煤矿采掘工作面综合防尘技术研究与应用

韩长海 褚 鹏 于衍达

（山东省邱集煤矿有限公司，山东 齐河 251100）

1 概 况

邱集煤矿现有矿井防尘技术无法有效控制现场的高浓度粉尘，存在一些不足：采煤工作面内液压支架喷嘴与喷雾参数选择不合理，导致雾化效果差，未形成全断面雾场；工作面截割、移架产生的粉尘浓度较高，人行道内粉尘易积聚且现有的防尘技术效果不理想，严重危害采煤机司机等工作人员健康；掘进工作面难以有效控制掘进机截割产生的高浓度粉尘，局部通风机压入的风流导致粉尘运移混乱，由于抽风负压的作用范围较小，单独依靠抽尘净化装置控尘效果较差。

在不采用任何防尘措施的情况下，综采工作面产尘占井下产尘总量的80%以上，工作面作业点瞬时原始总粉尘浓度可高达1800mg/m3以上，移架工序个别时刻高达1300mg/m3左右。粉尘严重超标，不仅污染环境，而且危害作业人员身心健康，大大增加了现场工人患尘肺病的概率。邱集煤矿现开采煤层为7、11层，其煤层煤尘爆炸指数均大于35%，具有爆炸危险性，属于矿井重大安全隐患。

2 工作原理

2.1 全断面高效捕尘

本文中尘雾耦合的概念是指在矿井采掘生产作业现场，相对封闭的喷雾场中的雾滴与飞扬的固态尘粒的惰性凝结，会在一定程度上抑制尘粒的表面张力，进而湿润飞扬的尘粒，增加其自重使之沉降。

喷嘴由喷管内向外喷雾时，当水雾的扩散直径不小于喷管内径时，便形成了喷雾活塞，前方的空气被源源不断的水雾推出去，后部形成真空，从而在喷口处形成负压，使含尘气流经吸气部分进入气流引射装置的喷管内。在喷管内，吸入的粉尘受到水雾的反复撞击、碰撞，被强迫与雾滴凝结，喷出管子后，失去了在空气中的悬浮能力，很快沉降下来。同时，被净化的空气与水雾组成的混合物继续由喷管以较高速度喷出，在喷出端形成负压场，卷吸周围的含尘气流进入喷雾场，气流中的粉尘得到进一步的净化，从而实现二次降尘。如图1所示。

图1 机理示意图

2.2 优选喷嘴高效雾化

喷嘴作为喷雾降尘装置的最基本元件，其雾化能力（雾流形状和雾粒大小）直接决定了喷雾降尘的效果。因此，课题组收集国内外典型矿用雾化喷嘴，并精选适于综放工作面的高效喷雾降尘用喷嘴，在矿山灾害预防控制教育部重点实验室，采用基于PDI200MD激光相位多普勒干涉仪的风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降仿真实验装置开展高效雾化喷嘴性能测定试验，测得喷雾场的范围、雾滴的粒度、速度、浓度等数据，优选出适合邱集煤矿综采工作面不同位置的高效降尘用雾化喷嘴并结合试验测试确定合理的喷雾角度、压力等参数，达到粒度-速度-浓度多因素尘雾耦合进而形成全断面雾场。

2.3 综采工作面专用的负压引射除尘技术

根据综采工作面主要工序割煤和移架的产尘量及产尘特点研发出适应综采工作面专用的负压引射除尘技术，其中喷雾作为负压引射除尘技术中的关键所在。根据粒度-速度-浓度尘雾耦合机理，通过喷雾性能测试试验合理设计喷嘴安设位置、角度、数量等，既考虑能得出最优降尘效果，形成覆盖煤壁到液压支柱间全断面空间的喷雾场以及包裹采煤机滚筒的喷雾场，又最大限度节约水量。如图2所示。

基于综掘工作面的风流-粉尘数值模拟运移规律，以及风幕封闭式控尘技术的数值模拟，并依据密闭除尘理论推知，假设将综掘工作面视为一个相对密闭的空间，将其空间内产生的粉尘通过抽出式除尘风机抽出，因而能有效地将掘进过程中产生的粉尘很大程度地捕捉沉降。

图2 架间负压引射除尘技术示意图

2.4 综掘工作面风幕封闭式控尘技术及装备研发

综掘工作面利用风幕封闭式控尘技术和附壁新型轻质风筒形成旋流风幕，从而有效控制截割头产尘向外扩散。附壁新型轻质风筒设计在距掘进头10～60m范围内，可形成有效控尘截割头产尘向外扩散的空气幕，每5～6d移动1次风筒。图3为附壁新型轻质风筒结构示意图。

图3 附壁新型轻质风筒结构示意图

在综掘工作面压抽混合通风除尘方式中，通过附壁新型轻质风筒直吹工作面的轴向风流或全部转为吹向巷道周壁的多径向方向出风，在巷道内形成多向旋流风幕，工作面风流受负压作用被风筒抽出，多向旋流风幕连续向工作面轴向流动，互相影响内部旋流风流场，在更短的距离内，将其快速转变为控制粉尘污染效果更好、速度更快的控尘风流场，抑制工作面粉尘飞扬，有效地阻隔尘向人员施工区域扩散。

图4 拟研发的风幕封闭式控尘技术示意图

图4为拟提出的综掘工作面旋流风幕封闭式控尘技术示意图。现场实际安装位置将会在针对综掘工作面的数值模拟后，在控尘最有效的位置进行安装。

通过研发综掘工作面风幕封闭式控尘技术及形成旋流风幕的附壁新型轻质风筒，建立适于综掘工作面风幕封闭式控尘技术体系，控制截割头产尘向外扩散的风幕，有效控制现场高浓度粉尘。

3 效益分析

该综合技术工艺已在本矿井采掘工作面全面使用，通过在采掘工作面布点检测，各个检测点的平均降尘率为63.6%，呼尘平均降尘率为72.5%，工作环境得到了很大程度的改善，有效减少作业区域粉尘飞扬对作业职工造成的身体伤害，同时也给企业降低因职工过量吸入煤（岩）尘产生的医疗费用和赔偿，更有效地降低了采掘工作面煤尘爆炸的可能性，对现场施工安全起到有力保障。

4 结论

该项矿井综合防尘技术的研究成果在邱集煤矿的成功应用，为开采7号煤层和11号煤层及相邻矿井企业的粉尘防治提供了工艺方法和技术方案，并给具有煤尘爆炸隐患的在生产矿井提供了借鉴，为矿井降尘措施的实施、优化以及现场生产实践提供参考依据，具有一定的推广应用价值。