2-216工作面粉塵分布規(guī)律及防塵技術(shù)應(yīng)用

常高峰

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦2-216綜采工作面位于310水平二采區(qū)，開采2#煤層，煤層厚度為3.8～4.3 m，煤層穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層夾矸，其中第二層夾矸層位較穩(wěn)定，厚度稍大，為低硫肥煤，煤層頂板巖層為泥巖、中砂巖和K8中細(xì)砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，工作面瓦斯相對(duì)涌出量為0.28 m3/t，絕對(duì)涌出量為0.73 m3/min；2#煤層煤塵具有爆炸性，煤層自燃等級(jí)為Ⅰ級(jí)。2-216工作面采用大采高一次采全高采煤工藝。為防止工作面回采過程中產(chǎn)生的粉塵濃度過大，特對(duì)工作面的粉塵分布規(guī)律進(jìn)行分析，并采用噴霧防塵技術(shù)進(jìn)行降塵。

2 工作面粉塵分布規(guī)律

綜采工作面在進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)，主要的產(chǎn)塵環(huán)節(jié)包括采煤機(jī)落煤、液壓支架移架、裝煤和運(yùn)煤等。整個(gè)礦井中的粉塵基本來(lái)源于采掘工作面，采掘工作面產(chǎn)生的粉塵量占到整個(gè)礦井粉塵量的80%[1-2]。為優(yōu)化工作面作業(yè)環(huán)境，掌握綜采工作面回采作業(yè)時(shí)粉塵分布規(guī)律，現(xiàn)在2-216工作面布置9個(gè)粉塵濃度采樣儀，分別為：前部溜尾（距進(jìn)風(fēng)巷10 m）、采煤機(jī)司機(jī)處、落煤處（采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m）、移架處、多工序處、前部溜頭（回風(fēng)側(cè)）、破碎機(jī)處、轉(zhuǎn)載機(jī)處和回風(fēng)巷處，見圖1。

圖1 2-216工作面粉塵采樣點(diǎn)位置

本次粉塵濃度測(cè)定以質(zhì)量濃度進(jìn)行表征，采用濾膜計(jì)重測(cè)塵法，采用型號(hào)為AKFC-92型礦用粉塵采樣器，其測(cè)塵原理為：在測(cè)塵點(diǎn)抽取一定體積的含塵空氣，通過將粉塵阻流在已知質(zhì)量的濾膜上，此時(shí)根據(jù)采樣器中濾膜增加的質(zhì)量能夠計(jì)算出粉塵的質(zhì)量[3-4]，具體計(jì)算見式（1）：

式中：C為粉塵質(zhì)量濃度，m1和m2為分別為采樣后和采樣前濾膜的質(zhì)量；t為采樣器采樣時(shí)間；Q為采樣器采樣流量。

降塵方案實(shí)施前各測(cè)點(diǎn)粉塵濃度見表1。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)能夠繪制出工作面沿程粉塵濃度變化曲線見圖2。

表1 降塵方案實(shí)施前2-216工作面沿程粉塵濃度分布數(shù)據(jù)

分析表1和圖2可知，工作面回采作業(yè)時(shí)主要的產(chǎn)塵源位于工作面的中部區(qū)域。由工作面進(jìn)風(fēng)巷往回風(fēng)巷方向，全塵濃度呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)，呼吸性粉塵濃度同樣表現(xiàn)為相同的變化趨勢(shì)；工作面回采作業(yè)時(shí)，粉塵濃度較高的位置主要出現(xiàn)在落煤處（采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m）、移架處和多工序處；綜采工作面沿程風(fēng)流流動(dòng)過程中，空氣中粉塵在自身重力沉降和水幕簾的作用下，粉塵濃度會(huì)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，在工作面回風(fēng)巷側(cè)全塵濃度降低至106.5 mg/m3。

圖2 2-216工作面沿程粉塵濃度分布曲線

基于上述分析可知，在制定2-216工作面回采期間降塵方案時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)粉塵濃度較高的落煤處（采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m）、移架處和多工序處，采取合理降塵措施。

3 噴霧防塵技術(shù)應(yīng)用

3.1 噴霧降塵方案

2-216工作面液壓支架移架和多工序處于采煤機(jī)割煤下程，分析可知該兩處粉塵大部分是因?yàn)椴擅簷C(jī)割煤作業(yè)產(chǎn)生的，因此確定在采煤機(jī)上設(shè)置負(fù)壓噴霧二次降塵裝置。該降塵裝置是通過高速水射流卷吸和負(fù)壓對(duì)粉塵進(jìn)行吸收，達(dá)到降塵的目的[5-6]，二次降塵裝置參數(shù)如下：

（1）裝置吸風(fēng)量：采煤機(jī)在進(jìn)行割煤作業(yè)時(shí)，采煤機(jī)滾筒上存在著螺旋葉片，能夠促使粉塵向外擴(kuò)散，滾筒的排風(fēng)量計(jì)算見式（2）：

式中：Q為采煤機(jī)滾筒排風(fēng)量；L為葉片之間螺距；R1、R2為滾筒葉片半徑和輪轂半徑；b為葉片螺旋條數(shù)；v為采煤機(jī)運(yùn)行速度；δ為葉片的厚度；β為葉片平均角度；B為滾筒截深；D為滾筒尖齒直徑；n為滾筒運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

根據(jù)2-216工作面采煤機(jī)設(shè)備及滾筒特征，取R1、R2分別為0.9 m 和0.5 m，b=3，L=0.225 m，n=38.3 r/min，δ=0.02 m，β=14°，B=0.63 m，b=3，v=4 m/min，D=1.82 m，代入式 （2）計(jì)算得出Q=36.7 m3/min。由于負(fù)壓降塵裝置產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)與滾筒產(chǎn)生的渦旋風(fēng)流場(chǎng)距離可控性較弱，故吸塵裝置的吸風(fēng)量設(shè)計(jì)為滾筒排風(fēng)量的2倍左右，即為80 m3/min左右。

（2）噴嘴噴射方向及數(shù)量：根據(jù)負(fù)壓二次降塵機(jī)理[5-6]，為實(shí)現(xiàn)工作面最佳的降塵效果，需選用合理噴嘴氣壓和水流量。由于產(chǎn)塵源的面積較大，同時(shí)考慮用水量以及完全覆蓋塵源要求，應(yīng)在節(jié)水的情況下使其霧化面積最大，將粉塵濕潤(rùn)使其沉降，形成“水霧墻”以完全阻擋塵源的擴(kuò)散。噴嘴在噴管內(nèi)噴出的水霧形狀見圖3。

圖3 采煤機(jī)噴嘴霧化屏障

考慮到噴霧墻形成后用水量的合理性和有效性，在采煤機(jī)上部設(shè)置兩個(gè)噴霧降塵裝置，每個(gè)裝置設(shè)置5個(gè)噴嘴，共計(jì)布置10個(gè)噴嘴。每個(gè)裝置中的4個(gè)噴嘴與煤壁方向平行，進(jìn)而有效形成水霧墻體，以充分阻止采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵向溜槽和支架方向移動(dòng)，裝置上另1個(gè)噴嘴向刮板輸送機(jī)和煤塊的撞擊區(qū)域噴霧。

（3）降塵噴箱：為方便使用，降塵箱體規(guī)格為長(zhǎng)×寬×高=0.4 m×0.3 m×0.7 m，箱體應(yīng)能夠容納全部噴嘴，噴嘴內(nèi)徑為100 mm，長(zhǎng)度為300 mm，箱體應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)防頂、防砸和調(diào)角的功能，見圖4。

圖4 降塵噴箱外形結(jié)構(gòu)

3.2 降塵效果

采用負(fù)壓噴霧二次降塵技術(shù)后，分別測(cè)定2-216工作面9個(gè)測(cè)點(diǎn)的全塵濃度和呼塵濃度，結(jié)果見圖5。

圖5 負(fù)壓二次降塵技術(shù)使用前后粉塵濃度曲線

由圖5可知，工作面采用負(fù)壓噴霧二次降塵技術(shù)后，工作面全程各區(qū)域的呼塵和全塵濃度均呈現(xiàn)一定程度的降低，降塵率較大的區(qū)域?yàn)椴擅簷C(jī)割煤區(qū)，該區(qū)域降塵率達(dá)到60%～80%，其次為液壓支架的移架區(qū)域。采用負(fù)壓噴霧二次降塵技術(shù)后，工作面回采期間全程全塵和呼塵濃度最大值分別為212 mg/m3和159 mg/m3，粉塵濃度降低至合理范圍內(nèi)，降塵效果顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)2-216工作面地質(zhì)條件及煤層賦存情況，通過分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的工作面粉塵分布規(guī)律，可知工作面回采期間粉塵濃度較高區(qū)域?yàn)椴擅簷C(jī)割煤、液壓支架移架和多工序處，結(jié)合負(fù)壓噴霧降塵原理，進(jìn)行工作面降塵方案的設(shè)計(jì)。對(duì)比、分析降塵方案實(shí)施前后各測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度，結(jié)果表明：降塵方案實(shí)施后，工作面回采期間全程全塵和呼塵濃度均在合理范圍內(nèi)，工作面降塵效果顯著。