回坡底礦綜掘工作面高效降塵技術實踐

衛強強

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

作為礦井五大自然災害之一，煤塵的產生幾乎貫穿于煤炭開采的各個環節。近年來，隨著煤礦綜合機械化掘進和開采裝備的大面積推廣應用，生產過程中的粉塵產生量大幅增加，粉塵濃度超標的問題日益嚴重。煤塵具有爆炸性，達到一定濃度時在高溫下容易發生爆炸，誘發瓦斯爆炸和火災等，同時長期在高濃度煤塵環境下工作，會導致塵肺病的發生，嚴重危害煤礦工人的身體健康[1-3]。因此，進行井下煤塵治理和防爆研究，對創建安全、高效、綠色礦井具有重要意義。

1 工程概況

山西霍州煤電集團回坡底煤礦11-104 工作面所采煤層為11 號煤，11-1042 巷沿11 號煤層底板掘進，巷道地面標高為+926～+724 m，井下標高為+468～+486 m。11 號煤的平均厚度為3.2 m，平均傾角為3°，頂板依次為：泥巖，3.5 m，灰黑色，含少量黃鐵礦薄膜、植物化石碎屑，中夾0.3 m 煤線；粉砂巖，2.6 m，灰白色，致密，質脆，含黃鐵礦及植物化石，夾薄泥巖；10 號煤，2.6 m，煤層穩定，含硫高，易自燃，中部含0～1 層不穩定夾矸；泥巖，2.3 m，深灰色，含薄膜狀黃鐵礦及植物化石，局部相變為泥質粉砂巖。

11 號煤的普氏系數為0.9～1.1，節理裂隙發育程度高。煤塵自燃傾向等級為Ⅱ級，類別為自燃煤層，自然發火期為82 d，煤塵火焰長度＞400 mm，有煤塵爆炸性。

11-1042 巷的斷面尺寸為4800 mm×3200 mm（寬×高），采用錨網索支護。

2 噴霧降塵機理

2.1 掘進工作面煤塵來源

煤礦井下兩巷的掘進是工作面回采的先期工程，煤塵產生量僅次于工作面。與工作面相比，礦井掘進工作面數量多，掘進過程工序多，塵源的分布范圍廣，分散度高。巖巷掘進中還會產生大量的巖塵，是導致工人塵肺病的主要原因。

11-1042 巷采用綜掘機破煤掘進，按照綜掘工藝分析，煤塵的主要來源有幾個方面：

（1）切割煤壁

綜掘機截割頭對煤體產生的粉塵量是整個掘進工序中最大的，占比達80%以上。切割過程中，煤體受截齒擠壓作用的影響，發生彈性變形，當截齒離開時，彈性變形恢復，在產生變形和恢復的過程中，煤體被破碎成塊，從而產生大量粉塵。同時，截齒的沖擊作用也促進了煤塵的產生，并且飛揚在巷道中。

（2）運輸轉載產塵

綜掘工作面出煤過程中煤炭要經過多次轉載，由于摩擦和振動的作用，進一步加大了煤塊的破碎，并且在運輸過程中極有可能使得靜態的沉積粉塵飛揚，增加了巷道中的煤塵濃度。

（3）進風流帶入

根據測試，在不采取任何凈化措施的情況下，進風流中的粉塵濃度可達5 mg/m3以上。如果風速較大，含塵量可高達50 mg/m3以上。

2.2 噴霧降塵機理

噴霧能降低巷道中的粉塵濃度，主要是由于慣性、重力、靜電等多種力相互作用的結果，降塵機理如圖1[4-5]。

圖1 噴霧降塵機理

（1）慣性作用

較小的煤塵在運動過程中遇到霧滴會改變方向，而粒徑大的塵粒由于慣性作用，不能及時避開，保持原來的運動方向而與霧滴碰到一起，從而降低濃度。

（2）擴散效應

部分粒徑較小的粉塵，在空氣中并非沿流線運動，而是呈現不規則的布朗運動的狀態。在霧滴附近，這些細小的塵?？赡芘c霧滴發生碰撞而停止飛揚。粒徑越小，碰撞的概率越大，擴散效應越強。

3 綜掘面通風系統設計

3.1 通風方式的確定

當前綜掘工作面常用的通風方式有單抽出式、長抽短壓、長壓短抽和長抽長壓式等，結合回坡底礦的實際情況，確定11-1042 巷采用長壓短抽式通風。通過合理確定抽風口和壓風口的位置，在巷道中形成一個出風、進風的穩定屏障。該屏障內的風流穩定，煤塵具有一定的運動速度，在保證排出掘進頭煤塵的同時，減少了粉塵向風筒后巷道的擴散。風流運動如圖2。

圖2 長壓短抽式通風的風流狀態

3.2 風量匹配

為防止壓入式通風和抽出式通風的共同作用范圍內出現循環風，一般壓入式風量為抽出式風量的120%～130%。在實際應用中，抽出式風量一般不變，而壓入式風量隨著距離掘進頭距離的增大而減少，為此，應根據掘進頭的進尺前移壓入式風筒的位置。

3.3 進、出風口位置的確定

（1）壓入式出風口位置

壓入式出風口距離工作面迎頭距離大，則除塵效果差，距離小，則容易將粉塵帶入到巷道中。根據生產實踐，壓入式出風口的距離按公式（1）計算：

代入計算可得，出風口的距離小于19.6 m。在巷道掘進過程中應根據進尺情況及時續接風筒。

在實際生產中，綜掘工作面以上三個參數的變化范圍見表1。同時，保持壓入總風量大于抽出式總風量的20%以上，這樣，可以避免產生風流循環，降塵效果最佳。

表1 掘進頭風筒口關系

4 現場應用

4.1 掘進設備布置

巷道掘進采用的EBZ200 綜掘機，所用壓風筒和抽風筒的直徑為500 mm。壓入式和抽出式風機均采用對旋軸流式，主要參數見表2。

表2 兩風機主要參數

為了防止掘進過程中的煤塵隨回風流進入到回風大巷中，必須將煤塵控制在掘進機前方，一般采用的是封閉掘進、全封閉除塵的方式。在掘進頭布置除塵器等設備，現場設備如圖3。

圖3 掘進頭設備布置

根據現場的實踐經驗，一般在掘進作業中，巷道斷面中部的粉塵濃度最高，是防治的重點區域。為了方便移動作業，將抽出式通風的進風口安裝在綜掘機上，隨掘進機前移。吸風口下端距離底板1200 mm，上段距離頂板1300 mm，距迎頭的距離不得大于2500 mm。

4.2 濕式振弦除塵器

研究表明，利用專用的設備除塵是降低掘進頭濃度的有效方式。近年來，濕式振弦除塵器作為強力除塵的有效設備，與傳統的機械除塵、過濾除塵相比，具有占地小、移動方便、對呼塵除塵效果好等優點，得到了廣泛的應用。在11-1042 巷采用KCS-225ZL 濕式振弦除塵器進行除塵，額定處理風量為250 m3/min，額定呼塵除塵效率可達90%以上，總粉塵除塵效率高于99%。

4.3 應用效果

在11-1042 巷掘進過程中，對粉塵濃度進行測試，測試結果見表3。

表3 除塵前后效果對比 （單位：mg/m3）

由表3 可知，采用綜合防塵措施后，迎頭和司機處的粉塵濃度有明顯降低，取得了較好的效果。

5 結論

（1）綜掘工作面粉塵主要來源于煤壁的切割、煤塊的轉載等，具有分布范圍廣、分散度高的特點，產生量僅次于綜采工作面。

（2）噴霧能降低巷道中煤塵的濃度，主要是慣性、重力、靜電、擴散等綜合作用的結果，其中起主要作用的是慣性和擴散作用。

（3）11-1042 巷通過采用長壓短抽式通風、全封閉除塵和濕式振弦除塵器，迎頭和司機處的粉塵濃度有明顯降低，最大降幅達98%，取得了較好的效果。