晶鑫煤業3218 綜采工作面粉塵防治技術研究與應用

王晉波

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業股份有限公司，山西 晉城 048100）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團晶鑫煤業3218 工作面井下位于井田西南部，北面為工作面煤體，南面為礦界保安煤柱，東面為3216 工作面，西面為3220 工作面，工作面傾斜長度為131m，走向長度749m，開采3# 煤層平均厚度為5.65m，煤層結構簡單，一般含0～2 層矸石，矸石厚0.07～0.55m，矸石為粉砂質泥巖或泥巖矸石，呈細條帶狀結構。煤層直接頂為平均厚度8.02m 細砂巖，基本頂為平均厚度為27.81m的粗砂巖，直接底為泥巖，直接底平均厚度2.36m。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，采煤機割煤高度為2.20m，放頂煤高度為3.45m，采放比為1:1.57，工作面巷道采用一進一回“U”型通風系統。

根據礦井地質資料可知，3# 煤層為低灰～中灰、特低硫、特高熱值無煙煤，煤層無煤塵爆炸性，但由于工作面采用綜放開采，工作面回采過程中會產生大量的粉塵，現為降低回采期間的粉塵，優化回采作業環境，特進行粉塵防治技術分析。

2 噴霧灑水防塵機理

采煤工作面的粉塵主要來源于采煤機割煤作業時，采煤機的持續割煤作業在工作面區域形成了移動的粉塵產生源頭，故為若要控制工作面內的粉塵含量，需對采煤機割煤作業時的粉塵進行有效防止。工作面回采過程中的產生的粉塵，一般其粒徑均在0.3μm 以下，在風流作用下粉塵會很容易被帶走，被風流吹起的粉塵呈布朗運動，由于粉塵自身的質量和粒徑均較小，故其具有很強的擴散能力，但粉塵在風流運動中會很容易與其他的物體相碰撞而沉降，粉塵慣性碰撞原理如圖 1（a）所示，圖中（b）為質量為 m 的粒子偏離流線后與液滴發生碰撞的最遠軌跡。若含塵氣流中存在著一液滴，氣流線會在也低的位置處發生偏移，氣流中的粉塵由于密度較大，其在運動慣性的作用下便會朝著液滴（捕集體）方面移動，粉塵中所有質量不小于m 顆粒均會與液滴之間發生碰撞而被液滴捕捉[1-2]，具體液滴捕塵機理如圖1 所示。

圖1 粉塵慣性碰撞和液滴捕塵機理示意圖

回采工作面噴霧灑水技術是通過灑水將粉塵與水霧顆粒間出現凝結而發生沉降，因此水霧噴灑的除塵效果主要取決于粉塵顆粒與水霧顆粒間的凝結效率。當僅采用移動速度恒定、不帶電的水霧顆粒進行捕塵時，其對直徑>10μm 的粉塵具有較高的捕塵效率，但其對顆粒為直徑<10μm 的粉塵捕塵效率較低，即對呼吸性粉塵的降塵效率較低；當采用帶電的水霧顆粒進行降塵時，由于靜電對塵粒靜電的吸引，能夠使得水霧顆粒的集塵效率得到有效的改善。

根據相關研究表明[3- 4]，通過提高單顆粒水霧的帶電量能夠顯著的提高其捕塵效率，水霧電荷比與注水壓力之間的關系曲線如圖2 所示，從圖2 中能夠看出，在噴霧水壓力在10MPa 的范圍內，電荷數會隨著噴霧水壓力的增大而逐漸增大，基于此可知采用提高噴霧水壓力的方式能夠提高水霧電荷比，進而提高噴霧灑水的降塵效率。

基于上述分析，結合3218 工作面特征，確定工作面采用高壓噴霧灑水系統進行防塵，設置噴霧水壓力為 6～7MPa。

3 防塵方案與效果

3.1 噴霧除塵系統

本次3218 工作面噴霧除塵系統主要包括滾筒采煤機機身噴霧除塵系統、滾筒噴霧除塵系統和液壓支架噴霧除塵系統。具體各個系統的參數如下：

1）采煤機身噴霧除塵系統。

采煤機噴霧系統的主要作用為在割煤作業前，通過噴霧灑水對煤壁進行預先濕潤，以此在粉塵的源頭位置對粉塵的產生進行抑制，3218 工作面采煤機身的處安設高壓電介霧化噴嘴，設置噴霧壓力為6～7MPa，噴嘴間距500mm，噴霧系統的噴角為35°，噴霧系統在該間距和噴角下能夠覆蓋整體采煤機，具體采煤機噴霧系統如圖3 所示。

圖3 采煤機噴霧系統示意圖

2）滾筒噴霧除塵系統。

本次滾筒處安設三級水幕，通過三級噴霧系統對粉塵進行攔截和潤濕，設置噴水壓力為6～7MPa，以充分使得空氣中的粉塵與水滴進行接觸，進而使得濕潤后的粉塵與其余的粉塵相接觸，逐漸形成粉塵顆粒團，最終使得粉塵在重力中的作用下沉淀，具體三級水幕和噴嘴效果如圖4 所示。

圖4 三級水幕和高壓噴水示意圖

通過采煤機滾筒上的安設粉塵濃度傳感器，設置在采煤機割煤作業時若粉塵濃度超過2mg/m3時，便自動啟動一級噴涂防塵噴嘴，當粉塵濃度超過3mg/m3時，在一級噴嘴運行的情況下，啟動二級除塵噴嘴，以此形成二級防塵水幕，當采煤機作業時，粉塵濃度大于4mg/m3時，設置自動啟動三級噴霧系統，形成三級防塵水幕，若通過噴霧系統將粉塵濃度降低至2mg/m3以下時，便自動關閉一二三級除塵噴嘴。

3）液壓支架噴霧除塵系統。

工作面采煤機割煤作業后，存在一部分割煤作業產生的粉塵會隨著風流傳播至回采工作面作業位置處，現為治理該部分區域的粉塵，通過在液壓支架的鉸接梁和前探梁處安設噴嘴，設置每天液壓支架均安設高壓噴嘴，即設置液壓支架處噴嘴的間距為1.3m，支架除塵噴霧系統安設在采煤前方3m的位置處，設置噴水壓力為6～7MPa。在工作面回采過程中，若出現工作面區域粉塵濃度過大現象時，此時通過粉塵濃度傳感器將其粉塵濃度數據傳遞至PLC 控制器上，進而通過控制器對液壓支架的噴霧范圍進行增大，以此保障除塵效率的最大化。

3.2 效果分析

3218 工作面回采期間，進行噴霧系統采用前后工作面區域粉塵濃度的測定作業，根據測試作業能夠得出不同位置處全塵和呼吸性粉塵的濃度數據，具體工作面噴霧系統采用前后粉塵濃度的數據如表1 所示。

通過分析表1 中的數據可知，在工作面采用了噴霧系統后，降塵效果顯著，工作面各個區域處與未采用降塵系統前相比，降塵率平均約為65.4%。據此可知，3218 工作面在采煤機身噴霧除塵系統、滾筒噴霧除塵系統和液壓支架噴霧除塵系統下，有效解決了工作面回采期間粉塵含量高的問題，優化了回采作業環境。

表1 3218 工作面噴霧灑水防塵系統使用前后粉塵濃度分布

4 結 論

根據3218 綜采工作面的具體地質條件，通過具體分析噴霧灑水防塵機理，確定工作面采用高壓噴霧灑水降塵技術進行粉塵防治，結合工作面情況，具體進行采煤機身噴霧除塵系統、滾筒噴霧除塵系統和液壓支架噴霧除塵系統設計。根據工作面采用噴霧除塵系統前后的粉塵濃度測試，得出3218工作面噴霧灑水降塵系統降塵效果顯著，優化了工作面回采作業環境。