綜采工作面除塵風機風幕降塵技術研究

羅 兵

（霍州煤電集團有限責任公司辛置煤礦，山西 霍州 031400）

引言

綜采法的廣泛應用滿足了行業對煤炭能源的需求，但也導致了生產現場粉塵產量的急劇增加[1]。據研究，綜采工作面粉塵產量占礦山總產量的60%～80%[2]。采煤工作面部分區域粉塵質量濃度超過3 000 mg/m3，遠遠超過國家衛生標準。

目前，煤層注水潤濕技術、噴霧抑塵和通風抑塵是綜采工作面防治粉塵污染的主要措施[3]。Hu 等人對瓦斯抽采鉆孔注水技術進行了研究，探討了注水量、注水速率、煤層含水率和煤塵量之間的關系。此外，Dung 等人對煤層的應用效果進行了評價，對同一煤層不同工作面注水技術進行了試驗研究。然而，煤層注水技術存在鉆井難度大、定向鉆井難度大、注水工藝設備復雜等缺點[4]。

鑒于目前的除塵現狀，考慮到經濟性、實用性、易用性等因素，具有高度針對性的除塵技術已成為發展趨勢[5]。因此，本文以降低粉塵濃度極高的采煤機駕駛員工作區粉塵濃度為研究重點，創新性地開發了面向綜采工作面的帶除塵風機的有針對性風幕降塵技術。

1 風幕除塵技術對氣流運動的影響

1.1 應用除塵技術前的氣流場

由圖1 可以看出，進風口下游70 m 區域內氣流場相對穩定，風速在1.5 m/s 左右。由于超前支架的影響，氣流受到干擾，進風口轉角風速超過2 m/s。隨著進風角氣流方向的改變，超前支護完井區下游5 m區域內氣流狀態混亂，風流率較高。

圖1 風速數據前應用降塵技術

不推進支護區內巷道規則、寬。在煤壁和液壓支架受阻的情況下，氣流場能量損失逐漸增大，氣流速率降低;此外，巷道的風速下降到0.5 m/s，人行道下降到0.15 m/s。回風角迎風側50 m 區域的氣流返回到采煤區，采煤區風速逐漸增大，回風角風速增大到2.6 m/s。不推進支援區總體風速呈現先減小后增大的趨勢。在回風角下游40 m 區域，由于先進支架、分級裝載機和破碎機的存在，氣流運動受到干擾，風速變化較大，設備上方風速超過2 m/s 之后，氣流場逐漸穩定，在出風口附近風速在1.6 m/s 左右有輕微波動。

1.2 應用除塵技術后的氣流場

通過模擬，確定了采用除塵技術后的氣流場狀況，并與未采用除塵技術時的氣流場狀況進行了比較。從而確定了該工藝對氣流場的影響。

應用抑塵技術前后綜采工作面風流總體變化不大;進風口的風速也在1.5 m/s 左右，進風口轉角的人行通道的風速在2 m/s 以上。如圖2 所示，回風道的氣流流動也基本相似。兩者相差較大的區域是前進支援區。在除塵技術應用之前，采煤機附近的風速不超過1.2 m/s。然而，在該技術應用后，可以清楚地發現，兩者之間形成了一個三角形的高風速區采煤機機身和巷道，風速超過2 m/s，與周圍氣流有較大的速度梯度差。

圖2 風速數據后應用降塵技術

通過對比降塵技術應用前后采煤機附近的氣流場，詳細闡明了風機對綜采工作面氣流的影響。氣流的流動狀態用箭頭表示，箭頭的方向表示氣流的流動方向，顏色表示風速。

除塵技術應用后，在風機出風口后方形成了高速氣流，風速超過2 m/s。由于高速氣流與周圍氣流之間存在較大的速度梯度差，高速氣流場在流動過程中不斷發生變化，其速度逐漸減小，流動橫截面積逐漸增大。

2 風幕除塵技術在減少環境粉塵污染方面的有效性

2.1 綜采工作面應用降塵技術前后粉塵濃度的總體變化

如圖3 所示，應用除塵技術后，粉塵質量濃度在3 000 mg/m3以上的區域附近的沙塵含量大大降低，沙塵質量濃度迅速下降到1 000 mg/m3，降低了超前支護區粉塵質量濃度。駕駛員主要活動區域呼吸區粉塵質量濃度約為200 mg/m3。因此，風幕下風側的粉塵質量濃度迅速增加到1 000 mg/m3。采煤機前輥的粉塵質量濃度仍在3 000 mg/m3以上，但高濃度區長度減小到5 m，前滾筒下風側10 m 后的粉塵質量濃度不超過1 300 mg/m3，100 m 后降至750 mg/m3以下。回風道里的粉塵質量濃度不超過600 mg/m3。總體而言，粉塵控制技術的應用降低了綜采工作面總粉塵濃度，使得井下環境得到改善。

圖3 應用除塵技術前后人行道呼吸區的粉塵濃度數據

2.2 應用該技術前后超前支護區粉塵濃度的變化

通過對比兩組粉塵濃度數據可知，風機將采煤機駕駛員工作區域的粉塵質量濃度降低到200 mg/m3，而原粉塵質量濃度超過2 000 mg/m3，有的地方粉塵質量濃度超過3 000 mg/m3。由此可見，粉塵控制技術顯著降低了采煤機駕駛員工作區域的粉塵濃度，大大提高了環境質量。

總體而言，應用風幕降塵技術降低了綜采工作面粉塵濃度，特別是采煤機駕駛員工作區域粉塵濃度明顯降低，有效凈化了駕駛員工作環境，在一定程度上改善了綜采工作面整體工作環境。

2.3 現場測量

在模擬結果的基礎上，在現場安裝除塵風機，測量粉塵濃度。

為了驗證技術的除塵效果，考慮塵埃在煤炭工人他們的鼻子和嘴的高度，測量點安排在人行道的呼吸帶的高度推進支持區域，其他代表區域。

如圖4 所示，模擬結果與實測結果產生的粉塵濃度特性非常相似，相對誤差在12%以內，說明模擬結果較為準確，與現場實際情況基本一致。

圖4 比較了粉塵濃度的實測值和模擬值

從下頁表1 可以看出，在應用該技術之前，采煤機駕駛員工作區域巷道內粉塵質量濃度超過2 150 mg/m3。應用后，除推進支護外，各測點的治塵率均超過40%。采煤機駕駛員區粉塵控制率最高（高于90%），粉塵質量濃度小于210 mg/m3。其他測點平均治塵率為45.33%。

表1 粉塵控制技術的粉塵污染控制和防治效果

3 結論

1）應用抑塵技術前后，綜采工作面(超前支護區除外)的氣流場變化較小。采煤區總體風速呈現先減小后增大的特征。該技術應用后，在超前支護區形成了高速氣流場，采煤機與巷道之間形成了三角形氣幕。

2）本技術應用前采煤機駕駛員工作區域粉塵質量濃度超過2 100 mg/m3，采煤機前輥下風側巷道70 m區域粉塵質量濃度不低于1 700 mg/m3。降塵技術應用后，采煤機駕駛員工作區域的粉塵質量濃度降低到200 mg/m3左右，采煤機前滾輪下風側巷道60 m的面積粉塵質量濃度不超過1 300 mg/m3。現場測量結果與模擬結果基本一致。除超前支護外，各測點粉塵治愈率均在40%以上，采煤機駕駛員工作區域粉塵治愈率在90%以上。