 引 言

隨著煤炭行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和綜合機(jī)械化程度的提高，采煤工作面空間內(nèi)的粉塵問題也日益嚴(yán)重，導(dǎo)致井下施工人員的工作環(huán)境進(jìn)一步惡化，嚴(yán)重威脅井下工作人員的身體健康。進(jìn)行采煤工作面粉塵分布規(guī)律和降塵措施的相關(guān)研究，對于改善煤礦生產(chǎn)環(huán)境，凈化工人們的作業(yè)環(huán)境，減少采煤機(jī)械的磨損有著重要的意義。本文以神角煤業(yè)2105綜采工作面為研究對象，具體的分析工作面煤塵的運(yùn)移規(guī)律，運(yùn)用遺傳算法對架間噴霧降塵的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為提高井下降塵工作的效率提供一種新的方式方法。

1 工程概況

山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)神角煤業(yè)有限公司位于鄉(xiāng)寧縣東北部約33公里處的臺頭鎮(zhèn)神角村境內(nèi)，礦井核定生產(chǎn)能力90萬t/a，井田面積5.8551km2，現(xiàn)主采2#煤層，煤層賦存穩(wěn)定，屬優(yōu)質(zhì)主焦煤。礦井采用斜井開拓方式。礦井通風(fēng)方式為中央并列式，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式，綜采工作面采用“U”形通風(fēng)方式。井下綜合防塵水源取自地面容量為300m3、800m3的靜壓水池各一座，以保證井下防塵、靜壓供水水量要求；在井下采掘工作面、轉(zhuǎn)載點等處均設(shè)噴霧防塵裝置，并在集中大巷、采掘兩順槽等巷道設(shè)置風(fēng)流凈化水幕；井下現(xiàn)布置一個2105綜采工作面和2101運(yùn)輸順槽、2101回風(fēng)順槽兩個綜掘工作面。本文以2105工作面的回采為工程背景，對綜采工作面粉塵的運(yùn)移規(guī)律和降塵技術(shù)展開研究。

2 綜采面粉塵特性實測研究

2.1 綜采面粉塵濃度測定方法及現(xiàn)場測定

通過查閱大量的文獻(xiàn)資料[1]，綜合考慮現(xiàn)場測定方便、測量速度、測量的準(zhǔn)確度及對現(xiàn)場生產(chǎn)的干擾等多方面因素，決定采用濾膜稱重法對神角煤業(yè)2105綜采面粉塵濃度進(jìn)行測定，粉塵濃度測定儀主要分為直讀式和濾膜稱重式，考慮儀器長時間使用精度降低等因素，選擇AKFC—92A型粉塵采樣器，該儀器主要由采樣頭和機(jī)身兩部分組成，采樣頭可以安裝兩種。濾膜，分別用來測定總塵和全塵。將粉塵采樣器放置在需要測定粉塵濃度的區(qū)域，采樣器機(jī)身內(nèi)的抽風(fēng)機(jī)將空氣吸入采樣頭，采樣頭內(nèi)的濾膜將粉塵吸附，通過測定濾膜上粉塵的質(zhì)量來表征空氣中粉塵的濃度。

為準(zhǔn)確的測定采煤工作面粉塵的濃度，需要在采煤工作面主要的產(chǎn)塵位置分別布置測塵點，測塵點的布置主要遵循原則：①測點盡量布置在下風(fēng)側(cè)或者靠近回風(fēng)巷的采煤機(jī)后方；②測塵點不應(yīng)過度集中，應(yīng)在主要產(chǎn)塵工序附近均勻布置。通過查閱大量的相關(guān)文獻(xiàn)，決定采用距離劃分法進(jìn)行綜采工作面粉塵濃度測定，測點主要布置在產(chǎn)塵量最大的采煤機(jī)割煤下風(fēng)側(cè)，距離采煤工作面較近時，橫向空間內(nèi)在人行道和溜槽道分別進(jìn)行測定，距離采煤機(jī)較近時測點適當(dāng)加密，粉塵濃度較穩(wěn)定的區(qū)域測點的密度逐漸減小。測塵點的布置詳情如圖1所示。由于采煤機(jī)順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤時下風(fēng)側(cè)粉塵濃度差異性較大，分別在兩種情況下進(jìn)行粉塵濃度測定。

圖1 2105采煤工作面粉塵濃度測點布置詳情

2.2 2105工作面粉塵濃度實測結(jié)果分析

圖2 采煤工作面粉塵濃度實測結(jié)果

通過對采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)粉塵濃度的現(xiàn)場成定，得到圖2所示的結(jié)果，測點在采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)5m處時，空氣中的粉塵基本全部來源于進(jìn)風(fēng)流，粉塵濃度約為30mg·m-3，采煤機(jī)割煤產(chǎn)生大量的粉塵，在采煤機(jī)中部和后滾筒處粉塵濃度開始急劇增大，在距離采煤機(jī)10～15m的下風(fēng)側(cè)粉塵濃度達(dá)到最大，采煤機(jī)后方20m左右的位置，粉塵濃度逐漸趨于穩(wěn)定，橫向空間來說，距離采煤機(jī)較近的刮板輸送機(jī)道處粉塵濃度明顯大于人行道；采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時前滾筒的粉塵濃度增加較快，總體而言，順風(fēng)割煤與逆風(fēng)割煤的粉塵運(yùn)移規(guī)律類似。

3 2105綜采工作面降塵參數(shù)優(yōu)化

3.1 原有降塵措施降塵效果實測分析

根據(jù)2105工作面粉塵濃度現(xiàn)場實測結(jié)果可知，距離采煤機(jī)滾筒割煤處的10～15m為粉塵濃度最高的區(qū)域，該處為采煤司機(jī)工作的區(qū)域，為了改善采煤司機(jī)及現(xiàn)場工作人員的工作環(huán)境，針對工作面各處工作空間的粉塵濃度，采取適當(dāng)?shù)母纳拼胧?，?105工作面所有降塵措施開啟時，降塵措施主要有：風(fēng)流凈化水幕、采煤機(jī)及支架間噴霧等，對2105工作面各處的粉塵濃度進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，得到圖3所示的結(jié)果。

圖3 防塵措施開啟前后粉塵濃度對比

由圖3所示的監(jiān)測結(jié)果可以看出，在風(fēng)流凈化水幕、采煤機(jī)及支架間噴霧等降塵措施開啟后，2105采煤工作面各處的全塵和呼吸性粉塵濃度均大幅度降低，粉塵的降塵效率平均基本達(dá)到80%以上，整個工作面內(nèi)，采煤司機(jī)處粉塵濃度最高，降塵措施開啟前，呼吸性粉塵濃度為208mg/m3，降塵措施開啟后，采煤司機(jī)處呼吸性粉塵濃度降低至50.9mg/m3，降塵率達(dá)到75.5%，根據(jù)國家安監(jiān)局相關(guān)指令[2]，為對工作面采煤機(jī)司機(jī)處、移架處的粉塵濃度進(jìn)一步降低，確定將架間噴霧降塵措施的參數(shù)為優(yōu)化對象。

3.2 架間噴霧降塵參數(shù)優(yōu)化

圖4 架間噴霧原理示意圖

架間噴霧降塵技術(shù)通過將一定壓力的水由出水孔中噴出，在空氣中形成水霧，水和空氣中的粉塵結(jié)合后形成液態(tài)顆粒群，增大粉塵的重量，從而提高粉塵的沉降速度，起到降塵的目的。噴霧降塵主要依靠水霧對空氣中粉塵的捕集作用，根據(jù)噴頭的結(jié)構(gòu)及噴水原理，噴霧降塵器霧化角度和范圍如圖4所示。

假設(shè)架間噴霧降塵器的降塵霧化角為α，霧化范圍的長度為l，支架間設(shè)置n個噴嘴，噴霧前端的半徑為r，噴霧前端面積為A，根據(jù)以往的研究成果，當(dāng)噴霧能夠覆蓋1/4空間時，降塵效果最佳，降塵噴霧的面積為：

通常架間噴霧系統(tǒng)所有的高壓水水為恒壓，噴霧液滴的直徑為：

其中：Dc為液滴直徑，單位：μm；K為實驗室比例系數(shù)，取 34530；P 為供水壓力，單位：kgf/cm2；D 為噴頭直徑，單位：mm；

供水壓力與耗水量間關(guān)系為：

水霧內(nèi)液滴的速度視為噴出速度的0.5倍，則霧滴的速度Um計算公式為：

根據(jù)神角煤業(yè)2105工作面的實際情況，取工作面風(fēng)流流速為1.2m/s，將粉塵顆粒的運(yùn)動速度視為1.2m/s，粉塵顆粒的密度為ρp=600kg/m3，最終可得架間噴霧的降塵效率η計算公式[3～4]：

通過以上分析可知，影響架間噴霧降塵效率的主要因素有噴頭個數(shù)n、噴嘴直徑、噴霧系統(tǒng)供水壓力、噴霧頭噴霧角度、噴頭與產(chǎn)塵點的距離五個因素，由此設(shè)計變量Z：

根據(jù)式（9）給出的以降塵率最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化函數(shù)，采用遺傳算法對架間噴霧降塵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，通過Matlab中的GA工具箱進(jìn)行計算，最終得到各個參數(shù)優(yōu)化前后的值見表1。

表1 架間噴霧降塵參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)表1所示的結(jié)果，對2105工作面架間噴霧降塵的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，再次進(jìn)行粉塵濃度現(xiàn)場實測，以落煤處、采煤機(jī)司機(jī)處和移架處的粉塵濃度為代表，整理后得到表2所示的結(jié)果。由表2所示的結(jié)果可知，對架間噴霧的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，工作面粉塵濃度再次降低，降塵率最高的點位達(dá)到97.16%，獲得了良好的降塵效果。

表2 2105工作面粉塵濃度測試結(jié)果

4 結(jié)論和建議

本文以神角煤業(yè)2105綜采工作面的回采為工程背景，主要進(jìn)行關(guān)于粉塵運(yùn)移規(guī)律及架間降塵參數(shù)的優(yōu)化研究，主要結(jié)論：采煤機(jī)逆風(fēng)和順風(fēng)割煤時工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律基本一致，在距離滾筒截割部10～15m的下風(fēng)側(cè)粉塵濃度最大（即采煤機(jī)司機(jī)處），工作面原有降塵措施開啟后，降塵效率在移架處最高，可達(dá)80.9%，采用遺傳方法對架間噴霧降塵參數(shù)優(yōu)化后，整體降塵率均達(dá)到了95%以上，取得了良好的應(yīng)用效果。