綜采工作面除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)幕降塵技術(shù)研究

羅 兵

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司辛置煤礦，山西 霍州 031400）

引言

綜采法的廣泛應(yīng)用滿足了行業(yè)對煤炭能源的需求，但也導(dǎo)致了生產(chǎn)現(xiàn)場粉塵產(chǎn)量的急劇增加[1]。據(jù)研究，綜采工作面粉塵產(chǎn)量占礦山總產(chǎn)量的60%～80%[2]。采煤工作面部分區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度超過3 000 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

目前，煤層注水潤濕技術(shù)、噴霧抑塵和通風(fēng)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(shù)進(jìn)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(guān)系。此外，Dung 等人對煤層的應(yīng)用效果進(jìn)行了評價(jià)，對同一煤層不同工作面注水技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。然而，煤層注水技術(shù)存在鉆井難度大、定向鉆井難度大、注水工藝設(shè)備復(fù)雜等缺點(diǎn)[4]。

鑒于目前的除塵現(xiàn)狀，考慮到經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、易用性等因素，具有高度針對性的除塵技術(shù)已成為發(fā)展趨勢[5]。因此，本文以降低粉塵濃度極高的采煤機(jī)駕駛員工作區(qū)粉塵濃度為研究重點(diǎn)，創(chuàng)新性地開發(fā)了面向綜采工作面的帶除塵風(fēng)機(jī)的有針對性風(fēng)幕降塵技術(shù)。

1 風(fēng)幕除塵技術(shù)對氣流運(yùn)動(dòng)的影響

1.1 應(yīng)用除塵技術(shù)前的氣流場

由圖1 可以看出，進(jìn)風(fēng)口下游70 m 區(qū)域內(nèi)氣流場相對穩(wěn)定，風(fēng)速在1.5 m/s 左右。由于超前支架的影響，氣流受到干擾，進(jìn)風(fēng)口轉(zhuǎn)角風(fēng)速超過2 m/s。隨著進(jìn)風(fēng)角氣流方向的改變，超前支護(hù)完井區(qū)下游5 m區(qū)域內(nèi)氣流狀態(tài)混亂，風(fēng)流率較高。

圖1 風(fēng)速數(shù)據(jù)前應(yīng)用降塵技術(shù)

不推進(jìn)支護(hù)區(qū)內(nèi)巷道規(guī)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(fēng)速下降到0.5 m/s，人行道下降到0.15 m/s。回風(fēng)角迎風(fēng)側(cè)50 m 區(qū)域的氣流返回到采煤區(qū)，采煤區(qū)風(fēng)速逐漸增大，回風(fēng)角風(fēng)速增大到2.6 m/s。不推進(jìn)支援區(qū)總體風(fēng)速呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在回風(fēng)角下游40 m 區(qū)域，由于先進(jìn)支架、分級裝載機(jī)和破碎機(jī)的存在，氣流運(yùn)動(dòng)受到干擾，風(fēng)速變化較大，設(shè)備上方風(fēng)速超過2 m/s 之后，氣流場逐漸穩(wěn)定，在出風(fēng)口附近風(fēng)速在1.6 m/s 左右有輕微波動(dòng)。

1.2 應(yīng)用除塵技術(shù)后的氣流場

通過模擬，確定了采用除塵技術(shù)后的氣流場狀況，并與未采用除塵技術(shù)時(shí)的氣流場狀況進(jìn)行了比較。從而確定了該工藝對氣流場的影響。

應(yīng)用抑塵技術(shù)前后綜采工作面風(fēng)流總體變化不大;進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速也在1.5 m/s 左右，進(jìn)風(fēng)口轉(zhuǎn)角的人行通道的風(fēng)速在2 m/s 以上。如圖2 所示，回風(fēng)道的氣流流動(dòng)也基本相似。兩者相差較大的區(qū)域是前進(jìn)支援區(qū)。在除塵技術(shù)應(yīng)用之前，采煤機(jī)附近的風(fēng)速不超過1.2 m/s。然而，在該技術(shù)應(yīng)用后，可以清楚地發(fā)現(xiàn)，兩者之間形成了一個(gè)三角形的高風(fēng)速區(qū)采煤機(jī)機(jī)身和巷道，風(fēng)速超過2 m/s，與周圍氣流有較大的速度梯度差。

圖2 風(fēng)速數(shù)據(jù)后應(yīng)用降塵技術(shù)

通過對比降塵技術(shù)應(yīng)用前后采煤機(jī)附近的氣流場，詳細(xì)闡明了風(fēng)機(jī)對綜采工作面氣流的影響。氣流的流動(dòng)狀態(tài)用箭頭表示，箭頭的方向表示氣流的流動(dòng)方向，顏色表示風(fēng)速。

除塵技術(shù)應(yīng)用后，在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口后方形成了高速氣流，風(fēng)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(dòng)過程中不斷發(fā)生變化，其速度逐漸減小，流動(dòng)橫截面積逐漸增大。

2 風(fēng)幕除塵技術(shù)在減少環(huán)境粉塵污染方面的有效性

2.1 綜采工作面應(yīng)用降塵技術(shù)前后粉塵濃度的總體變化

如圖3 所示，應(yīng)用除塵技術(shù)后，粉塵質(zhì)量濃度在3 000 mg/m3以上的區(qū)域附近的沙塵含量大大降低，沙塵質(zhì)量濃度迅速下降到1 000 mg/m3，降低了超前支護(hù)區(qū)粉塵質(zhì)量濃度。駕駛員主要活動(dòng)區(qū)域呼吸區(qū)粉塵質(zhì)量濃度約為200 mg/m3。因此，風(fēng)幕下風(fēng)側(cè)的粉塵質(zhì)量濃度迅速增加到1 000 mg/m3。采煤機(jī)前輥的粉塵質(zhì)量濃度仍在3 000 mg/m3以上，但高濃度區(qū)長度減小到5 m，前滾筒下風(fēng)側(cè)10 m 后的粉塵質(zhì)量濃度不超過1 300 mg/m3，100 m 后降至750 mg/m3以下。回風(fēng)道里的粉塵質(zhì)量濃度不超過600 mg/m3。總體而言，粉塵控制技術(shù)的應(yīng)用降低了綜采工作面總粉塵濃度，使得井下環(huán)境得到改善。

圖3 應(yīng)用除塵技術(shù)前后人行道呼吸區(qū)的粉塵濃度數(shù)據(jù)

2.2 應(yīng)用該技術(shù)前后超前支護(hù)區(qū)粉塵濃度的變化

通過對比兩組粉塵濃度數(shù)據(jù)可知，風(fēng)機(jī)將采煤機(jī)駕駛員工作區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度降低到200 mg/m3，而原粉塵質(zhì)量濃度超過2 000 mg/m3，有的地方粉塵質(zhì)量濃度超過3 000 mg/m3。由此可見，粉塵控制技術(shù)顯著降低了采煤機(jī)駕駛員工作區(qū)域的粉塵濃度，大大提高了環(huán)境質(zhì)量。

總體而言，應(yīng)用風(fēng)幕降塵技術(shù)降低了綜采工作面粉塵濃度，特別是采煤機(jī)駕駛員工作區(qū)域粉塵濃度明顯降低，有效凈化了駕駛員工作環(huán)境，在一定程度上改善了綜采工作面整體工作環(huán)境。

2.3 現(xiàn)場測量

在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)場安裝除塵風(fēng)機(jī)，測量粉塵濃度。

為了驗(yàn)證技術(shù)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(diǎn)安排在人行道的呼吸帶的高度推進(jìn)支持區(qū)域，其他代表區(qū)域。

如圖4 所示，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果產(chǎn)生的粉塵濃度特性非常相似，相對誤差在12%以內(nèi)，說明模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，與現(xiàn)場實(shí)際情況基本一致。

圖4 比較了粉塵濃度的實(shí)測值和模擬值

從下頁表1 可以看出，在應(yīng)用該技術(shù)之前，采煤機(jī)駕駛員工作區(qū)域巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度超過2 150 mg/m3。應(yīng)用后，除推進(jìn)支護(hù)外，各測點(diǎn)的治塵率均超過40%。采煤機(jī)駕駛員區(qū)粉塵控制率最高（高于90%），粉塵質(zhì)量濃度小于210 mg/m3。其他測點(diǎn)平均治塵率為45.33%。

表1 粉塵控制技術(shù)的粉塵污染控制和防治效果

3 結(jié)論

1）應(yīng)用抑塵技術(shù)前后，綜采工作面(超前支護(hù)區(qū)除外)的氣流場變化較小。采煤區(qū)總體風(fēng)速呈現(xiàn)先減小后增大的特征。該技術(shù)應(yīng)用后，在超前支護(hù)區(qū)形成了高速氣流場，采煤機(jī)與巷道之間形成了三角形氣幕。

2）本技術(shù)應(yīng)用前采煤機(jī)駕駛員工作區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度超過2 100 mg/m3，采煤機(jī)前輥下風(fēng)側(cè)巷道70 m區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度不低于1 700 mg/m3。降塵技術(shù)應(yīng)用后，采煤機(jī)駕駛員工作區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度降低到200 mg/m3左右，采煤機(jī)前滾輪下風(fēng)側(cè)巷道60 m的面積粉塵質(zhì)量濃度不超過1 300 mg/m3。現(xiàn)場測量結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致。除超前支護(hù)外，各測點(diǎn)粉塵治愈率均在40%以上，采煤機(jī)駕駛員工作區(qū)域粉塵治愈率在90%以上。