綜掘工作面分段控風控塵技術研究

蘇永兵

(山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000)

目前，綜掘工作面的粉塵防治措施主要有掘進機內外噴霧、氣幕控塵、濕式除塵、轉載點噴霧和巷道風流凈化水幕等。在實踐應用過程中存在著不利的因素，主要表現為：（1）綜掘工作面采用主動壓風、被動出風的通風模式，在綜掘工作面采用噴霧降塵，會使得工作面氣流變為氣霧狀，不利于工作人員的作業，會帶來相應的安全隱患；（2）沒有對綜掘工作面的風流進行相應的控制，降塵效果不理想。本文以新景礦15028綜掘工作面為研究對象，對其采用分段風控塵技術進行了研究和實踐應用，降塵效果明顯。

1 工作面概況

新景礦15028回風巷沿2#煤層底板掘進，煤層沿巷道傾角2～4°，2#煤屬于干燥易碎（原始水分含量0.85%，堅固性系數f=0.46）、難濕潤煤層，工作面采用EBZ-220懸臂式掘進機截割落煤，選擇Φ1000mm雙反邊軟質風筒供風，同時配備了KCS-500型濕式除塵器，處理風量450～550m3/min，實測吸風量為480m3/min，箱體固定在綜掘機二運拖拉尾，隨綜掘機向前移動。

15028工作面所開掘的巷道具有斷面大（S=5.2×3.6m=18.72m2）、供風量大（500～550m3/min）、出口風速高（8～10 m/s，風流壓頭大，對迎頭流場擾動大）、割煤強度大（日進尺15～20m）、煤體破碎嚴重、產塵量大等特點，導致產塵強度高，治理難度大，防塵系統工藝要求高，因此急需針對綜掘面粉塵治理難題進行系統研究，尤其是針對高產塵綜掘工作面通風控塵技術進行研究。

2 分段控風控塵系統參數確定

為了控制15028回風巷掘進工作面粉塵向回風側擴散，綜掘工作面配備了分段控風控塵系統，系統主要由附壁風筒、調風閥門、整流風筒等組成，系統組成如圖1所示。工作面正常工作時，新鮮風流向前方煤壁移動，割煤產塵與新鮮風流混合后在煤壁阻擋作用下向后移動，工作面前部區域存在新鮮風流與含塵氣流相互作用面，該作用面是控制粉塵向外擴散的臨界面，通過調節軸向出風口和徑向出風口與工作面煤壁之間的距離，控制控塵面的位置，保證司機位置處于新鮮分流中，使得控塵區域保持在司機前方，同時控塵面位于吸塵罩罩口后方，提高效果。

圖1 控風控塵系統組成示意圖

2.1 軸向出風與迎頭距離確定

根據工作面配風量與除塵器抽風量關系，即在工作面前部控塵區域內，單位時間內除塵器未抽出的風量將和割煤產生的粉塵無序擴散，形成高濃度粉塵存儲區域。工作面正常生產時，割煤屬于間歇性的，從左幫割到右幫時，掘進機會短暫停頓，待除塵器將控塵區域大部粉塵抽走后，再繼續割煤。因此，在割煤期間，通過建立數學模型，計算軸向出風口距離工作面煤壁最佳距離為軸向出風口距離迎頭8～10 m時為最佳。

2.2 徑向出風與迎頭距離確定

為了研究出風口有效射程，國內外學者研究了射流場流動規律，給出了自由射流和受限射流的計算公式，射流出風口到射流風速降為零處，此過程之間的距離為射程，射流射程計算公式為：

根據現場條件，式中：

Fn-巷道斷面面積，18.72 m2；

θ-取11°。

經過計算得到徑向出風口有效射程為s=18.36m，考慮到控塵面的位置，新鮮風流應位于司機前部、吸塵罩口后部，取徑向出風口距離迎頭20m比較合理。

3 控風控塵效果分析

在現場開展了試驗測試分析，以驗證軸徑向出風口參數的有效性。經過現場測定，在不使用任何降塵措施時，綜掘面司機位置原始粉塵濃度為2744mg/m3，在通風除塵系統未經改進優化前，15028回風巷掘進面司機位置總粉塵濃度平均1224.8 mg/m3，綜掘機機尾一運轉載點總粉塵濃度平均為489.7mg/m3，機尾二運轉載點總粉塵濃度平均為253.2mg/m3。為了得到附壁風筒最佳安裝位置，以軸向出風口距離迎頭15m、20m和25m三種條件下控塵效果進行現場試驗，并且通過連續測試掘進面司機位置粉塵濃度，以此確定附壁風筒距離迎頭最佳配套參數。通過現場試驗可知：當附壁風筒位于二運轉載點后部時，二運轉載點距離附壁風筒較近，此處風速較大，轉載點兩側有大量粉塵被風流帶入到工作面，因此附壁風筒最佳位置應為距離迎頭20m處，且靠近二運轉載點，在二運轉載點前5m位置為最佳。

通風除塵系統改進優化后，與未優化前相比，司機位置粉塵濃度從1224.8mg/m3下降到225.3mg/m3，粉塵濃度下降了81.6%，總降塵效率為91.8%；一運轉載點粉塵濃度從489.7mg/m3下降到146.8mg/m3，粉塵濃度下降了70.1%，總降塵效率為84.0%；二運轉載點粉塵濃度從253.2mg/m3下降到99.0mg/m3，粉塵濃度下降了60.9%，總降塵效率為86.5%。15028回風巷綜掘工作面通風除塵效果有明顯改觀，工作面粉塵濃度有大幅下降。分段控風控塵系統軸徑向出風口與工作面煤壁距離優化前后控降塵對比效果如圖2所示。

圖2 優化前后粉塵濃度對比

總之，通過采取對原通風除塵系統分段出風參數優化后，通風除塵系統的控降塵效果提升了80%左右，能夠有效降低掘進面粉塵濃度。該系統在最佳匹配參數下司機位置的平均粉塵濃度可降到225.3mg/m3，并且割煤大部分時間內粉塵濃度穩定在200mg/m3左右，降塵效率可達91.8%，高濃度粉塵控制在工作面前部2m范圍內，作業環境得到明顯改善。現場采樣測試分析可知：工作面通風除塵系統位于最佳匹配參數時（供風風筒軸向出風口距離迎頭8～10 m，附壁風筒距離工作面迎頭20 m），控風控塵效果最佳。

4 結語

根據新景礦15028綜掘工作面煤層條件及產塵特點，建立了粉塵存儲模型，得到了分段控風控塵系統軸向出風口與工作面煤壁最佳距離關系，并根據現場實際條件計算得到了軸向出風口距離迎頭最佳距離為8～10m。通過計算附壁風筒出風口風流有效射程，確定了徑向出風口與迎頭最佳距離為20m。通過現場測試，工作面正常割煤時，分段控風控塵系統參數優化后，控降塵效率可提升80%左右，總粉塵降塵效率可達91.8%，高濃度粉塵控制在工作面前部2m范圍內，作業環境得到明顯改善。