上社礦15502進風巷掘進工作面噴霧降塵技術研究與應用

張 濤

（晉能集團陽泉公司上社煤礦，山西 盂縣 045100）

1 工程概況

陽泉市上社煤炭有限責任公司屬于屬煤與瓦斯突出礦井，15502工作面位于15號煤層五采區，工作面開采15號煤層，煤層厚度4.1～7.4 m，平均厚度5.4 m，平均傾角為6°，煤層直接頂為石灰巖、泥巖互層，平均厚度12.3 m，；直接底為黑色粉砂質泥巖，平均厚度約5.4 m；煤層內生節理裂隙發育，煤層回采及掘進工作面最大涌出量分別為37.7 m3/min和4.8 m3/min；煤層水文地質類型為中等，不易自燃煤層，煤塵具有爆炸性。

15502進風巷用作15502工作面的進風、運輸、行人等，巷道埋深240～300 m，設計長度約510 m，巷道斷面呈矩形，掘進寬5.2 m，掘進高4.5 m；沿煤層頂板采用綜掘機進行掘進作業，為優化掘進工作面作業環境，特進行工作面粉塵濃度測試及噴霧降塵技術研究。

2 粉塵分布規律分析

為掌握15502進風巷掘進工作面的粉塵分布形態，特在巷道掘進期間進行粉塵濃度和粉塵分散度的測試分析，具體粉塵濃度和分散度的測定如下：

1）粉塵濃度測試：粉塵濃度的測定通過現場取樣，帶回實驗室采用濾膜測重法進行測試[1-2]；在進風巷掘進工作面內布置9個粉塵采樣點，采樣點的測塵高度布置在距離巷道底板1.5 m位置處，該位置處于工作人員呼吸帶的位置，采樣點采用CCZ-1000型直讀式粉塵濃度測量儀，粉塵測試點分別布置在掘進機司機處、距離掘進機頭5、10、15、20、50、100、150、200、300、500 m及 轉 載 點 的 位 置處，具體粉塵濃度采樣點布置形式如圖1所示。

圖1 粉塵濃度采樣點布置示意圖

根據粉塵濃度的測試結果，可繪制出掘進工作面粉塵濃度的沿程分布曲線如圖2所示。

圖2 15502進風巷掘進工作面沿程粉塵濃度分布曲線圖

分析圖2可知，隨著采樣點與掘進頭間距離的增大，粉塵濃度呈現出先增大后減小的趨勢，其中工作面全塵和呼塵濃度的最大值均在距離掘進頭5 m位置處取得，全塵濃度最大值為285 mg/m3，呼塵濃度最大值為62 mg/m3；隨著采樣點與掘進頭間距離的增大，采樣點的粉塵濃度呈現出逐漸快速下降的趨勢；當采樣點與掘進頭間的距離大于50 m時，全塵濃度下降至100 mg/m3以下；隨著距離的進一步增大，粉塵濃度的下降幅度逐漸減小，此時粉塵濃度基本達到穩定狀態；另外從圖中可看出，呼吸性粉塵在距離工作面100 m后，隨著與掘進頭間距離的變化，粉塵濃度基本呈現出很小的變化，造成這一現象的原因主要有2方面，其一為呼吸性粉塵不易沉降；其二為呼吸性粉塵會隨著風流的運動而不斷運動，進而彌漫到整條巷道內，進而出現滯后工作面一定距離后呼吸性粉塵濃度基本達到穩定狀態。

2）粉塵分散度測試：粉塵分散度表示微細粉塵占總粉塵的比例，由于空氣中懸浮的粉塵直徑均在10μm以下，該粒徑的粉塵均處于懸浮狀態，其中粒徑小于2μm的粉塵最易被人體吸入[3-4]；粉塵分散度采用在濾膜采樣后，將粉塵防治與有機溶劑中，形成觀測標本，以通過顯微鏡進行分散度的測定作業；在粉塵分散度現場取樣時，分別在距離工作面5、10、20、50、100 m的位置處取樣，取樣點同樣在距離底板1.5 m呼吸帶位置處。

根據粉塵分散度測試結果，可繪制出掘進工作面100 m范圍內粉塵分散度曲線圖，如圖3所示，圖中D25代表頻率為10%的粉塵粒徑，其余D25、D50、D75、D90均代表類似含義。

分析圖3可知，隨著距離掘進工作面距離的增大，同一級別粉塵粒徑呈現出逐漸減小的趨勢，且該種遞減趨勢在粒度級別高的粉塵中顯現的更為明顯；另外從圖中能夠看出，在掘進工作面10 m范圍內，含塵氣流中大顆粒的粉塵含量較多；在掘進頭10 m以后，大顆粒的粉塵基本已經沉降，而小顆粒的粉塵仍在空氣中處于浮游狀態，此時隨著距掘進頭距離的增大，風流中粉塵粒徑已趨于穩定，此時即表明粉塵已經擴散彌漫至整個掘進斷面。

圖3 掘進工作面粉塵分散度曲線圖

綜合上述分析可知，15502進風巷掘進工作面粉塵濃度最大值在距掘進頭5 m的位置處取得，呼吸性粉塵在距掘進頭10 m的范圍內均較高；同級別的粉塵粒徑隨距工作面沿程距離的增大而逐漸減小，且該種現象在大粒徑粉塵上較為明顯。

3 噴霧降塵技術

3.1 噴霧降塵方案

根據15502工作面進風巷的特征，結合上述掘進工作面粉塵濃度和分散度的測試結果，現在設計噴霧降塵系統包括掘進頭噴霧降塵和皮帶機噴霧降塵，具體各項降塵措施如下：

1）掘進頭噴霧降塵：在綜掘機上采用油壓-水壓轉換裝置（見圖4），通過掘進機上的液壓油驅動液壓水泵，以實現獲取高壓水，采用油壓-水壓轉換裝置的高壓水噴霧系統具有功能齊全、可靠性高、其能夠通過高壓油轉化為高壓水、能夠在掘進機司機處實現任意調節噴霧水壓力和流量[5-6]，不影響掘進機視線的條件下提高降塵率。

圖4 油壓轉換裝置示意圖

噴霧系統中采用螺旋牙水芯噴嘴，該噴嘴的霧化原理為壓力-離心原理，產生的霧流形狀為空心圓錐形，實現的霧化質量分布均勻且霧粒細小，具體螺旋牙水芯噴嘴外觀和剖面結構如圖5所示。

圖5 螺旋牙水芯噴嘴示意圖

2）皮帶機噴霧降塵：在皮帶機上方60 cm位置處設置噴霧水管，每隔5 m布置1根橫向水管，并在橫向水管上安裝4個噴頭；采用液壓槍扳機將噴霧水管與供水管路相連，且在液壓扳機處連接一個擋板以實現煤巖接觸擋板后，可將擋板抬起，以觸發液壓槍彈簧開關，實現噴霧的自動打開，如圖6所示。

圖6 皮帶機噴霧降塵布置形式示意圖

本次噴霧系統中所采用的噴霧水腫摻入抑塵劑，該種抑塵劑的摻入比例為3‰，該類抑塵劑可提高霧粒和塵粒的親和力，促使塵粒的凝結與沉降；另一方面該抑塵劑可實現長時間保持粉塵的濕潤性抑制粉塵的二次飛揚。抑塵劑噴霧結構見圖7。

圖7 抑塵劑噴霧結構示意圖

3.2 效果分析

為分析15502工作面噴霧系統實施后的效果，現分別在掘進機司機處、刮板轉載點和運輸轉載點的位置處分別進行噴霧系統采用前后全塵和呼塵濃度的測試，測試結果見表1。

表1 噴霧系統實施前后掘進工作面全塵和呼塵濃度數據表

分析表1可知，在進風巷掘進工作面采用噴霧系統后，掘進期間，巷道內不同位置處全塵和呼塵降塵效果均較為顯著，全塵降塵率最高出現在運輸機轉載點的位置處，可達到83.7%，呼塵降塵率最高出現在運輸轉載點位置處，達到82.5%。噴霧系統實施后，在掘進工作面各個區域，全塵的降塵率在80.5%～84%之間，呼塵的降塵率在80%～83%之間，降塵效果顯著。

4 結論

根據15502進風巷掘進工作面地質條件及特征，通過現場實測的方式進行掘進工作面粉塵濃度及分散度的測試，結合粉塵濃度測試結果，分別進行掘進頭和皮帶機噴霧系統的設計，根據噴霧系統實施前后的粉塵濃度測試結果知，噴霧降塵系統實施后，降塵效果顯著。