上社矿15502进风巷掘进工作面喷雾降尘技术研究与应用

张 涛

（晋能集团阳泉公司上社煤矿，山西 盂县 045100）

1 工程概况

阳泉市上社煤炭有限责任公司属于属煤与瓦斯突出矿井，15502工作面位于15号煤层五采区，工作面开采15号煤层，煤层厚度4.1～7.4 m，平均厚度5.4 m，平均倾角为6°，煤层直接顶为石灰岩、泥岩互层，平均厚度12.3 m，；直接底为黑色粉砂质泥岩，平均厚度约5.4 m；煤层内生节理裂隙发育，煤层回采及掘进工作面最大涌出量分别为37.7 m3/min和4.8 m3/min；煤层水文地质类型为中等，不易自燃煤层，煤尘具有爆炸性。

15502进风巷用作15502工作面的进风、运输、行人等，巷道埋深240～300 m，设计长度约510 m，巷道断面呈矩形，掘进宽5.2 m，掘进高4.5 m；沿煤层顶板采用综掘机进行掘进作业，为优化掘进工作面作业环境，特进行工作面粉尘浓度测试及喷雾降尘技术研究。

2 粉尘分布规律分析

为掌握15502进风巷掘进工作面的粉尘分布形态，特在巷道掘进期间进行粉尘浓度和粉尘分散度的测试分析，具体粉尘浓度和分散度的测定如下：

1）粉尘浓度测试：粉尘浓度的测定通过现场取样，带回实验室采用滤膜测重法进行测试[1-2]；在进风巷掘进工作面内布置9个粉尘采样点，采样点的测尘高度布置在距离巷道底板1.5 m位置处，该位置处于工作人员呼吸带的位置，采样点采用CCZ-1000型直读式粉尘浓度测量仪，粉尘测试点分别布置在掘进机司机处、距离掘进机头5、10、15、20、50、100、150、200、300、500 m及 转 载 点 的 位 置处，具体粉尘浓度采样点布置形式如图1所示。

图1 粉尘浓度采样点布置示意图

根据粉尘浓度的测试结果，可绘制出掘进工作面粉尘浓度的沿程分布曲线如图2所示。

图2 15502进风巷掘进工作面沿程粉尘浓度分布曲线图

分析图2可知，随着采样点与掘进头间距离的增大，粉尘浓度呈现出先增大后减小的趋势，其中工作面全尘和呼尘浓度的最大值均在距离掘进头5 m位置处取得，全尘浓度最大值为285 mg/m3，呼尘浓度最大值为62 mg/m3；随着采样点与掘进头间距离的增大，采样点的粉尘浓度呈现出逐渐快速下降的趋势；当采样点与掘进头间的距离大于50 m时，全尘浓度下降至100 mg/m3以下；随着距离的进一步增大，粉尘浓度的下降幅度逐渐减小，此时粉尘浓度基本达到稳定状态；另外从图中可看出，呼吸性粉尘在距离工作面100 m后，随着与掘进头间距离的变化，粉尘浓度基本呈现出很小的变化，造成这一现象的原因主要有2方面，其一为呼吸性粉尘不易沉降；其二为呼吸性粉尘会随着风流的运动而不断运动，进而弥漫到整条巷道内，进而出现滞后工作面一定距离后呼吸性粉尘浓度基本达到稳定状态。

2）粉尘分散度测试：粉尘分散度表示微细粉尘占总粉尘的比例，由于空气中悬浮的粉尘直径均在10μm以下，该粒径的粉尘均处于悬浮状态，其中粒径小于2μm的粉尘最易被人体吸入[3-4]；粉尘分散度采用在滤膜采样后，将粉尘防治与有机溶剂中，形成观测标本，以通过显微镜进行分散度的测定作业；在粉尘分散度现场取样时，分别在距离工作面5、10、20、50、100 m的位置处取样，取样点同样在距离底板1.5 m呼吸带位置处。

根据粉尘分散度测试结果，可绘制出掘进工作面100 m范围内粉尘分散度曲线图，如图3所示，图中D25代表频率为10%的粉尘粒径，其余D25、D50、D75、D90均代表类似含义。

分析图3可知，随着距离掘进工作面距离的增大，同一级别粉尘粒径呈现出逐渐减小的趋势，且该种递减趋势在粒度级别高的粉尘中显现的更为明显；另外从图中能够看出，在掘进工作面10 m范围内，含尘气流中大颗粒的粉尘含量较多；在掘进头10 m以后，大颗粒的粉尘基本已经沉降，而小颗粒的粉尘仍在空气中处于浮游状态，此时随着距掘进头距离的增大，风流中粉尘粒径已趋于稳定，此时即表明粉尘已经扩散弥漫至整个掘进断面。

图3 掘进工作面粉尘分散度曲线图

综合上述分析可知，15502进风巷掘进工作面粉尘浓度最大值在距掘进头5 m的位置处取得，呼吸性粉尘在距掘进头10 m的范围内均较高；同级别的粉尘粒径随距工作面沿程距离的增大而逐渐减小，且该种现象在大粒径粉尘上较为明显。

3 喷雾降尘技术

3.1 喷雾降尘方案

根据15502工作面进风巷的特征，结合上述掘进工作面粉尘浓度和分散度的测试结果，现在设计喷雾降尘系统包括掘进头喷雾降尘和皮带机喷雾降尘，具体各项降尘措施如下：

1）掘进头喷雾降尘：在综掘机上采用油压-水压转换装置（见图4），通过掘进机上的液压油驱动液压水泵，以实现获取高压水，采用油压-水压转换装置的高压水喷雾系统具有功能齐全、可靠性高、其能够通过高压油转化为高压水、能够在掘进机司机处实现任意调节喷雾水压力和流量[5-6]，不影响掘进机视线的条件下提高降尘率。

图4 油压转换装置示意图

喷雾系统中采用螺旋牙水芯喷嘴，该喷嘴的雾化原理为压力-离心原理，产生的雾流形状为空心圆锥形，实现的雾化质量分布均匀且雾粒细小，具体螺旋牙水芯喷嘴外观和剖面结构如图5所示。

图5 螺旋牙水芯喷嘴示意图

2）皮带机喷雾降尘：在皮带机上方60 cm位置处设置喷雾水管，每隔5 m布置1根横向水管，并在横向水管上安装4个喷头；采用液压枪扳机将喷雾水管与供水管路相连，且在液压扳机处连接一个挡板以实现煤岩接触挡板后，可将挡板抬起，以触发液压枪弹簧开关，实现喷雾的自动打开，如图6所示。

图6 皮带机喷雾降尘布置形式示意图

本次喷雾系统中所采用的喷雾水肿掺入抑尘剂，该种抑尘剂的掺入比例为3‰，该类抑尘剂可提高雾粒和尘粒的亲和力，促使尘粒的凝结与沉降；另一方面该抑尘剂可实现长时间保持粉尘的湿润性抑制粉尘的二次飞扬。抑尘剂喷雾结构见图7。

图7 抑尘剂喷雾结构示意图

3.2 效果分析

为分析15502工作面喷雾系统实施后的效果，现分别在掘进机司机处、刮板转载点和运输转载点的位置处分别进行喷雾系统采用前后全尘和呼尘浓度的测试，测试结果见表1。

表1 喷雾系统实施前后掘进工作面全尘和呼尘浓度数据表

分析表1可知，在进风巷掘进工作面采用喷雾系统后，掘进期间，巷道内不同位置处全尘和呼尘降尘效果均较为显著，全尘降尘率最高出现在运输机转载点的位置处，可达到83.7%，呼尘降尘率最高出现在运输转载点位置处，达到82.5%。喷雾系统实施后，在掘进工作面各个区域，全尘的降尘率在80.5%～84%之间，呼尘的降尘率在80%～83%之间，降尘效果显著。

4 结论

根据15502进风巷掘进工作面地质条件及特征，通过现场实测的方式进行掘进工作面粉尘浓度及分散度的测试，结合粉尘浓度测试结果，分别进行掘进头和皮带机喷雾系统的设计，根据喷雾系统实施前后的粉尘浓度测试结果知，喷雾降尘系统实施后，降尘效果显著。