综采工作面综合防尘技术应用研究

李永强

（晋能控股煤业集团 泰山隆安煤矿，山西 忻州 036600）

1 概况

泰山隆安煤矿11305 综采工作面回采11下煤层，煤层厚度平均2.2 m。工作面走向长约1068 m，倾向长度约240 m，厚度变化小，结构简单，含0 ～1 层夹矸，厚度0.05 ～0.1 m，煤类单一，均为弱粘煤，11 号下组煤为黑色，半亮型，层状结构，块状构造，阶梯状、贝壳状断口，沥青光泽，含0 ～1 层夹矸，单层夹矸厚度为0.05 ～0.10 m，夹矸为砂质泥岩或泥岩，为结构较简单的薄煤层，生产过程中产生的煤尘和粉尘有爆炸危险性，且危害工人健康，因此，为消除安全隐患，净化工作面的环境，对11305 综采工作面进行粉尘浓度分布规律的调查和降尘措施研究具有重要意义。

2 工作面粉尘浓度分布测定

2.1 粉尘浓度测定

工作面粉尘浓度的测定采用全尘浓度为参考，测定方法为滤膜过滤法，其原理是通过抽气装置将工作面粉尘试样吸入粉尘测定仪中，抽样之前确保滤膜无杂质干扰，抽样完成之后将含有粉尘的空气进行单独放置，对比滤膜在吸入粉尘前后的重量差来评定粉尘的浓度，全粉尘浓度计算公式如下[1-2]：

式中：M1为采样前滤膜的重量，mg；M2为采样后滤膜的重量，mg；t 为采样时间，min；Q 为工作面粉尘流量，L/min。

为消除操作误差及环境的不确定性带来的干扰，以3 组抽样数据为基准，优化计算试验结果，当各试样间的差值小于20%时，可认为数据合理，可以采用，具体差值的计算公式如下[3-4]：

式中：Δg 为样品计算的结果之差；C1、C2、C3为样品的计算结果，mg/m3；

为测定11305 综采工作面在回采工程中各区域的粉尘浓度分布，沿综采工作面倾向间隔一定距离布置2 排9 列粉尘浓度测试仪，测试仪距离采煤机分别为5、5、5、10、15、20、30、50 及50 m 处，仪器距煤层底板的垂距为1.5 m，水平距煤壁1 m和1.5 m 处。

2.2 结果分析

（1） 工作面方向。

依据上述设计方案，将粉尘浓度测试仪在各处3 次的显示测定结果记录下来，数据见表1，并绘制成粉尘浓度分布曲线，如图1 所示。

图1 沿工作面方向粉尘浓度分布曲线Fig.1 Distribution curve of dust concentration along working face

表1 沿工作面面长方向粉尘浓度分布Table 1 Dust concentration distribution along the face length direction

由图1 可知，采煤机滚筒在割煤作业时，在采煤机滚筒附近，随着距离的增加，粉尘浓度会有急剧增加的趋势，在峰值区域内最大浓度可达1200 mg/m3，峰值的平均值为980 mg/m3。达到峰值之后随着距离的增加而浓度减小，原因是随着距离的增加，煤尘在推力及风的作用下逐渐向远离工作面的方向移动，并且在移动过程中因其自身重力作用而不断下落直至煤层底板，从而导致粉尘浓度降低，滚筒后约30 ～40 m 处降至最低值，此处特点是粉尘浓度较低、粒径小及颗粒不均匀系数小。

在工作面远处，即超过上述浓度低值区域后，由图1（c） 可知，随着距离的继续增加，粉尘浓度会有一个再次上升的趋势，但上升的速度较缓慢，原因是此处较距工作面近处区域，采煤机滚筒的影响小，其次是经过前述区域的自重沉降后，颗粒相对表面积大，受到空气浮力的比重增加，再加上后方空间较大，单位体积内的粉尘颗粒不易短时间汇集。粉尘浓度在第二次上升至峰值后也会下降，并且第二次的浓度峰值要小于第一次的峰值，最大峰值为1000 mg/m3，平均峰值为750 mg/m3。另外第二次峰值受到的影响因素主要源于粉尘自身，造成形成峰值的区域会有较大的误差。根据现场探测结果可知，该区域粉尘分布特点呈移动速度快、自重沉积少及分散度大。

（2） 煤壁方向。

在沿着煤壁方向上的粉尘浓度变化如图2 所示。由图2 可知，在煤壁1 m 处的粉尘浓度峰值范围处于700 ～1200 mg/m3，经过3 次粉尘浓度的测定，结果显示其浓度的变化是随着距离的增加而减小，至1.5 m 处降至100 ～900 mg/m3。

图2 沿煤壁方向粉尘浓度分布曲线Fig.2 Distribution curve of dust concentration along coal wall direction

3 技术方案和降尘效果

3.1 技术方案

依据工作面不同区域粉尘浓度的分布特点，采用洒水喷雾降尘的方式[5-6]，将粉尘浓度降低至安全范围内。

（1） 外置喷嘴装置。

由上述粉尘浓度的分布特点可知，粉尘浓度最大区域位于采煤机工作处，可在采煤机外布置喷嘴装置，在回采进行同时进行洒水喷雾工作，使得该处浓度峰值降低。喷嘴装置布置需要考虑的因素有：①喷雾覆盖区域应该大于采煤机的占用区域；②喷嘴处压力应该达到不堵塞的满足条件。

考虑到现场采煤环境的复杂性，应在采煤机电机箱处朝向工作面安置4 个洒水喷雾喷嘴，环形布置，且喷嘴的水平方向倾斜30°，以满足煤壁方向的降尘要求。在采煤机摇臂的端部位置安装5 个喷嘴装置，喷射水的方向应与摇臂的方向垂直，为保证喷嘴不堵塞，喷水压力为恒压设定，取12.8 MPa，装置如图3 所示。

图3 主通风机测量标准性能曲线Fig.3 Measurement standard performance curve of main fan

图3 喷嘴装置示意Fig.3 Indication of nozzle device

（2） 液压支架间降尘。

为防止粉尘进一步扩散至其他区域，在液压支架间布置一系列喷雾装置，以阻断粉尘扩散途径。机理为喷嘴喷出高压高速的水雾气，带动前方的空气被推动，在相反方向的区域内短时间内形成负压，使得后方的粉尘在负压的作用下吸入被推动的空气中，从而回到工作面的粉尘高浓度区域，并且由于水雾的作用，使得粉尘组成黏粒发生沉降，达到最终降尘的目的。另外粉尘黏粒的下沉，会使得在出口端再次形成负压场，造成二次降尘的效果。

每台液压支架在液压支架间的位置处安装3 个喷嘴装置，角度可设为0、40°、80°，此处的喷雾装置的喷射方式采用脉冲喷射，喷射水压设置约为2.8 MPa，吸风口的后部和侧部尺寸设为0.2 m×0.2 m 和0.1 m×0.08 m，位置的布置如图4所示。

图4 液压支架喷雾系统布置方式示意Fig.4 The layout of spray system of hydraulic support

3.2 降尘效果

通过检测各粉尘浓度测试点的测试结果，提取降尘技术采用前后的数据进行对比分析，来验证11305 综采工作面的降尘程度。验证点设定于距离回风巷的15 ～120 m 处，每隔30 m 设置1 处，共5 处，其结果见表2。

表2 喷雾系统实施前后粉尘浓度数据Table 2 Dust concentration data before and after the implementation of spray system

由表2 可知，经过喷雾技术措施处理后，回采时工作面上的粉尘浓度明显降低，全尘浓度的平均降低率约达74%，浓度峰值的最大处降至110 mg/m3，降尘效果良好，可以为相关回采工作面的降尘工作提供理论支持。

4 结 论

（1） 经过滤法测定综采工作面的粉尘浓度分布呈先急增后降再缓增再降的趋势。在工作面近处随着距离的增加粉尘浓度呈现急剧增加的趋势，在浓度峰值最大可达1200 mg/m3，峰值的平均值为980 mg/m3，峰值后在滚筒后30 ～40 m 处降至最低处，后又缓慢上升至低于第一次的第二次峰值。

（2） 经过采煤机外布置喷嘴和液压支架间布置喷雾喷嘴的降尘技术措施，使得全尘降尘率约达74%，最大粉尘浓度降至110 mg /m3，降尘效果显著。