綜掘工作面粉塵控制技術的研究與應用

王文強

摘 要：為了有效降低綜掘工作面的粉塵濃度，通過對同忻礦2203工作面掘進時粉塵濃度大小的測定和控制措施的調研，針對現有的防降塵措施的不足，提出了氣水噴霧降塵技術和巷道雙層水幕簾聯合使用的降塵方法，并在現場安裝實施，取得了良好的降塵效果。

關鍵詞：綜掘工作面 粉塵 氣水噴霧 水幕簾

中圖分類號：TD714 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0060-02

同忻煤礦北二盤區2203運輸順槽是回采工作面運輸和進風巷道，巷道斷面面積S=21.46 m2，設計長度3778.051 m，煤層平均厚度為14.91 m，內生裂隙發育，夾有鏡煤條帶，塊狀，易碎，夾矸4～8層，相對瓦斯涌出量0.12～2.48 m3/t，煤塵具有爆炸危險性。掘進時，由于掘進機內外噴霧堵塞或損壞，導致作業面粉塵濃度嚴重超標，給井下作業環境和生產安全帶來危害。該文通過對綜掘工作面粉塵運移規律的測定研究，分析現有防降塵的不足，提出改進方案并實施，取得了良好的降塵效果。

1 綜掘工作面粉塵控制現狀

1.1 粉塵濃度的測定及分析

為了研究綜掘工作面割煤作業時粉塵的運移規律和濃度分布，根據粉塵濃度測定相關標準，結合綜掘工作面現場實際情況，在人行道呼吸帶高度布置采樣點如圖1所示。粉塵濃度測定使用濾膜質量法，采用AKFC-92A粉塵采樣儀進行采樣，采樣時間均為2 min，流量為20 L/min，采樣后稱重，計算得到割煤時掘進巷道粉塵濃度分布如圖2所示：

根據測定數據可知：

（1）2203綜掘面在割煤工序中產生粉塵濃度高，而且呼吸性粉塵所占比例大，平均呼塵比重超過50%。主要是因為2203工作面斷面大，進尺多，截割強度高，且煤體較軟，受應力時破碎程度高，裂隙內原生煤塵隨著煤體的破碎垮落而進入回風流中，導致掘進割煤時產塵量較大；

（2）粉塵濃度在工作面回風側3～10 m距離粉塵濃度較高，在5 m處全塵濃度達到1242.5 mg/m3，呼吸性粉塵濃度 1030 mg/m3。由于壓入風筒懸掛在左幫司機處，造成巷道斷面局部風速不均，工作面前方存在小型的渦流，產生的粉塵被吹向了掘進機右下回風側，導致回風側濃度高且5 m處粉塵濃度高于3 m處，之后粉塵逐漸沉降，濃度降低；

（3）掘進割煤時產生的粒徑較大的粉塵，距掘進面5 m風速較小，在重力重力作用下迅速沉降；在距掘進面50 m以后粉塵沉降速度比較緩慢，粒徑較小的粉塵隨著風流一起擴散，穩定在150 mg/m3左右；

1.2 現有防塵措施存在的不足

通過對同忻礦2203綜掘工作面粉塵濃度的測定和現有綜合防降塵措施的調研，分析了掘進割煤時粉塵濃度居高不下的原因：

（1）掘進機內噴霧失效。受井下的惡劣條件和復雜作業工序限制，掘進機內噴霧用水中混有煤粒、鐵銹、水垢等雜質，導致內噴霧失效。

（2）掘進機外噴霧噴嘴布置不合理，霧化效果差。掘進機設有前置的外噴霧及兩側的外噴霧，開啟時基本呈水柱狀噴射，霧化效果差，且左側外噴霧噴射水柱受到機載臨時支護裝置的阻擋不能有效的將水噴射到截齒附近。

（3）巷道在距掘進面約40 m處設置有除塵水幕，霧化效果良好，對粉塵有較好的捕捉，但含塵霧滴隨著風流不斷擴散，惡化井下作業環境。

2 改進措施

根據對綜掘面粉塵分布情況及現有防降塵措施的調研，提出了掘進氣水噴霧降塵技術及巷道雙層水幕簾聯合使用的降塵方法。

2.1 掘進機氣水噴霧降塵技術

（1）氣水霧化噴嘴的結構及原理。

氣水霧化噴嘴主要由四部分組成：進水端口、進氣端口、氣水混合室以及噴霧出口，如圖3所示。其原理是：一定壓力的氣和水分別從進水端口、進氣端口進入，水流在高速氣流作用下破碎成包含大量微小氣泡的液絲或液線，單股氣流和多股水流在氣水混合室內形成穩定的氣泡兩相流動，混合體經噴嘴高速噴出時，由于體積膨脹和流體攪動作用以及周圍空氣的卷入，水被霧化成許多微細的水粒。水粒的直徑大小即水被霧化的程度取決于水和空氣的比例，同時和混合室及噴嘴的結構有關。

（2）氣水噴霧模塊的設計。

針對同忻礦2203綜掘工作面掘進機外噴霧霧化效果差，覆蓋范圍較小，割煤時粉塵大等情況，對噴嘴的結構、數量、布置方式及霧流噴射方向等進行改進，研制出新型氣水噴霧模塊替代原外噴霧，模塊噴嘴布置圖如圖4所示。

（3）氣水噴霧模塊的應用。

在實際應用中，氣水霧化噴嘴必須要有兩道管路，即供氣管路和供水管路，可采用掘進工作面側壁接過來的壓風和壓水管路，氣水噴霧模塊安裝在原外噴霧的位置即可。氣水噴霧模塊霧化效果受氣水壓力比影響較大，為使模塊在井下達到最好的應用效果，先在地面進行試驗，以確定符合井下要求的最佳氣水壓力比。為了模擬井下水壓實際情況，將水壓調在2.5 MPa左右，然后調節氣壓，可知當氣壓達到0.6 MPa時，霧化效果較好如圖5所示，噴射距離達到4.5 m左右，霧化角大于120°，覆蓋范圍及噴射距離都能達到實際應用的要求。因而確定噴霧模塊井下實際參數為氣壓0.6 MPa，水壓2.5 MPa。

2.2 巷道雙層降塵水幕簾

為更好的利用水幕的除塵效果，減小對工作面環境的影響，在巷道距工作面40 m處設置雙層降塵水幕簾。利用現有除塵水幕，優化噴嘴布置方式，進行環形布置，并在水幕處設置紗網，減少水霧逸散，如圖6所示，水幕布置在兩層紗網中間，水幕朝前噴射；水霧噴射到含塵氣流中捕捉粉塵，形成含塵液滴，同時水霧噴射到紗網上形成水膜，對粉塵和含塵液滴進行捕捉，減少水幕后空氣中的水霧量，降低對工作空間環境的影響。

3 降塵效果分析

通過對同忻礦2203綜掘面采取氣水噴霧模塊及巷道雙層降塵水幕簾后降塵措施后的粉塵濃度測定，得到掘進巷人行道粉塵濃度如圖7所示，對比圖1，可知：

（1）采取降塵措施后掘進工作面全塵和呼塵平均降塵效率分別達68.7%和69.4%左右，呼塵的平均比重有所下降；氣水噴霧對掘進工作面粉塵控制效果明顯，尤其對呼吸性粉塵的捕捉作用，氣水噴霧的細水霧發揮了其優越性。

（2）粉塵在距工作面40 m后處于較低水平，全塵濃度不超過100 mg/m3，呼吸性粉塵控制在50 mg/m3；雙層水幕簾對掘進巷道下風側粉塵的捕集作用大，有效的降低了隨著風流一起擴散的小粒徑粉塵的濃度。

4 結語

（1）氣水霧化噴嘴以其特有的霧化結構，具備噴水顆粒較細，噴射距離遠，噴水分布均勻，耗水量小等特點，適用于井下粉塵較大且呼吸性粉塵比重大的產塵區域。

（2）雙層水幕簾對掘進巷道下側不易沉降的呼吸性粉塵有較好的攔截作用，同時解決了霧滴在巷道飄散的問題。

（3）氣水噴霧降塵技術與雙層水幕簾的聯合使用，有效的降低了工作面的粉塵濃度，為井下工人提供良好的工作環境。

參考文獻

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[10] 馬素平，寇子明.噴霧降塵效率及噴霧參數匹配研究[J].中國安全科學學報，2006，16（5）：84-88.

（1）采取降塵措施后掘進工作面全塵和呼塵平均降塵效率分別達68.7%和69.4%左右，呼塵的平均比重有所下降；氣水噴霧對掘進工作面粉塵控制效果明顯，尤其對呼吸性粉塵的捕捉作用，氣水噴霧的細水霧發揮了其優越性。

（2）粉塵在距工作面40 m后處于較低水平，全塵濃度不超過100 mg/m3，呼吸性粉塵控制在50 mg/m3；雙層水幕簾對掘進巷道下風側粉塵的捕集作用大，有效的降低了隨著風流一起擴散的小粒徑粉塵的濃度。

4 結語

（1）氣水霧化噴嘴以其特有的霧化結構，具備噴水顆粒較細，噴射距離遠，噴水分布均勻，耗水量小等特點，適用于井下粉塵較大且呼吸性粉塵比重大的產塵區域。

（2）雙層水幕簾對掘進巷道下側不易沉降的呼吸性粉塵有較好的攔截作用，同時解決了霧滴在巷道飄散的問題。

（3）氣水噴霧降塵技術與雙層水幕簾的聯合使用，有效的降低了工作面的粉塵濃度，為井下工人提供良好的工作環境。

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（1）采取降塵措施后掘進工作面全塵和呼塵平均降塵效率分別達68.7%和69.4%左右，呼塵的平均比重有所下降；氣水噴霧對掘進工作面粉塵控制效果明顯，尤其對呼吸性粉塵的捕捉作用，氣水噴霧的細水霧發揮了其優越性。

（2）粉塵在距工作面40 m后處于較低水平，全塵濃度不超過100 mg/m3，呼吸性粉塵控制在50 mg/m3；雙層水幕簾對掘進巷道下風側粉塵的捕集作用大，有效的降低了隨著風流一起擴散的小粒徑粉塵的濃度。

4 結語

（1）氣水霧化噴嘴以其特有的霧化結構，具備噴水顆粒較細，噴射距離遠，噴水分布均勻，耗水量小等特點，適用于井下粉塵較大且呼吸性粉塵比重大的產塵區域。

（2）雙層水幕簾對掘進巷道下側不易沉降的呼吸性粉塵有較好的攔截作用，同時解決了霧滴在巷道飄散的問題。

（3）氣水噴霧降塵技術與雙層水幕簾的聯合使用，有效的降低了工作面的粉塵濃度，為井下工人提供良好的工作環境。

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