玉溪煤礦1301工作面粉塵分布規(guī)律及噴霧降塵技術(shù)研究

范敬豐

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

1 工程概況

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦1301工作面位于3號煤層一盤區(qū)，工作面開采3號煤層，煤層厚度在5.12～7.20 m，平均5.85 m，平均傾角為8°，煤層內(nèi)含有1層夾矸，平均厚度為0.28 m，3號煤堅固性系數(shù)f=0.45～1.09，煤層不易自燃，煤塵無爆炸危險性，煤層直接頂巖層為泥巖，直接頂為泥巖，平均厚度2.4 m，基本頂為中粒砂巖，平均厚度5.3 m，直接底為泥巖，平均厚度為1.5 m，基本底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度8.3 m；工作面采用大采高一次采全高采煤方法，循環(huán)進(jìn)度0.6 m，通風(fēng)方式采用“兩進(jìn)三回”，由于3號煤層屬于松軟破碎煤層，在工作面回采過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，為優(yōu)化回采作業(yè)環(huán)境，現(xiàn)進(jìn)行工作面粉塵分布規(guī)律的分析及噴霧降塵技術(shù)的設(shè)計與應(yīng)用。

2 粉塵分布規(guī)律

為充分掌握1301工作面回采作業(yè)時工作面粉塵分布規(guī)律，首先需掌握工作面風(fēng)流場的分布規(guī)律，現(xiàn)采用現(xiàn)場測試的方式在工作面走向方向上設(shè)置13組測點(diǎn)，在進(jìn)行測點(diǎn)布置時，在工作面進(jìn)風(fēng)巷開始向著回風(fēng)巷方向每隔5個液壓支架劃分為1個單元，在工作面面長方向上共計設(shè)置13個單元，在每個單元內(nèi)布置1組測點(diǎn)，1組測點(diǎn)包括2個測試位置，分別位于支架人行側(cè)和溜槽的位置，具體工作面測風(fēng)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 1301工作面測風(fēng)點(diǎn)布置位置示意

根據(jù)測試結(jié)果及對測試數(shù)據(jù)的處理，能夠繪制出工作面的風(fēng)量變化圖，如圖2所示。

圖2 工作面風(fēng)量變化曲線

分析圖2可知，由工作面進(jìn)風(fēng)巷向回風(fēng)巷方向，隨著距離的增大，工作面內(nèi)的風(fēng)量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，且在工作面進(jìn)風(fēng)口和回風(fēng)口的附近區(qū)域變化較小，在工作面中部區(qū)域風(fēng)量的變化相對較為平緩，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)檠刂ぷ髅娴拿嫱七M(jìn)方向，采空區(qū)存在漏風(fēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致工作面內(nèi)的總風(fēng)量會不斷減小，當(dāng)?shù)焦ぷ髅娴哪骋稽c(diǎn)后漏入采空區(qū)的風(fēng)流匯入工作面的總風(fēng)流中，進(jìn)而又會出現(xiàn)風(fēng)量增大的現(xiàn)象，工作面內(nèi)的風(fēng)量整體呈現(xiàn)為U型分布。

現(xiàn)為全面掌握工作面粉塵分布規(guī)律，在工作面內(nèi)設(shè)置16個粉塵濃度測試點(diǎn)，每個測點(diǎn)分別對支架人行道和溜子道進(jìn)行粉塵濃度的測試，粉塵濃度測試分別在采煤機(jī)順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤時進(jìn)行，測試儀器采用CCD1000-FB便攜式電腦粉塵儀[1-2]，具體粉塵濃度測試點(diǎn)布置，如圖3所示。

圖3 粉塵濃度測試點(diǎn)布置位置示意

工作面在順風(fēng)割煤時和逆風(fēng)割煤時，滾筒周圍區(qū)域的粉塵濃度分布曲線如圖4所示。

圖4 工作面粉塵濃度分布曲線

分析圖4(a)可知，工作面在進(jìn)行順風(fēng)割煤時，后滾筒區(qū)域的粉塵濃度分布如下：在溜槽的順風(fēng)方向上，隨著風(fēng)流的擴(kuò)散作用，截割產(chǎn)生的粉塵逐漸擴(kuò)散，進(jìn)而使得粉塵的濃度逐漸升高，其中粉塵濃度最大的區(qū)域?yàn)?30 mg/m3，在工作面風(fēng)流方向上粉塵在風(fēng)流作用下逐漸向采空區(qū)擴(kuò)散，在采煤機(jī)司機(jī)位置處，粉塵濃度在200 mg/m3，隨后粉塵濃度逐漸下降并趨于穩(wěn)定，在液壓支架人行道內(nèi)粉塵濃度的變化趨勢基本相同，但該位置區(qū)域粉塵濃度相對較低，且粉塵具有一定的停滯；順風(fēng)割煤前滾筒區(qū)域粉塵濃度如下：在溜槽內(nèi)，采煤機(jī)截割產(chǎn)生的粉塵開始逐漸降低，當(dāng)進(jìn)入滾筒中部區(qū)域粉塵濃度最低，隨著在滾筒中部靠后的位置處時，粉塵濃度又呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，并在滾筒后方3 m的位置處粉塵濃度達(dá)到最大值，為370 mg/m3；在支架人行道內(nèi)的粉塵濃度分布規(guī)律基本也呈現(xiàn)為該種變化特征。

分析圖4(b)可知，沿著風(fēng)流的方向，從采煤機(jī)后滾筒向前滾筒的測塵區(qū)域內(nèi)，粉塵濃度呈現(xiàn)為增大的趨勢，該點(diǎn)與工作面順風(fēng)割煤下的粉塵濃度分布規(guī)律類似，但其與順風(fēng)割煤下粉塵濃度的差別為逆風(fēng)割煤下粉塵會產(chǎn)生劇烈的變化，其中粉塵濃度審稿較快的區(qū)域?yàn)榍皾L筒，且逆風(fēng)割煤下前滾筒的粉塵濃度高于后滾筒的粉塵濃度，后滾筒的粉塵濃度略小于前滾筒的粉塵濃度。

綜合上述分析可知，采煤機(jī)區(qū)域粉塵濃度分布無論在順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤下分布規(guī)律大致相似，均呈現(xiàn)為粉塵濃度現(xiàn)逐漸升高，隨后小幅降低后再逐漸上升，最后區(qū)域平穩(wěn)，另外結(jié)合風(fēng)量分布和粉塵濃度測試結(jié)果可知，工作面內(nèi)在剛進(jìn)入采煤機(jī)區(qū)域時的粉塵濃度較大，在采煤機(jī)中部，粉塵濃度又呈現(xiàn)出一定幅度的降低，最后在后滾筒區(qū)域粉塵濃度又逐漸升高，最后達(dá)到穩(wěn)定，另外根據(jù)支架人行道的粉塵分布可知，在采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)之間粉塵濃度也較高。

3 噴霧降塵技術(shù)

3.1 噴霧系統(tǒng)設(shè)計

基于上述工作面粉塵濃度分布規(guī)律的測試結(jié)果可知，工作面粉塵高濃度區(qū)域主要分布在采煤機(jī)前方、滾筒處和采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)之間，據(jù)此工作面的噴霧降塵系統(tǒng)便主要針對這三個區(qū)域，現(xiàn)通過合理的布置噴嘴，實(shí)現(xiàn)氣水噴霧對該三個區(qū)域的有效覆蓋。

本次噴霧降塵系統(tǒng)的噴嘴采用具有壓氣霧化的噴嘴，該類噴嘴產(chǎn)生的水霧顆粒在7～50 μm之間，根據(jù)眾多試驗(yàn)研究結(jié)果表明[3-4]，該類噴嘴能夠產(chǎn)生的霧化角在40～50°，本次噴霧系統(tǒng)采用的水壓在0.2～0.3 MPa，氣壓在0.388～0.602 MPa之間，水霧的粒徑可控制在15～35 μm的范圍內(nèi)。基于噴霧降塵重點(diǎn)覆蓋區(qū)域，分別在采煤機(jī)滾筒前方、滾筒處和采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)間進(jìn)行噴嘴的設(shè)計，具體設(shè)計參數(shù)如下：

1) 滾筒前方：采煤機(jī)滾筒前方至治理工作面粉塵沉降的關(guān)鍵，為實(shí)現(xiàn)噴嘴可對滾筒全部包裹，根據(jù)滾筒前方噴霧覆蓋范圍進(jìn)行計算[5]，計算原理圖如圖5所示。

圖5 滾筒前方噴霧覆蓋范圍示意

計算公式如下：

(1)

式中：σ為滾筒前方噴霧覆蓋角，°；R為滾筒半徑；α為單個噴嘴的覆蓋角，h為滾筒厚度；L為采煤機(jī)搖臂的長度，l為噴霧安設(shè)位置距采煤機(jī)主體邊緣的距離；結(jié)合1301工作面條件，計算得出滾筒前方單個噴霧的覆蓋角大于單個噴嘴的覆蓋角，據(jù)此在該區(qū)域設(shè)置一排兩個噴嘴進(jìn)行降塵。

2) 滾筒處噴霧設(shè)計：滾筒處噴嘴設(shè)置時，其噴嘴的安設(shè)角度、仰角等參數(shù)計算原理如圖6所示。

圖6 采煤機(jī)滾筒區(qū)域噴嘴安裝參數(shù)計算示意

計算公式如下[6]：

(2)

式中：β為噴嘴的安裝角度，°；θ為噴嘴的仰角，°；ξ為噴嘴與滾筒外側(cè)面間的夾角，°；基于工作面條件計算得出若要覆蓋整個滾筒區(qū)域，此時需要求噴嘴的縱向覆蓋角度和橫向覆蓋角度分別為θ和ξ，而單個噴嘴霧化角無法實(shí)現(xiàn)，故而在該區(qū)域布置兩排噴嘴，每排布置兩個噴嘴，以達(dá)到覆蓋滾筒的目的。

3) 采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)間：基于本次使用噴嘴的霧化角在30～40°之間，設(shè)計在圓弧上均勻布置4個噴嘴，角度分別為0°、30°、60°和90°，另外考慮到0°噴嘴下方還存在一個產(chǎn)塵點(diǎn)，故而設(shè)計在0°下方增加一個噴嘴。

基于上述設(shè)計，通過3D建模，得出工作面噴霧系統(tǒng)的布置形式，如圖7所示。

圖7 噴霧系統(tǒng)噴嘴布置形式示意

3.2 效果分析

為驗(yàn)證噴霧降塵系統(tǒng)的應(yīng)用效果，在粉塵濃度分布現(xiàn)場測點(diǎn)的布置位置，在噴霧系統(tǒng)實(shí)施后，再進(jìn)行粉塵濃度的測試作業(yè)，得出工作面順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤時溜槽與支架人行道側(cè)的降塵率，現(xiàn)選取1號、3號、8號、10號、14號5個點(diǎn)具體分析，測點(diǎn)的降塵率如表1。

表1 工作面采用噴霧系統(tǒng)后的降塵率

分析表1可知，工作面采用噴霧降塵系統(tǒng)后，溜槽道和支架人行道的粉塵濃度均大幅下降，其中在工作面順風(fēng)割煤時，支架人行道降塵率在60%～85%；溜槽道的降塵率在70%～78%；逆風(fēng)割煤時，支架人行道的降塵率在48%～71%，溜槽道的降塵率在42%～59%，降塵效果顯著。

4 結(jié) 語

根據(jù)1301工作面的賦存特征及開采條件，通過工作面粉塵濃度現(xiàn)場測試的方式得出工作面粉塵高濃度區(qū)域主要分布在采煤機(jī)前方、滾筒處和采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)之間，基于粉塵濃度分布規(guī)律，進(jìn)行噴霧系統(tǒng)的設(shè)計，在噴霧系統(tǒng)實(shí)施后，通過粉塵濃度測試得出，噴霧降塵效果顯著，優(yōu)化了回采作業(yè)環(huán)境。