綜掘工作面粉塵運移規律及噴霧降塵技術

毛曉勇

（山西焦煤霍州煤電呂梁山公司店坪礦井，山西 方山 033102）

1 工程概況

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦9-205 工作面位于830 水平南翼，東與830 水平南翼軌道巷相通，西至井田邊界，南為實體煤，北與9-2072 巷相鄰（間隔251 m）。9#煤上部主要可采煤層為5#煤層，工作面上部對應5#煤為實體煤，9#煤層均厚2.9 m，含有兩到三層夾矸，夾矸多為砂質泥巖，厚度為0.2～0.45 m，煤層傾角1°～5°，屬于近水平煤層，煤層頂板為砂巖，底板為砂質泥巖。9-2052 巷主要擔負著9-205 回采工作面的運輸、回風、行人等任務，同時留巷為9-203 工作面服務。該巷道沿9#煤層頂板掘進，巷道斷面為矩形，凈寬×凈高=5.0 m×3.1 m，支護方式采用錨網梁、錨索聯合支護。

根據礦井地質資料知9#煤層硬度系數f=3，煤層節理裂隙發育程度為中等發育，掘進工作面瓦斯絕對和相對涌出量分別為2.45 m3/min 和0.76 m3/t，煤塵爆炸指數為19.79%，具有爆炸危險性。9-2052巷采用綜掘機進行掘進作業，采用壓入式風筒進行通風。為優化巷道掘進工作面的作業環境，進一步降低粉塵濃度，需對工作面粉塵運移規律進行分析，以便采取相應的粉塵治理技術措施。

2 粉塵運移規律

綜掘機在進行掘進作業時會產生大量的煤塵和巖塵，產塵的主要作業環節包括機械打眼、火藥爆破、截割機截煤、摩擦振動及入風流中含有的浮游態的粉塵。現為充分掌握9-2052 巷掘進工作面掘進作業時的粉塵濃度，采用《工作場所空氣中有害物質檢測的采樣規范》中推薦測試方法進行掘進工作面粉塵濃度的測試，測試方法采用濾膜計重測塵法，該方法采樣點粉塵濃度G 的計算公式如下：

式中：W1、W2分別為濾膜采樣前和采樣后的質量，mg；T 為采樣時間，h；Q 為采樣流量，m3/h。

9-2052 巷掘進工作面粉塵采樣點布置如圖1。在井下掘進工作面進行采樣點粉塵濃度測試時，每個采樣點進行三組粉塵濃度的測試，取三次測試的平均值作為該采樣點粉塵濃度的數據。

圖1 掘進工作面粉塵采樣點布置圖

在進行現場測試時，測點布置在距離巷道底板1.5 m 的位置處，采樣時分別在掘進機自帶噴霧和不自帶噴霧兩種情況下進行。根據測試結果能夠得出綜掘工作面粉塵濃度的測試結果見表1、表2。

基于表1 和表2 中的數據可繪制出掘進工作面在噴霧和不噴霧狀態下的粉塵濃度分布曲線圖，如圖2。

表1 綜掘工作面噴霧狀態下粉塵濃度數據表

表2 綜掘工作面不噴霧狀態下粉塵濃度數據表

圖2 掘進機噴霧和不噴霧狀態下粉塵濃度分布曲線圖

分析表1、表2 和圖2 可知，掘進機在噴霧狀態下的粉塵濃度明顯比不噴霧狀態下低。在距掘進工作面0～10 m 的范圍內，掘進機噴霧狀態下的全塵濃度平均比不噴霧狀態下的濃度低500 mg/m3，呼塵濃度平均低150 mg/m3；當測點距掘進工作面距離大于10 m 時，此時兩種狀態下的粉塵濃度基本相等；當測點距離掘進工作面50 m 后，呼塵濃度基本為零，此時全塵濃度同樣很低。

另外從圖中能夠看出，粉塵濃度最大值的位置并非出現在掘進工作面塵源點附近，綜掘工作面風流下方10 m 范圍內的粉塵濃度為掘進工作面的最大值，當距離綜掘工作面的距離大于10 m 時，粉塵濃度開始大幅降低。出現這種現象的主要原因為掘進工作面中的風流會對掘進作業產生的粉塵起到一定的推動作業，進而導致塵源點產生的粉塵會在風流的作用下滑移一段距離后才會沉降，進而出現了塵源點附近的粉塵濃度并非掘進巷道內粉塵濃度最大值的現象。

3 高壓噴霧降塵技術

3.1 降塵方案

基于9-2052 巷掘進工作面的地質條件，結合上述掘進工作面粉塵分布規律，現分別設計腰部以上和腰部以下切割位置降塵方式，具體如下：

（1）腰部以上切割位置降塵方式。根據相關研究表明，在掘進工作面進行掘進作業時，掘進作業產生的粉塵量占到粉塵總量的70%[1-2]，進一步掘進作業時產塵又以落煤煤塵和切割頭運動產生的煤塵為主。當噴霧壓力達到10 MPa、流量40 L/min、霧化顆粒為150～200 μm 時，噴嘴的安裝應主要針對落塵區，在掘進機下噴頭組開啟的狀態下進行掘進作業，降塵率可達到70%。具體腰部以上切割位置降塵方式如圖3。該種降塵主要通過噴嘴噴出的水霧顆粒，使噴霧顆粒與粉塵顆粒之間產生碰撞，進而實現對粉塵顆粒的包裹，以此捕獲空氣中的粉塵。

圖3 腰部以上切割位置降塵方式示意圖

（2）腰部以下切割位置降塵方式。掘進作業時，在掘進機腰部以下區域產塵量達到掘進工作面產塵總量的20%，且粉塵主要以揚塵為主。相關研究表明[3-4]，當噴嘴的安裝角度主要針對揚塵區域、噴霧流量為15 L/min、噴霧霧化粒徑為100～150 μm 時，通過開啟上噴嘴達到90%的降塵率。該種降塵方式同樣是利用水霧作為載體，在噴霧射程范圍內，能夠使得絕大多數水粒在煤壁上附著。具體該種降塵方式如圖4。

圖4 腰部以下切割位置降塵方式示意圖

（3）高壓噴嘴的選擇。為防止噴嘴出現堵塞現象，根據目前現有的噴嘴類型，確定本次選擇采用螺旋牙水芯噴嘴。噴嘴的霧化原理為壓力—離心—二次霧化，產生的水霧形狀為旋轉實心圓錐形，可實現噴霧噴出的水霧分布均勻、霧細和荷電霧粒多的優點[5-6]。

（4）高壓霧化泵的選擇。本次噴霧系統噴霧泵采用柱塞泵，泵機壓力值為12.5 MPa，標稱值流量為63 L/min。

綜合上述降塵技術參數，確定在掘進機上安裝兩套功率為4 kW 的高壓降塵系統，共計布置8 個噴嘴，4 個噴嘴為一組，每套降塵系統上分別設置1 組噴嘴，噴嘴直徑為1 mm。高壓降塵系統采用粉塵傳感器進行高壓噴霧的啟停作業。高壓噴霧降塵系統布置示意圖如圖5。

圖5 高壓噴霧降塵系統布置示意圖

3.2 效果分析

為分析高壓噴霧系統實施的效果，在綜掘機司機位置處設置粉塵濃度測試點，通過粉塵濃度測定儀分別測定噴霧降塵系統實施前后的全塵及呼塵濃度，根據監測結果得出如表3 的對比數據。

表3 高壓噴霧降塵技術實施前后粉塵濃度對比

分析表3 可知，9-2052 巷掘進工作面未采用高壓噴霧系統時，掘進工作面的全塵和呼塵的濃度均較大，在噴霧系統實施后，在綜掘機司機處全塵和呼塵的平均降低率均在80%以上，降塵效果顯著。

4 結論

根據9-2052 巷掘進工作面的具體地質條件，采用現場實測的方式進行掘進工作面粉塵運移規律的分析，結合粉塵運移規律分析結果進行噴霧降塵方案設計，確定噴霧系統由掘進機腰部以上和腰部以下切割位置降塵方式組成。根據測試噴霧降塵技術實施前后工作面的粉塵濃度可知，高壓噴霧降塵技術實施后，掘進工作面全塵和呼塵均大幅降低，降塵效果顯著。