武甲煤矿3101综采工作面高压喷雾降尘技术

王晋波

(山西阳泰集团 晶鑫煤业股份有限公司，山西 晋城 048100)

煤炭是我国的主要能源，对我国国民经济的高速发展做出了极大贡献，但是在对煤炭资源的回采过程中，事故发生率也一直居高不下[1]。特别是近些年来随着开采技术的不断进步，开采强度也在不断增强，相应的工作面粉尘浓度也越来越大[2]，对工人的身体健康造成了巨大影响，若不及时对其治理，甚至还可能会引起工作面粉尘浓度爆炸的重大事故，造成难以挽回的损失[3]。因此在回采过程中对粉尘浓度进行及时有效的治理是许多学者的研究重点[4]。

武甲煤矿3101综采工作面在回采过程中粉尘浓度较大，现有的降尘手段无法满足工人对环境的要求。对工作面的粉尘浓度分布规律进行分析，并提出行之有效的治理措施，对矿井安全高效生产具有重要意义。

1 工程概况

3101综采工作面位于武甲煤矿一采区东部，南为实体煤柱，西为3102准备工作面，北为一采区四条大巷，东为矿界，埋深为450 m。工作面地面相对位置位于吕家河村以南，地表为少部分耕地及林地，大部分为山坡。工作面沿走向布置，倾向推进，其中走向布置长度为150 m，倾向推进长度为850 m，所采煤层为3号煤，平均厚度为4.5 m，采用走向长壁后退式一次采全高综合机械化采煤法，所使用的采煤机为MG500/1180-WD型电牵引采煤机，该采煤机往返一次为两个循环。采用端部斜切割三角煤进刀，机组进刀总长度控制在不小于50 m。回采过程中虽然采煤机采用了内外喷雾，但粉尘浓度仍较大，不能有效降低工作面粉尘浓度。

3101综采工作面伪顶为泥岩，厚度0.7 m，直接顶为细砂岩和砂质泥岩，厚度为0.9～14.0 m，底板为泥岩，为较硬岩石，泥岩厚度为6.53 m。共布置两条巷道，为U型通风布置方式，分别为3101进风巷道和3101回风巷道。其中3101进风巷道用于进风、供电、供水、供液、排水和运煤。3101回风巷道用于回风及辅助运料、排水。3101进风巷道和3101回风巷道两巷尾部开凿一条切眼。所有巷道均沿煤层底板掘进。

2 工作面粉尘分布特征现场测试

在对工作面粉尘进行治理前首先必须掌握工作面的粉尘分布特征，由于工作面的割煤方式主要分为顺风割煤和逆风割煤，采煤机割煤时自带的喷雾系统开启和关闭时，分别对工作面的粉尘浓度进行了测试，现场测试共布置4个测点，每个测点沿割煤机滚筒起始位置又分别布置了7个粉尘浓度取样点。其中测点1负责监测机道空间呼吸带粉尘浓度，距地面高度1.5 m处；测点2负责监测行人道空间呼吸带粉尘浓度，距离地面同样为1.5 m；测点3和测点4分别布置在机道空间、行人道空间，距地面0.5 m，测点布置如图1所示。每个测点的粉尘浓度取样点与该测点的水平高度一致，取样点布置如图2所示，测试时以风流的方向为正。

图1 采煤机测点布置示意

图2 工作面顺风割煤时取样点布置示意(m)

测点布置完成后，对工作面割煤时在喷雾和不喷雾两种情况下的粉尘浓度进行了现场监测，以采煤机测点2为例，将所监测得到的数据绘制成曲线，测试结果如图3所示。

图3 工作面顺风全尘不喷雾和喷雾浓度对比曲线

图中x轴为距前后滚筒的距离，从图中可以看出，采煤机司机处的粉尘浓度相对较低，随着与采煤机滚筒距离的增加，粉尘浓度快速上升，在距离滚筒16 m处达到峰值。随着与滚筒距离的继续增加，粉尘浓度急剧下降，当距离滚筒24 m时，粉尘浓度降至低点，随着距离的继续增加，粉尘浓度的变化趋势基本保持平稳。在不喷雾的情况下，工作面粉尘浓度峰值达到了1 430 mg/m3，而喷雾后工作面粉尘浓度仍达到了1 360 mg/m3，采煤机喷雾对工作面粉尘浓度的治理效果较差。

图4为工作面顺风喷雾时4个测点全尘浓度的分布曲线。

图4 工作面顺风喷雾时四个测点全尘浓度的分布曲线

由图4可知，1号测点的全尘浓度最大，其次为3号测点和2号测点，4号测点的全尘浓度最小。且随着与采煤机滚筒距离的增加，1号、3号测点的粉尘浓度始终大于2号测点和4号测点的粉尘浓度，而1号、3号测点与2号、4号测点相比距离煤壁较近，这也说明粉尘是由采煤机产生并向人行道一侧扩散的。

为了使测试结果更加全面准确，采煤机采用逆风割煤时同样对其粉尘浓度进行了现场测试，同样以采煤机测点2为例，测试结果如图5所示。

图5 工作面逆风全尘不喷雾和喷雾浓度对比曲线

由图5可知，当工作面采用逆风割煤时，在喷雾和不喷雾两种情况下，工作面粉尘浓度分布曲线与顺风割煤时具有一定的相似性，不喷雾时工作面粉尘浓度峰值达到了1 710 mg/m3，而在喷雾的情况下工作面粉尘浓度峰值仍达到了1 340 mg/m3，从而进一步验证了采煤机内外喷雾对工作面粉尘较大的现象治理效果较差，急需制定合理的措施来对其进行治理。

3 工作面粉尘分布特征分析

根据现场监测结果，分析工作面粉尘分布具有如下特征：

1) 工作面采煤机割煤时所产生的粉尘粒径介于2～3 μm，最大粒径则达到了110 μm。

2) 采煤机附近大颗粒粉尘较多，随着与采煤机距离的增加大颗粒粉尘逐渐沉降，呼吸性粉尘的沉降则需要更长的距离和时间。

3) 小颗粒粉尘主要集中于采煤机滚筒下风向处，采取除尘措施时应重点对尘源附近的粉尘进行沉降。

4 高压喷雾降尘机理分析

工作面的粉尘浓度主要来源于工作面割煤，煤的破碎度越大，所产生的粉尘浓度也越大，由于采煤机是不断移动的，这也决定了工作面粉尘浓度的分布具有不均匀性，但是粉尘浓度较高的区域主要集中于采煤机附近，因此在对工作面粉尘进行治理时应以采煤机附近的粉尘作为主要治理目标，故在采煤机滚筒附近安装高压喷雾降尘装置。该装置可以以连续液体的形式从喷嘴喷出，由于受到空气的扰动作用，液体表面会形成一定模式的振动波，使喷射而出的液体又进一步分裂成液片和大颗粒液珠，对大颗粒粉尘和小颗粒粉尘起到一个更好的沉降效果，同时该装置还具有二次雾化的作用，使工作面粉尘浓度进一步降低。

5 实施方案

在工作面设计一套15 kW的高压系统，加压装置的进水压力约为2 MPa，在安装加压装置时设置1个进水箱，该进水箱可以根据水位高度而自行关闭、开启进水阀门。加压装置进水管、出水管分别选用直径为35 mm、25 mm的4层钢丝编织的橡胶管，三通后端滚筒喷嘴通水管选用直径为16 mm的3层钢丝编织的橡胶管。高压出水管路共计6条，铺设在电缆槽中，进水管路两条，用来连接水箱和水源。采煤机左右滚筒各设1组喷嘴，每组喷嘴数量为7个，出水通经1.2 mm，喷嘴组安装在两滚筒摇臂电机侧盖处，安装时喷嘴应朝向滚筒，喷嘴的喷射距离最长约为3 m，水雾覆盖半径约为1.5 m。

6 工程监测

采用高压喷雾降尘装置对工作面粉尘进行治理后，对工作面的粉尘浓度进行了现场监测，以采煤机测点2的粉尘浓度峰值为例，对治理效果进行评定，治理前后的粉尘浓度峰值对比如图6所示。

图6 治理前后粉尘浓度峰值对比

由图6可知，没有使用高压喷雾装置进行治理前，粉尘浓度的峰值达到了1 320 mg/m3，而采用高压喷雾降尘装置对其进行治理后工作面粉尘浓度峰值仅为370 mg/m3，与治理前相比降低了72%，该措施对粉尘治理效果显著，工作面环境得到了极大改善。

7 结 语

1) 3101综采工作面粉尘是由采煤机产生并向人行道一侧扩散，且粉尘浓度较大，现有的除尘措施不能对工作面粉尘进行及时有效的治理，严重威胁工作人员的身体健康。

2) 结合工作面粉尘的分布特征，提出采用高压喷雾降尘措施来对其进行治理，现场监测结果表明在新措施的治理下工作面粉尘浓度与原治理措施下相比减少了72%，工作面环境得到了极大改善。