煤礦采掘工作面綜合防塵技術研究與應用

韓長海 褚 鵬 于衍達

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 齊河 251100）

1 概 況

邱集煤礦現有礦井防塵技術無法有效控制現場的高濃度粉塵，存在一些不足：采煤工作面內液壓支架噴嘴與噴霧參數選擇不合理，導致霧化效果差，未形成全斷面霧場；工作面截割、移架產生的粉塵濃度較高，人行道內粉塵易積聚且現有的防塵技術效果不理想，嚴重危害采煤機司機等工作人員健康；掘進工作面難以有效控制掘進機截割產生的高濃度粉塵，局部通風機壓入的風流導致粉塵運移混亂，由于抽風負壓的作用范圍較小，單獨依靠抽塵凈化裝置控塵效果較差。

在不采用任何防塵措施的情況下，綜采工作面產塵占井下產塵總量的80%以上，工作面作業點瞬時原始總粉塵濃度可高達1800mg/m3以上，移架工序個別時刻高達1300mg/m3左右。粉塵嚴重超標，不僅污染環境，而且危害作業人員身心健康，大大增加了現場工人患塵肺病的概率。邱集煤礦現開采煤層為7、11層，其煤層煤塵爆炸指數均大于35%，具有爆炸危險性，屬于礦井重大安全隱患。

2 工作原理

2.1 全斷面高效捕塵

本文中塵霧耦合的概念是指在礦井采掘生產作業現場，相對封閉的噴霧場中的霧滴與飛揚的固態塵粒的惰性凝結，會在一定程度上抑制塵粒的表面張力，進而濕潤飛揚的塵粒，增加其自重使之沉降。

噴嘴由噴管內向外噴霧時，當水霧的擴散直徑不小于噴管內徑時，便形成了噴霧活塞，前方的空氣被源源不斷的水霧推出去，后部形成真空，從而在噴口處形成負壓，使含塵氣流經吸氣部分進入氣流引射裝置的噴管內。在噴管內，吸入的粉塵受到水霧的反復撞擊、碰撞，被強迫與霧滴凝結，噴出管子后，失去了在空氣中的懸浮能力，很快沉降下來。同時，被凈化的空氣與水霧組成的混合物繼續由噴管以較高速度噴出，在噴出端形成負壓場，卷吸周圍的含塵氣流進入噴霧場，氣流中的粉塵得到進一步的凈化，從而實現二次降塵。如圖1所示。

圖1 機理示意圖

2.2 優選噴嘴高效霧化

噴嘴作為噴霧降塵裝置的最基本元件，其霧化能力（霧流形狀和霧粒大小）直接決定了噴霧降塵的效果。因此，課題組收集國內外典型礦用霧化噴嘴，并精選適于綜放工作面的高效噴霧降塵用噴嘴，在礦山災害預防控制教育部重點實驗室，采用基于PDI200MD激光相位多普勒干涉儀的風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降仿真實驗裝置開展高效霧化噴嘴性能測定試驗，測得噴霧場的范圍、霧滴的粒度、速度、濃度等數據，優選出適合邱集煤礦綜采工作面不同位置的高效降塵用霧化噴嘴并結合試驗測試確定合理的噴霧角度、壓力等參數，達到粒度-速度-濃度多因素塵霧耦合進而形成全斷面霧場。

2.3 綜采工作面專用的負壓引射除塵技術

根據綜采工作面主要工序割煤和移架的產塵量及產塵特點研發出適應綜采工作面專用的負壓引射除塵技術，其中噴霧作為負壓引射除塵技術中的關鍵所在。根據粒度-速度-濃度塵霧耦合機理，通過噴霧性能測試試驗合理設計噴嘴安設位置、角度、數量等，既考慮能得出最優降塵效果，形成覆蓋煤壁到液壓支柱間全斷面空間的噴霧場以及包裹采煤機滾筒的噴霧場，又最大限度節約水量。如圖2所示。

基于綜掘工作面的風流-粉塵數值模擬運移規律，以及風幕封閉式控塵技術的數值模擬，并依據密閉除塵理論推知，假設將綜掘工作面視為一個相對密閉的空間，將其空間內產生的粉塵通過抽出式除塵風機抽出，因而能有效地將掘進過程中產生的粉塵很大程度地捕捉沉降。

圖2 架間負壓引射除塵技術示意圖

2.4 綜掘工作面風幕封閉式控塵技術及裝備研發

綜掘工作面利用風幕封閉式控塵技術和附壁新型輕質風筒形成旋流風幕，從而有效控制截割頭產塵向外擴散。附壁新型輕質風筒設計在距掘進頭10～60m范圍內，可形成有效控塵截割頭產塵向外擴散的空氣幕，每5～6d移動1次風筒。圖3為附壁新型輕質風筒結構示意圖。

圖3 附壁新型輕質風筒結構示意圖

在綜掘工作面壓抽混合通風除塵方式中，通過附壁新型輕質風筒直吹工作面的軸向風流或全部轉為吹向巷道周壁的多徑向方向出風，在巷道內形成多向旋流風幕，工作面風流受負壓作用被風筒抽出，多向旋流風幕連續向工作面軸向流動，互相影響內部旋流風流場，在更短的距離內，將其快速轉變為控制粉塵污染效果更好、速度更快的控塵風流場，抑制工作面粉塵飛揚，有效地阻隔塵向人員施工區域擴散。

圖4 擬研發的風幕封閉式控塵技術示意圖

圖4為擬提出的綜掘工作面旋流風幕封閉式控塵技術示意圖。現場實際安裝位置將會在針對綜掘工作面的數值模擬后，在控塵最有效的位置進行安裝。

通過研發綜掘工作面風幕封閉式控塵技術及形成旋流風幕的附壁新型輕質風筒，建立適于綜掘工作面風幕封閉式控塵技術體系，控制截割頭產塵向外擴散的風幕，有效控制現場高濃度粉塵。

3 效益分析

該綜合技術工藝已在本礦井采掘工作面全面使用，通過在采掘工作面布點檢測，各個檢測點的平均降塵率為63.6%，呼塵平均降塵率為72.5%，工作環境得到了很大程度的改善，有效減少作業區域粉塵飛揚對作業職工造成的身體傷害，同時也給企業降低因職工過量吸入煤（巖）塵產生的醫療費用和賠償，更有效地降低了采掘工作面煤塵爆炸的可能性，對現場施工安全起到有力保障。

4 結論

該項礦井綜合防塵技術的研究成果在邱集煤礦的成功應用，為開采7號煤層和11號煤層及相鄰礦井企業的粉塵防治提供了工藝方法和技術方案，并給具有煤塵爆炸隱患的在生產礦井提供了借鑒，為礦井降塵措施的實施、優化以及現場生產實踐提供參考依據，具有一定的推廣應用價值。