玉溪煤礦1301工作面粉塵分布規律及噴霧降塵技術研究

范敬豐

(山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000)

1 工程概況

山西蘭花科創玉溪煤礦1301工作面位于3號煤層一盤區，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°，煤層內含有1層夾矸，平均厚度為0.28 m，3號煤堅固性系數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，循環進度0.6 m，通風方式采用“兩進三回”，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生大量的粉塵，為優化回采作業環境，現進行工作面粉塵分布規律的分析及噴霧降塵技術的設計與應用。

2 粉塵分布規律

為充分掌握1301工作面回采作業時工作面粉塵分布規律，首先需掌握工作面風流場的分布規律，現采用現場測試的方式在工作面走向方向上設置13組測點，在進行測點布置時，在工作面進風巷開始向著回風巷方向每隔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置13個單元，在每個單元內布置1組測點，1組測點包括2個測試位置，分別位于支架人行側和溜槽的位置，具體工作面測風點位置如圖1所示。

圖1 1301工作面測風點布置位置示意

根據測試結果及對測試數據的處理，能夠繪制出工作面的風量變化圖，如圖2所示。

圖2 工作面風量變化曲線

分析圖2可知，由工作面進風巷向回風巷方向，隨著距離的增大，工作面內的風量呈現出先減小后增大的趨勢，且在工作面進風口和回風口的附近區域變化較小，在工作面中部區域風量的變化相對較為平緩，出現這種現象的主要原因為沿著工作面的面推進方向，采空區存在漏風現象，導致工作面內的總風量會不斷減小，當到工作面的某一點后漏入采空區的風流匯入工作面的總風流中，進而又會出現風量增大的現象，工作面內的風量整體呈現為U型分布。

現為全面掌握工作面粉塵分布規律，在工作面內設置16個粉塵濃度測試點，每個測點分別對支架人行道和溜子道進行粉塵濃度的測試，粉塵濃度測試分別在采煤機順風割煤和逆風割煤時進行，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布置，如圖3所示。

圖3 粉塵濃度測試點布置位置示意

工作面在順風割煤時和逆風割煤時，滾筒周圍區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，工作面在進行順風割煤時，后滾筒區域的粉塵濃度分布如下：在溜槽的順風方向上，隨著風流的擴散作用，截割產生的粉塵逐漸擴散，進而使得粉塵的濃度逐漸升高，其中粉塵濃度最大的區域為230 mg/m3，在工作面風流方向上粉塵在風流作用下逐漸向采空區擴散，在采煤機司機位置處，粉塵濃度在200 mg/m3，隨后粉塵濃度逐漸下降并趨于穩定，在液壓支架人行道內粉塵濃度的變化趨勢基本相同，但該位置區域粉塵濃度相對較低，且粉塵具有一定的停滯；順風割煤前滾筒區域粉塵濃度如下：在溜槽內，采煤機截割產生的粉塵開始逐漸降低，當進入滾筒中部區域粉塵濃度最低，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到最大值，為370 mg/m3；在支架人行道內的粉塵濃度分布規律基本也呈現為該種變化特征。

分析圖4(b)可知，沿著風流的方向，從采煤機后滾筒向前滾筒的測塵區域內，粉塵濃度呈現為增大的趨勢，該點與工作面順風割煤下的粉塵濃度分布規律類似，但其與順風割煤下粉塵濃度的差別為逆風割煤下粉塵會產生劇烈的變化，其中粉塵濃度審稿較快的區域為前滾筒，且逆風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，采煤機區域粉塵濃度分布無論在順風割煤和逆風割煤下分布規律大致相似，均呈現為粉塵濃度現逐漸升高，隨后小幅降低后再逐漸上升，最后區域平穩，另外結合風量分布和粉塵濃度測試結果可知，工作面內在剛進入采煤機區域時的粉塵濃度較大，在采煤機中部，粉塵濃度又呈現出一定幅度的降低，最后在后滾筒區域粉塵濃度又逐漸升高，最后達到穩定，另外根據支架人行道的粉塵分布可知，在采煤機搖臂與刮板輸送機之間粉塵濃度也較高。

3 噴霧降塵技術

3.1 噴霧系統設計

基于上述工作面粉塵濃度分布規律的測試結果可知，工作面粉塵高濃度區域主要分布在采煤機前方、滾筒處和采煤機搖臂與刮板輸送機之間，據此工作面的噴霧降塵系統便主要針對這三個區域，現通過合理的布置噴嘴，實現氣水噴霧對該三個區域的有效覆蓋。

本次噴霧降塵系統的噴嘴采用具有壓氣霧化的噴嘴，該類噴嘴產生的水霧顆粒在7～50 μm之間，根據眾多試驗研究結果表明[3-4]，該類噴嘴能夠產生的霧化角在40～50°，本次噴霧系統采用的水壓在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。基于噴霧降塵重點覆蓋區域，分別在采煤機滾筒前方、滾筒處和采煤機搖臂與刮板輸送機間進行噴嘴的設計，具體設計參數如下：

1) 滾筒前方：采煤機滾筒前方至治理工作面粉塵沉降的關鍵，為實現噴嘴可對滾筒全部包裹，根據滾筒前方噴霧覆蓋范圍進行計算[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為采煤機搖臂的長度，l為噴霧安設位置距采煤機主體邊緣的距離；結合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，據此在該區域設置一排兩個噴嘴進行降塵。

2) 滾筒處噴霧設計：滾筒處噴嘴設置時，其噴嘴的安設角度、仰角等參數計算原理如圖6所示。

圖6 采煤機滾筒區域噴嘴安裝參數計算示意

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現，故而在該區域布置兩排噴嘴，每排布置兩個噴嘴，以達到覆蓋滾筒的目的。

3) 采煤機搖臂與刮板輸送機間：基于本次使用噴嘴的霧化角在30～40°之間，設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塵點，故而設計在0°下方增加一個噴嘴。

基于上述設計，通過3D建模，得出工作面噴霧系統的布置形式，如圖7所示。

圖7 噴霧系統噴嘴布置形式示意

3.2 效果分析

為驗證噴霧降塵系統的應用效果，在粉塵濃度分布現場測點的布置位置，在噴霧系統實施后，再進行粉塵濃度的測試作業，得出工作面順風割煤和逆風割煤時溜槽與支架人行道側的降塵率，現選取1號、3號、8號、10號、14號5個點具體分析，測點的降塵率如表1。

表1 工作面采用噴霧系統后的降塵率

分析表1可知，工作面采用噴霧降塵系統后，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 語

根據1301工作面的賦存特征及開采條件，通過工作面粉塵濃度現場測試的方式得出工作面粉塵高濃度區域主要分布在采煤機前方、滾筒處和采煤機搖臂與刮板輸送機之間，基于粉塵濃度分布規律，進行噴霧系統的設計，在噴霧系統實施后，通過粉塵濃度測試得出，噴霧降塵效果顯著，優化了回采作業環境。