綜采工作面綜合防塵技術應用研究

李永強

（晉能控股煤業集團 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，結構簡單，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，層狀結構，塊狀構造，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，夾矸為砂質泥巖或泥巖，為結構較簡單的薄煤層，生產過程中產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，凈化工作面的環境，對11305 綜采工作面進行粉塵濃度分布規律的調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干擾，抽樣完成之后將含有粉塵的空氣進行單獨放置，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境的不確定性帶來的干擾，以3 組抽樣數據為基準，優化計算試驗結果，當各試樣間的差值小于20%時，可認為數據合理，可以采用，具體差值的計算公式如下[3-4]：

式中：Δg 為樣品計算的結果之差；C1、C2、C3為樣品的計算結果，mg/m3；

為測定11305 綜采工作面在回采工程中各區域的粉塵濃度分布，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 結果分析

（1） 工作面方向。

依據上述設計方案，將粉塵濃度測試儀在各處3 次的顯示測定結果記錄下來，數據見表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，采煤機滾筒在割煤作業時，在采煤機滾筒附近，隨著距離的增加，粉塵濃度會有急劇增加的趨勢，在峰值區域內最大濃度可達1200 mg/m3，峰值的平均值為980 mg/m3。達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，煤塵在推力及風的作用下逐漸向遠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，從而導致粉塵濃度降低，滾筒后約30 ～40 m 處降至最低值，此處特點是粉塵濃度較低、粒徑小及顆粒不均勻系數小。

在工作面遠處，即超過上述濃度低值區域后，由圖1（c） 可知，隨著距離的繼續增加，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域，采煤機滾筒的影響小，其次是經過前述區域的自重沉降后，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，造成形成峰值的區域會有較大的誤差。根據現場探測結果可知，該區域粉塵分布特點呈移動速度快、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，經過3 次粉塵濃度的測定，結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 技術方案和降塵效果

3.1 技術方案

依據工作面不同區域粉塵濃度的分布特點，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。

（1） 外置噴嘴裝置。

由上述粉塵濃度的分布特點可知，粉塵濃度最大區域位于采煤機工作處，可在采煤機外布置噴嘴裝置，在回采進行同時進行灑水噴霧工作，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噴霧覆蓋區域應該大于采煤機的占用區域；②噴嘴處壓力應該達到不堵塞的滿足條件。

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

圖3 主通風機測量標準性能曲線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。

為防止粉塵進一步擴散至其他區域，在液壓支架間布置一系列噴霧裝置，以阻斷粉塵擴散途徑。機理為噴嘴噴出高壓高速的水霧氣，帶動前方的空氣被推動，在相反方向的區域內短時間內形成負壓，使得后方的粉塵在負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域，并且由于水霧的作用，使得粉塵組成黏粒發生沉降，達到最終降塵的目的。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，噴射水壓設置約為2.8 MPa，吸風口的后部和側部尺寸設為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的測試結果，提取降塵技術采用前后的數據進行對比分析，來驗證11305 綜采工作面的降塵程度。驗證點設定于距離回風巷的15 ～120 m 處，每隔30 m 設置1 處，共5 處，其結果見表2。

表2 噴霧系統實施前后粉塵濃度數據Table 2 Dust concentration data before and after the implementation of spray system

由表2 可知，經過噴霧技術措施處理后，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，可以為相關回采工作面的降塵工作提供理論支持。

4 結 論

（1） 經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急劇增加的趨勢，在濃度峰值最大可達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） 經過采煤機外布置噴嘴和液壓支架間布置噴霧噴嘴的降塵技術措施，使得全塵降塵率約達74%，最大粉塵濃度降至110 mg /m3，降塵效果顯著。