綜采工作面綜合防塵技術(shù)應(yīng)用研究

李永強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 泰山隆安煤礦，山西 忻州 036600）

1 概況

泰山隆安煤礦11305 綜采工作面回采11下煤層，煤層厚度平均2.2 m。工作面走向長約1068 m，傾向長度約240 m，厚度變化小，結(jié)構(gòu)簡單，含0 ～1 層夾矸，厚度0.05 ～0.1 m，煤類單一，均為弱粘煤，11 號下組煤為黑色，半亮型，層狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，階梯狀、貝殼狀斷口，瀝青光澤，含0 ～1 層夾矸，單層夾矸厚度為0.05 ～0.10 m，夾矸為砂質(zhì)泥巖或泥巖，為結(jié)構(gòu)較簡單的薄煤層，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤塵和粉塵有爆炸危險性，且危害工人健康，因此，為消除安全隱患，凈化工作面的環(huán)境，對11305 綜采工作面進(jìn)行粉塵濃度分布規(guī)律的調(diào)查和降塵措施研究具有重要意義。

2 工作面粉塵濃度分布測定

2.1 粉塵濃度測定

工作面粉塵濃度的測定采用全塵濃度為參考，測定方法為濾膜過濾法，其原理是通過抽氣裝置將工作面粉塵試樣吸入粉塵測定儀中，抽樣之前確保濾膜無雜質(zhì)干擾，抽樣完成之后將含有粉塵的空氣進(jìn)行單獨(dú)放置，對比濾膜在吸入粉塵前后的重量差來評定粉塵的濃度，全粉塵濃度計(jì)算公式如下[1-2]：

式中：M1為采樣前濾膜的重量，mg；M2為采樣后濾膜的重量，mg；t 為采樣時間，min；Q 為工作面粉塵流量，L/min。

為消除操作誤差及環(huán)境的不確定性帶來的干擾，以3 組抽樣數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，優(yōu)化計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)各試樣間的差值小于20%時，可認(rèn)為數(shù)據(jù)合理，可以采用，具體差值的計(jì)算公式如下[3-4]：

式中：Δg 為樣品計(jì)算的結(jié)果之差；C1、C2、C3為樣品的計(jì)算結(jié)果，mg/m3；

為測定11305 綜采工作面在回采工程中各區(qū)域的粉塵濃度分布，沿綜采工作面傾向間隔一定距離布置2 排9 列粉塵濃度測試儀，測試儀距離采煤機(jī)分別為5、5、5、10、15、20、30、50 及50 m 處，儀器距煤層底板的垂距為1.5 m，水平距煤壁1 m和1.5 m 處。

2.2 結(jié)果分析

（1） 工作面方向。

依據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，將粉塵濃度測試儀在各處3 次的顯示測定結(jié)果記錄下來，數(shù)據(jù)見表1，并繪制成粉塵濃度分布曲線，如圖1 所示。

圖1 沿工作面方向粉塵濃度分布曲線Fig.1 Distribution curve of dust concentration along working face

表1 沿工作面面長方向粉塵濃度分布Table 1 Dust concentration distribution along the face length direction

由圖1 可知，采煤機(jī)滾筒在割煤作業(yè)時，在采煤機(jī)滾筒附近，隨著距離的增加，粉塵濃度會有急劇增加的趨勢，在峰值區(qū)域內(nèi)最大濃度可達(dá)1200 mg/m3，峰值的平均值為980 mg/m3。達(dá)到峰值之后隨著距離的增加而濃度減小，原因是隨著距離的增加，煤塵在推力及風(fēng)的作用下逐漸向遠(yuǎn)離工作面的方向移動，并且在移動過程中因其自身重力作用而不斷下落直至煤層底板，從而導(dǎo)致粉塵濃度降低，滾筒后約30 ～40 m 處降至最低值，此處特點(diǎn)是粉塵濃度較低、粒徑小及顆粒不均勻系數(shù)小。

在工作面遠(yuǎn)處，即超過上述濃度低值區(qū)域后，由圖1（c） 可知，隨著距離的繼續(xù)增加，粉塵濃度會有一個再次上升的趨勢，但上升的速度較緩慢，原因是此處較距工作面近處區(qū)域，采煤機(jī)滾筒的影響小，其次是經(jīng)過前述區(qū)域的自重沉降后，顆粒相對表面積大，受到空氣浮力的比重增加，再加上后方空間較大，單位體積內(nèi)的粉塵顆粒不易短時間匯集。粉塵濃度在第二次上升至峰值后也會下降，并且第二次的濃度峰值要小于第一次的峰值，最大峰值為1000 mg/m3，平均峰值為750 mg/m3。另外第二次峰值受到的影響因素主要源于粉塵自身，造成形成峰值的區(qū)域會有較大的誤差。根據(jù)現(xiàn)場探測結(jié)果可知，該區(qū)域粉塵分布特點(diǎn)呈移動速度快、自重沉積少及分散度大。

（2） 煤壁方向。

在沿著煤壁方向上的粉塵濃度變化如圖2 所示。由圖2 可知，在煤壁1 m 處的粉塵濃度峰值范圍處于700 ～1200 mg/m3，經(jīng)過3 次粉塵濃度的測定，結(jié)果顯示其濃度的變化是隨著距離的增加而減小，至1.5 m 處降至100 ～900 mg/m3。

圖2 沿煤壁方向粉塵濃度分布曲線Fig.2 Distribution curve of dust concentration along coal wall direction

3 技術(shù)方案和降塵效果

3.1 技術(shù)方案

依據(jù)工作面不同區(qū)域粉塵濃度的分布特點(diǎn)，采用灑水噴霧降塵的方式[5-6]，將粉塵濃度降低至安全范圍內(nèi)。

（1） 外置噴嘴裝置。

由上述粉塵濃度的分布特點(diǎn)可知，粉塵濃度最大區(qū)域位于采煤機(jī)工作處，可在采煤機(jī)外布置噴嘴裝置，在回采進(jìn)行同時進(jìn)行灑水噴霧工作，使得該處濃度峰值降低。噴嘴裝置布置需要考慮的因素有：①噴霧覆蓋區(qū)域應(yīng)該大于采煤機(jī)的占用區(qū)域；②噴嘴處壓力應(yīng)該達(dá)到不堵塞的滿足條件。

考慮到現(xiàn)場采煤環(huán)境的復(fù)雜性，應(yīng)在采煤機(jī)電機(jī)箱處朝向工作面安置4 個灑水噴霧噴嘴，環(huán)形布置，且噴嘴的水平方向傾斜30°，以滿足煤壁方向的降塵要求。在采煤機(jī)搖臂的端部位置安裝5 個噴嘴裝置，噴射水的方向應(yīng)與搖臂的方向垂直，為保證噴嘴不堵塞，噴水壓力為恒壓設(shè)定，取12.8 MPa，裝置如圖3 所示。

圖3 主通風(fēng)機(jī)測量標(biāo)準(zhǔn)性能曲線Fig.3 Measurement standard performance curve of main fan

圖3 噴嘴裝置示意Fig.3 Indication of nozzle device

（2） 液壓支架間降塵。

為防止粉塵進(jìn)一步擴(kuò)散至其他區(qū)域，在液壓支架間布置一系列噴霧裝置，以阻斷粉塵擴(kuò)散途徑。機(jī)理為噴嘴噴出高壓高速的水霧氣，帶動前方的空氣被推動，在相反方向的區(qū)域內(nèi)短時間內(nèi)形成負(fù)壓，使得后方的粉塵在負(fù)壓的作用下吸入被推動的空氣中，從而回到工作面的粉塵高濃度區(qū)域，并且由于水霧的作用，使得粉塵組成黏粒發(fā)生沉降，達(dá)到最終降塵的目的。另外粉塵黏粒的下沉，會使得在出口端再次形成負(fù)壓場，造成二次降塵的效果。

每臺液壓支架在液壓支架間的位置處安裝3 個噴嘴裝置，角度可設(shè)為0、40°、80°，此處的噴霧裝置的噴射方式采用脈沖噴射，噴射水壓設(shè)置約為2.8 MPa，吸風(fēng)口的后部和側(cè)部尺寸設(shè)為0.2 m×0.2 m 和0.1 m×0.08 m，位置的布置如圖4所示。

圖4 液壓支架噴霧系統(tǒng)布置方式示意Fig.4 The layout of spray system of hydraulic support

3.2 降塵效果

通過檢測各粉塵濃度測試點(diǎn)的測試結(jié)果，提取降塵技術(shù)采用前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，來驗(yàn)證11305 綜采工作面的降塵程度。驗(yàn)證點(diǎn)設(shè)定于距離回風(fēng)巷的15 ～120 m 處，每隔30 m 設(shè)置1 處，共5 處，其結(jié)果見表2。

表2 噴霧系統(tǒng)實(shí)施前后粉塵濃度數(shù)據(jù)Table 2 Dust concentration data before and after the implementation of spray system

由表2 可知，經(jīng)過噴霧技術(shù)措施處理后，回采時工作面上的粉塵濃度明顯降低，全塵濃度的平均降低率約達(dá)74%，濃度峰值的最大處降至110 mg/m3，降塵效果良好，可以為相關(guān)回采工作面的降塵工作提供理論支持。

4 結(jié) 論

（1） 經(jīng)過濾法測定綜采工作面的粉塵濃度分布呈先急增后降再緩增再降的趨勢。在工作面近處隨著距離的增加粉塵濃度呈現(xiàn)急劇增加的趨勢，在濃度峰值最大可達(dá)1200 mg/m3，峰值的平均值為980 mg/m3，峰值后在滾筒后30 ～40 m 處降至最低處，后又緩慢上升至低于第一次的第二次峰值。

（2） 經(jīng)過采煤機(jī)外布置噴嘴和液壓支架間布置噴霧噴嘴的降塵技術(shù)措施，使得全塵降塵率約達(dá)74%，最大粉塵濃度降至110 mg /m3，降塵效果顯著。