綜掘工作面分段控風控塵技術研究

蘇永兵

(山西新景礦煤業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

目前，綜掘工作面的粉塵防治措施主要有掘進機內(nèi)外噴霧、氣幕控塵、濕式除塵、轉載點噴霧和巷道風流凈化水幕等。在實踐應用過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壓風、被動出風的通風模式，在綜掘工作面采用噴霧降塵，會使得工作面氣流變?yōu)闅忪F狀，不利于工作人員的作業(yè)，會帶來相應的安全隱患；（2）沒有對綜掘工作面的風流進行相應的控制，降塵效果不理想。本文以新景礦15028綜掘工作面為研究對象，對其采用分段風控塵技術進行了研究和實踐應用，降塵效果明顯。

1 工作面概況

新景礦15028回風巷沿2#煤層底板掘進，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%，堅固性系數(shù)f=0.46）、難濕潤煤層，工作面采用EBZ-220懸臂式掘進機截割落煤，選擇Φ1000mm雙反邊軟質(zhì)風筒供風，同時配備了KCS-500型濕式除塵器，處理風量450～550m3/min，實測吸風量為480m3/min，箱體固定在綜掘機二運拖拉尾，隨綜掘機向前移動。

15028工作面所開掘的巷道具有斷面大（S=5.2×3.6m=18.72m2）、供風量大（500～550m3/min）、出口風速高（8～10 m/s，風流壓頭大，對迎頭流場擾動大）、割煤強度大（日進尺15～20m）、煤體破碎嚴重、產(chǎn)塵量大等特點，導致產(chǎn)塵強度高，治理難度大，防塵系統(tǒng)工藝要求高，因此急需針對綜掘面粉塵治理難題進行系統(tǒng)研究，尤其是針對高產(chǎn)塵綜掘工作面通風控塵技術進行研究。

2 分段控風控塵系統(tǒng)參數(shù)確定

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

圖1 控風控塵系統(tǒng)組成示意圖

2.1 軸向出風與迎頭距離確定

根據(jù)工作面配風量與除塵器抽風量關系，即在工作面前部控塵區(qū)域內(nèi)，單位時間內(nèi)除塵器未抽出的風量將和割煤產(chǎn)生的粉塵無序擴散，形成高濃度粉塵存儲區(qū)域。工作面正常生產(chǎn)時，割煤屬于間歇性的，從左幫割到右?guī)蜁r，掘進機會短暫停頓，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，通過建立數(shù)學模型，計算軸向出風口距離工作面煤壁最佳距離為軸向出風口距離迎頭8～10 m時為最佳。

2.2 徑向出風與迎頭距離確定

為了研究出風口有效射程，國內(nèi)外學者研究了射流場流動規(guī)律，給出了自由射流和受限射流的計算公式，射流出風口到射流風速降為零處，此過程之間的距離為射程，射流射程計算公式為：

根據(jù)現(xiàn)場條件，式中：

Fn-巷道斷面面積，18.72 m2；

θ-取11°。

經(jīng)過計算得到徑向出風口有效射程為s=18.36m，考慮到控塵面的位置，新鮮風流應位于司機前部、吸塵罩口后部，取徑向出風口距離迎頭20m比較合理。

3 控風控塵效果分析

在現(xiàn)場開展了試驗測試分析，以驗證軸徑向出風口參數(shù)的有效性。經(jīng)過現(xiàn)場測定，在不使用任何降塵措施時，綜掘面司機位置原始粉塵濃度為2744mg/m3，在通風除塵系統(tǒng)未經(jīng)改進優(yōu)化前，15028回風巷掘進面司機位置總粉塵濃度平均1224.8 mg/m3，綜掘機機尾一運轉載點總粉塵濃度平均為489.7mg/m3，機尾二運轉載點總粉塵濃度平均為253.2mg/m3。為了得到附壁風筒最佳安裝位置，以軸向出風口距離迎頭15m、20m和25m三種條件下控塵效果進行現(xiàn)場試驗，并且通過連續(xù)測試掘進面司機位置粉塵濃度，以此確定附壁風筒距離迎頭最佳配套參數(shù)。通過現(xiàn)場試驗可知：當附壁風筒位于二運轉載點后部時，二運轉載點距離附壁風筒較近，此處風速較大，轉載點兩側有大量粉塵被風流帶入到工作面，因此附壁風筒最佳位置應為距離迎頭20m處，且靠近二運轉載點，在二運轉載點前5m位置為最佳。

通風除塵系統(tǒng)改進優(yōu)化后，與未優(yōu)化前相比，司機位置粉塵濃度從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%；一運轉載點粉塵濃度從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%；二運轉載點粉塵濃度從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回風巷綜掘工作面通風除塵效果有明顯改觀，工作面粉塵濃度有大幅下降。分段控風控塵系統(tǒng)軸徑向出風口與工作面煤壁距離優(yōu)化前后控降塵對比效果如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前后粉塵濃度對比

總之，通過采取對原通風除塵系統(tǒng)分段出風參數(shù)優(yōu)化后，通風除塵系統(tǒng)的控降塵效果提升了80%左右，能夠有效降低掘進面粉塵濃度。該系統(tǒng)在最佳匹配參數(shù)下司機位置的平均粉塵濃度可降到225.3mg/m3，并且割煤大部分時間內(nèi)粉塵濃度穩(wěn)定在200mg/m3左右，降塵效率可達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。現(xiàn)場采樣測試分析可知：工作面通風除塵系統(tǒng)位于最佳匹配參數(shù)時（供風風筒軸向出風口距離迎頭8～10 m，附壁風筒距離工作面迎頭20 m），控風控塵效果最佳。

4 結語

根據(jù)新景礦15028綜掘工作面煤層條件及產(chǎn)塵特點，建立了粉塵存儲模型，得到了分段控風控塵系統(tǒng)軸向出風口與工作面煤壁最佳距離關系，并根據(jù)現(xiàn)場實際條件計算得到了軸向出風口距離迎頭最佳距離為8～10m。通過計算附壁風筒出風口風流有效射程，確定了徑向出風口與迎頭最佳距離為20m。通過現(xiàn)場測試，工作面正常割煤時，分段控風控塵系統(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。