晶鑫煤業(yè)3218 綜采工作面粉塵防治技術(shù)研究與應(yīng)用

王晉波

（山西陽城陽泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)股份有限公司，山西 晉城 048100）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)3218 工作面井下位于井田西南部，北面為工作面煤體，南面為礦界保安煤柱，東面為3216 工作面，西面為3220 工作面，工作面傾斜長度為131m，走向長度749m，開采3# 煤層平均厚度為5.65m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般含0～2 層矸石，矸石厚0.07～0.55m，矸石為粉砂質(zhì)泥巖或泥巖矸石，呈細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu)。煤層直接頂為平均厚度8.02m 細(xì)砂巖，基本頂為平均厚度為27.81m的粗砂巖，直接底為泥巖，直接底平均厚度2.36m。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，采煤機(jī)割煤高度為2.20m，放頂煤高度為3.45m，采放比為1:1.57，工作面巷道采用一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)系統(tǒng)。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，3# 煤層為低灰～中灰、特低硫、特高熱值無煙煤，煤層無煤塵爆炸性，但由于工作面采用綜放開采，工作面回采過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，現(xiàn)為降低回采期間的粉塵，優(yōu)化回采作業(yè)環(huán)境，特進(jìn)行粉塵防治技術(shù)分析。

2 噴霧灑水防塵機(jī)理

采煤工作面的粉塵主要來源于采煤機(jī)割煤作業(yè)時，采煤機(jī)的持續(xù)割煤作業(yè)在工作面區(qū)域形成了移動的粉塵產(chǎn)生源頭，故為若要控制工作面內(nèi)的粉塵含量，需對采煤機(jī)割煤作業(yè)時的粉塵進(jìn)行有效防止。工作面回采過程中的產(chǎn)生的粉塵，一般其粒徑均在0.3μm 以下，在風(fēng)流作用下粉塵會很容易被帶走，被風(fēng)流吹起的粉塵呈布朗運(yùn)動，由于粉塵自身的質(zhì)量和粒徑均較小，故其具有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力，但粉塵在風(fēng)流運(yùn)動中會很容易與其他的物體相碰撞而沉降，粉塵慣性碰撞原理如圖 1（a）所示，圖中（b）為質(zhì)量為 m 的粒子偏離流線后與液滴發(fā)生碰撞的最遠(yuǎn)軌跡。若含塵氣流中存在著一液滴，氣流線會在也低的位置處發(fā)生偏移，氣流中的粉塵由于密度較大，其在運(yùn)動慣性的作用下便會朝著液滴（捕集體）方面移動，粉塵中所有質(zhì)量不小于m 顆粒均會與液滴之間發(fā)生碰撞而被液滴捕捉[1-2]，具體液滴捕塵機(jī)理如圖1 所示。

圖1 粉塵慣性碰撞和液滴捕塵機(jī)理示意圖

回采工作面噴霧灑水技術(shù)是通過灑水將粉塵與水霧顆粒間出現(xiàn)凝結(jié)而發(fā)生沉降，因此水霧噴灑的除塵效果主要取決于粉塵顆粒與水霧顆粒間的凝結(jié)效率。當(dāng)僅采用移動速度恒定、不帶電的水霧顆粒進(jìn)行捕塵時，其對直徑>10μm 的粉塵具有較高的捕塵效率，但其對顆粒為直徑<10μm 的粉塵捕塵效率較低，即對呼吸性粉塵的降塵效率較低；當(dāng)采用帶電的水霧顆粒進(jìn)行降塵時，由于靜電對塵粒靜電的吸引，能夠使得水霧顆粒的集塵效率得到有效的改善。

根據(jù)相關(guān)研究表明[3- 4]，通過提高單顆粒水霧的帶電量能夠顯著的提高其捕塵效率，水霧電荷比與注水壓力之間的關(guān)系曲線如圖2 所示，從圖2 中能夠看出，在噴霧水壓力在10MPa 的范圍內(nèi)，電荷數(shù)會隨著噴霧水壓力的增大而逐漸增大，基于此可知采用提高噴霧水壓力的方式能夠提高水霧電荷比，進(jìn)而提高噴霧灑水的降塵效率。

基于上述分析，結(jié)合3218 工作面特征，確定工作面采用高壓噴霧灑水系統(tǒng)進(jìn)行防塵，設(shè)置噴霧水壓力為 6～7MPa。

3 防塵方案與效果

3.1 噴霧除塵系統(tǒng)

本次3218 工作面噴霧除塵系統(tǒng)主要包括滾筒采煤機(jī)機(jī)身噴霧除塵系統(tǒng)、滾筒噴霧除塵系統(tǒng)和液壓支架噴霧除塵系統(tǒng)。具體各個系統(tǒng)的參數(shù)如下：

1）采煤機(jī)身噴霧除塵系統(tǒng)。

采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)的主要作用為在割煤作業(yè)前，通過噴霧灑水對煤壁進(jìn)行預(yù)先濕潤，以此在粉塵的源頭位置對粉塵的產(chǎn)生進(jìn)行抑制，3218 工作面采煤機(jī)身的處安設(shè)高壓電介霧化噴嘴，設(shè)置噴霧壓力為6～7MPa，噴嘴間距500mm，噴霧系統(tǒng)的噴角為35°，噴霧系統(tǒng)在該間距和噴角下能夠覆蓋整體采煤機(jī)，具體采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)示意圖

2）滾筒噴霧除塵系統(tǒng)。

本次滾筒處安設(shè)三級水幕，通過三級噴霧系統(tǒng)對粉塵進(jìn)行攔截和潤濕，設(shè)置噴水壓力為6～7MPa，以充分使得空氣中的粉塵與水滴進(jìn)行接觸，進(jìn)而使得濕潤后的粉塵與其余的粉塵相接觸，逐漸形成粉塵顆粒團(tuán)，最終使得粉塵在重力中的作用下沉淀，具體三級水幕和噴嘴效果如圖4 所示。

圖4 三級水幕和高壓噴水示意圖

通過采煤機(jī)滾筒上的安設(shè)粉塵濃度傳感器，設(shè)置在采煤機(jī)割煤作業(yè)時若粉塵濃度超過2mg/m3時，便自動啟動一級噴涂防塵噴嘴，當(dāng)粉塵濃度超過3mg/m3時，在一級噴嘴運(yùn)行的情況下，啟動二級除塵噴嘴，以此形成二級防塵水幕，當(dāng)采煤機(jī)作業(yè)時，粉塵濃度大于4mg/m3時，設(shè)置自動啟動三級噴霧系統(tǒng)，形成三級防塵水幕，若通過噴霧系統(tǒng)將粉塵濃度降低至2mg/m3以下時，便自動關(guān)閉一二三級除塵噴嘴。

3）液壓支架噴霧除塵系統(tǒng)。

工作面采煤機(jī)割煤作業(yè)后，存在一部分割煤作業(yè)產(chǎn)生的粉塵會隨著風(fēng)流傳播至回采工作面作業(yè)位置處，現(xiàn)為治理該部分區(qū)域的粉塵，通過在液壓支架的鉸接梁和前探梁處安設(shè)噴嘴，設(shè)置每天液壓支架均安設(shè)高壓噴嘴，即設(shè)置液壓支架處噴嘴的間距為1.3m，支架除塵噴霧系統(tǒng)安設(shè)在采煤前方3m的位置處，設(shè)置噴水壓力為6～7MPa。在工作面回采過程中，若出現(xiàn)工作面區(qū)域粉塵濃度過大現(xiàn)象時，此時通過粉塵濃度傳感器將其粉塵濃度數(shù)據(jù)傳遞至PLC 控制器上，進(jìn)而通過控制器對液壓支架的噴霧范圍進(jìn)行增大，以此保障除塵效率的最大化。

3.2 效果分析

3218 工作面回采期間，進(jìn)行噴霧系統(tǒng)采用前后工作面區(qū)域粉塵濃度的測定作業(yè)，根據(jù)測試作業(yè)能夠得出不同位置處全塵和呼吸性粉塵的濃度數(shù)據(jù)，具體工作面噴霧系統(tǒng)采用前后粉塵濃度的數(shù)據(jù)如表1 所示。

通過分析表1 中的數(shù)據(jù)可知，在工作面采用了噴霧系統(tǒng)后，降塵效果顯著，工作面各個區(qū)域處與未采用降塵系統(tǒng)前相比，降塵率平均約為65.4%。據(jù)此可知，3218 工作面在采煤機(jī)身噴霧除塵系統(tǒng)、滾筒噴霧除塵系統(tǒng)和液壓支架噴霧除塵系統(tǒng)下，有效解決了工作面回采期間粉塵含量高的問題，優(yōu)化了回采作業(yè)環(huán)境。

表1 3218 工作面噴霧灑水防塵系統(tǒng)使用前后粉塵濃度分布

4 結(jié) 論

根據(jù)3218 綜采工作面的具體地質(zhì)條件，通過具體分析噴霧灑水防塵機(jī)理，確定工作面采用高壓噴霧灑水降塵技術(shù)進(jìn)行粉塵防治，結(jié)合工作面情況，具體進(jìn)行采煤機(jī)身噴霧除塵系統(tǒng)、滾筒噴霧除塵系統(tǒng)和液壓支架噴霧除塵系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)工作面采用噴霧除塵系統(tǒng)前后的粉塵濃度測試，得出3218工作面噴霧灑水降塵系統(tǒng)降塵效果顯著，優(yōu)化了工作面回采作業(yè)環(huán)境。