梁北矿大采高松软突出煤层工作面综合防尘技术

段 纵,王超群，戴正烈

(1.云南东源煤电股份有限公司,云南 昆明 650224；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116；3.华北科技学院,北京 东燕郊 101601)

0 引言

国内外实践证明，在综采工作面采取除尘器的防尘措施是不可行的[1]。据梁北矿二1煤层煤尘物理性质测定结果，二1煤层为松软煤层(f=0.24<0.4)，为可不注水煤层。因此，在二1煤层综采工作面利用工作面内的浅孔抽放钻孔进行煤壁注水后，工作面的粉尘尤其是呼吸性粉尘浓度仍然很高，必须通过喷雾降尘等措施来继续降低工作面的粉尘浓度。由于低压喷雾对于呼吸性粉尘除尘效率很低，因此国际上普遍采用高压喷雾技术来进一步抑制粉尘的产生和有效降低粉尘浓度，特别是呼吸性粉尘的浓度。目前最有效的措施是高压外喷雾结合最先进的尘源智能跟踪技术。

1 梁北矿111081综采工作面概述

11081综采工作面位于梁北矿11采区西翼，工作面走向长850 m，倾斜长130 m，采用走向长壁综合机械化采煤法，一次采全高后退式工艺，采高2.7～5.0 m，一般采高4.8 m，截深0.8 m，工作面配风量为2000 m3/min，瓦斯涌出量为8～10 m3/min，采用本煤层抽放、工作面浅孔抽放、上隅角抽放以及风巷高位钻孔立体抽放等瓦斯综合防治措施。工作面所采区段煤层瓦斯压力约为1.75 MPa，瓦斯含量为5.52～9.94 m3/t，平均瓦斯含量为7.73 m3/t，硬度系数为0.168～0.24，具有煤与瓦斯突出危险性。煤尘具有爆炸危险性(爆炸指数为17.19%～18.42%)。

针对11081综采面大采高、松软、具有煤与瓦斯突出危险性等特性，梁北矿已经采用了一系列防尘措施：煤体注水、采煤机内外喷雾、架间喷雾、风流净化喷雾以及转载点喷雾等措施。但是由于煤层具有憎水性，煤体注水后开采过程中煤尘浓度下降并不明显；虽然综采面已经采用负压捕尘器引射降尘，取得一定的降尘效果，但是由于工作面煤层煤质松软，采高较大，工作面的煤壁现象严重，且具有突出危险，工作面风速较高，也加剧了煤尘飞扬速度及浮游范围，另外由于采煤机上安装的负压捕尘器主要控制刮板运输机，外喷雾器喷雾水压偏低，喷嘴选取不当，雾粒太细，抗风能力差，无法有效喷射到滚筒上。因此11081综采工作面虽然采取了很多降尘措施，但降尘效果仍然不够理想，工作面生产期间产生的粉尘在650～1000 mg/ m3，浓度严重超标[2]。

2 梁北矿11081工作面产尘特点及粉尘分布

已有研究表明，综采工作面风流系统内的煤尘来源主要有以下个方面[3]：

1) 采煤机割煤时产生的；

2) 在升架、推架、移架以及前后可弯曲刮板输送机向前推移的过程中产生的煤尘, 约为总粉尘量的10%；

3) 各转载点落煤、破碎机破煤等环节产生的煤尘。

通过对11081综采工作面现场实际测试，作业过程中主要产尘点是工作面煤壁垮落产尘和采煤机割煤产尘。

3 梁北矿11081综采工作面综合防尘技术

11081综采工作面为具有煤与瓦斯突出危险性的大采高、松软综采工作面，产尘量大，扩散速度快，要求喷雾控制范围大，采用采煤机高压外喷雾降尘技术可从平面上对滚筒形成一个水雾包围圈，但由于受风流的影响，滚筒产生的粉尘势必有相当部分逃逸，进入风流中造成污染。通过布置在支架上的喷雾水幕由上而下地再次对滚筒实施强力喷雾，形成更加厚实的水幕包围圈，必将使煤体更加湿润，产尘量显著减小，即所谓的三维“立体”降尘技术。因此，对于11081综采工作面综合防尘的主要措施就是采取采煤机高压外喷雾降尘技术与采煤机尘源跟踪降尘技术相结合。

3.1 采煤机高压外喷雾降尘技术

3.1.1 高压喷雾降尘机理

喷雾降尘过程是喷嘴喷出的液压雾粒与固态尘粒的惰性凝结过程。尘粒湿润，由于自重增加被沉降，叫凝聚作用。其次，当风流携带尘粒向水雾粒运动并离开雾粒不远时就要开始绕水雾运动，风流中质量较大、颗粒较粗的尘粒因惯性作用会脱离流线而保持向雾滴方向运行。如不考虑尘粒质量，则尘粒将和风流同步，因尘粒有体积，粉尘粒质心所在流线与水雾粒的距离小于尘粒半径时，尘粒便会与水雾滴接触被拦截下来，使尘粒附着于水雾上，这就是拦截捕尘作用。对细微粉尘，特别是直径小于0.5 μm的粉尘，由于布朗扩散作用，而可能被水雾粒捕集，这叫扩散捕集。水雾粒与尘粒的凝结效率决定了喷雾洒水的降尘效果，当水雾粒不荷电且运动速度一定时，水雾粒通过惯性碰撞机理、拦截捕尘机理、布郎扩散机理的综合作用来降尘[4]。

低压喷雾时，最初水流紧密，之后由于空气的阻力就分散成雾粒，这些雾粒沿平行于雾流轴的方向运行。当雾粒距喷嘴一定距离而处于衰减区时，运动速度减慢并开始沉降。而高压喷雾的雾流与之不同，从高压喷嘴喷出的高速水流，在很短的距离上就分散成雾粒，并在雾粒后形成一种气流，没有低压喷雾明显的雾流衰减区。水流变成雾流的长度由喷雾压力决定。压力在2.5～3 MPa时，雾流的形式为实心圆锥形，随着压力的增加，可以明显地看到雾流圆锥形部分的长度缩短，雾流变成圆柱形，并有强烈的涡流运动，压力越高，圆柱长度越大，降尘效果越好。高压喷雾降尘效果好的原因是：水在整个雾流长度上都平均分布。低压雾时，实心圆锥形雾流能满足要求，但这种雾流不能保证水的均匀分布，雾流中心水量大，向外依次减小。而高压喷雾在水压力和气流扰动力的共同作用下，水分分布均匀。实验表明，压力从2.5 MPa加大到12.5 MPa，在距喷嘴6 m的雾流水量从0.5 g/m3加大到4.5 g/m3是逐步增加的。

高压喷雾对降低呼吸性粉尘具有显著效果。资料表明不荷电水雾粒对直径为10 μm以下粉尘捕捉效率较低，而对直径l0 μm以上的粉尘具有较高的降尘效率。非呼吸性粉尘是指粒径大于7.07 μm的粉尘，高压喷雾之所以对呼吸性粉尘具有较高的捕集效率主要是因为其雾粒速度高，雾粒粒径小及可有效增加水雾电荷值造成的。试验表明，随着水压的提高，高压喷雾(10～15 MPa)的雾粒速度显著提高，以离喷嘴3 m处的雾粒运动速度为例，雾粒速度由低压喷嘴的1 m/s左右上升到12～20 m/s，提高幅度达12～20倍。同时雾粒粒径随着水压力的提高而减小。当水雾粒荷电后，由于水雾粒对尘粒的静电引力作用，使水雾粒捕尘效率提高。试验表明，水雾电荷值在水压力为7.5～12.5 MPa范围内，随着压力的提高而显著上升。因此，提高水压力是提高水雾电荷值，即提高水雾荷质比的重要途径，这就是高压喷雾对降低呼吸性粉尘具有显著效果的原因所在[5]。

高压喷雾降尘系统主要由高压水泵、水质过滤器、供水水箱、高压喷雾负压降尘装置、高压胶管、压力表等组成。由水箱向高压水泵供水，高压水通过供水管路输送到高压喷雾装置上，从而实现高压喷雾。同时，为了克服原有外喷雾器喷嘴选取不当，雾粒太细，抗风能力差，无法有效喷射到滚筒上的问题，采用G型高压喷嘴，可以根据现场实际调节喷嘴的内芯，改变雾化效果和喷嘴的有效射程，以提高其抗风性，使高压水雾能够全面覆盖割煤产尘点。

3.1.2 高压外喷雾降尘系统

高压引射降尘系统综合了高压喷雾与负压引射降尘的特点，降尘器形成的高速水雾流可引射工作面的含尘气流，同时喷雾流在采煤机截割滚筒周围形成均匀的喷雾水幕，其雾流具有雾粒细、水量较小、覆盖面积大的特点，既具有良好的控尘作用，又有较高的降尘作用，因此具有较高的降尘效率[7]。

1) 采煤机上滚筒负压引射降尘

在11081综采工作面采煤机上滚筒安装了煤炭科学研究总院重庆研究院开发生产的CPC型采煤机负压引射降尘器。该降尘器主要由保护壳、引射装置、管路系统及高压喷嘴等组成，主要参数：工作压力：8～15 MPa；喷雾流量：20～35 L/min；射程：6 m。本次安装利用采煤机原有的负压捕尘器的高压管路，在管路上接三通，将高压水引到CPC型采煤机负压引射降尘器，工作水压大约为12 MPa，喷射的水雾能够较好地到达滚筒位置并覆盖滚筒，有效抑制滚筒割煤时产生的粉尘。图1为采煤机上滚筒负压引射降尘器安装示意图。

2) 采煤机下滚筒含尘气流控制

由于工作面风量大，风速高，逆风向割煤条件下，滚筒上的降尘器由于受到风流的影响，高压水雾较难喷到滚筒，无法有效的覆盖滚筒，且喷雾对风流的阻挡作用，迫使风流携带水雾及滚筒产生的粉尘迅速向人行道扩散，导致人行道和司机位置粉尘浓度大，水雾大，司机位置作业环境恶劣，针对这种情况采取了含尘气流控制技术。与采煤机逆风向摇臂相平行，装设一根喷雾管，上面装有可调节方向的喷嘴，通过合理布置喷嘴的位置、角度及正确选择其流量等参数，而迫使采煤机割煤时产生的含尘气流沿煤壁流动，并在引射喷雾和跟踪喷雾的作用下进行有效的降尘，减少对司机的危害，如图2、3所示。

图1 采煤机上滚筒负压引射降尘器安装示意图

图2 下滚筒含尘气流控制示意图

图3 采煤机高压喷雾引射降尘及含尘气流控制

3.2 采煤机尘源跟踪降尘系统

为了控制工作面煤壁片帮时的粉尘扩散和采煤机割煤时的粉尘扩散，安装了采煤机尘源跟踪降尘系统。由于工作面煤体松软，煤壁采用液压支架的护帮板支护，当采煤机割煤经过时收起护帮板，通过后放下护帮板。在综采工作面液压支架上安设自动喷雾装置，喷雾装置通过FPY-2型液压支架自动喷雾控制阀与液压支架的护帮板相连接，当液压支架护帮板收起时，高压液就会自动打开控制阀，使喷雾装置与高压供水管路连通开始喷雾，护帮板放下时，控制阀切断高压供水管路，停止喷雾降尘。

为了提高雾化效果和降尘效率，采用水压大于10 MPa的高压水。考虑到耗水量，专门安装一台高压喷雾泵，单独铺设一条管路到工作面液压支架处供采煤机尘源跟踪降尘系统使用。随着采煤机的移动，液压支架上的喷雾也随之移动，使得采煤机滚筒始终处于水雾覆盖中，从而实现了采煤机尘源跟踪降尘，尘源跟踪系统安装示意图如图4所示。图5和6分别为综采工作面采煤机综合防尘效果示意图和综合防尘管路连接图。

图4 尘源跟踪系统安装示意图

图5 采煤机综合防尘效果示意图

图6 11081综采面综合防尘管路连接示意图

11081工作面采煤机尘源跟踪喷雾具体安装位置：工作面从5#液压支架起，每隔5架安装一个负压捕尘器，共15个；尘源跟踪喷雾从11#～72#液压支架，每架安装一个，装捕尘器的除外，共50架。

4 工作面综合防尘技术现场实践

采用直读式粉尘浓度测量仪测量工作面割煤时的粉尘浓度，11081综采工作面只采用原有的降尘措施时的粉尘浓度平均值为668.1 mg/m3(如表1)，采取以上综合防尘措施后工作面采煤时的粉尘浓度平均值降到118.7 mg/m3(如表2)，降尘效率达到82.2%。工作面工作环境得到了很大的改善，为保障职工的身体健康和促进矿井的安全生产将起到非常积极的作用[8]。

表1 11081综采工作面原始粉尘浓度测量记录

表2 11081综采工作面采取综合防尘措施后粉尘浓度测量记录

5 小结

1) 高浓度粉尘不仅使综采工作面的作业环境急剧恶化, 容易导致煤矽肺病, 而且增加了煤尘爆炸的风险，为了解决11081综采工作面粉尘浓度高的问题，在现场测试和理论分析的基础上，定性给出了大采高、松软突出煤层综采工作面的产尘特点和扩散规律，指出综采面采煤作业过程中主要产尘点是工作面煤壁垮落产尘和采煤机割煤产尘。

2) 分析了煤壁垮落产尘特点，包括顺风和逆风条件下割煤煤炭垮落产尘及含尘气流运动特征，并分析了采煤机割煤产尘中粉尘分布特征。

3) 提出综采工作面三维“立体”控尘、防尘技术，即含尘气流控制技术、采煤机高压外喷雾降尘技术和采煤机尘源跟踪降尘技术相结合的综合防尘技术。

4) 在11081综采工作面采取了高压引射喷雾就地灭尘、顺风喷雾控制含尘气流和采煤机尘源跟踪降尘等多种措施相结合的综合防尘技术，取得了良好的防尘效果，在原有降尘措施基础上降尘效率提高了82.2%，工作面工作环境得到了很大的改善。

[1] 吴百剑.综采工作面粉尘分布规律研究[D].北京:煤炭科学研究总院,2008.

[2] 李德文.煤尘防治技术的最新进展[J].矿业安全与环保，2000,27(1):10-12.

[3] 梁顺，黄洋,等.综放工作面降尘技术应用现状及其发展[J].煤矿安全，2010,(7):116-119.

[4] 蒋仲安,金龙哲,陈立武,等.掘进巷道粉尘控制技术的研究[J].中国安全科学学报, 1999, 9(1): 11-15.

[5] 蒋仲安,金龙哲,袁绪忠,等.掘进巷道中粉尘分布规律的实验研究[J].煤炭科学技术, 2001, 29(3): 43-45.

[6] 杜计平, 孟宪锐. 采矿学[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2009.

[7] 李德文.煤尘防治技术的最新进展[J].矿业安全与环保，2000,27(1):10-12.

[8] 赵有业.粉尘的特性与危害[J].矿业安全与环保，2000.27(1):18-19.