綜掘工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律及噴霧降塵技術(shù)

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(tuán)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(shí)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(duì)應(yīng)5#煤為實(shí)體煤，9#煤層均厚2.9 m，含有兩到三層夾矸，夾矸多為砂質(zhì)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(zhì)泥巖。9-2052 巷主要擔(dān)負(fù)著9-205 回采工作面的運(yùn)輸、回風(fēng)、行人等任務(wù)，同時(shí)留巷為9-203 工作面服務(wù)。該巷道沿9#煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，凈寬×凈高=5.0 m×3.1 m，支護(hù)方式采用錨網(wǎng)梁、錨索聯(lián)合支護(hù)。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料知9#煤層硬度系數(shù)f=3，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育程度為中等發(fā)育，掘進(jìn)工作面瓦斯絕對(duì)和相對(duì)涌出量分別為2.45 m3/min 和0.76 m3/t，煤塵爆炸指數(shù)為19.79%，具有爆炸危險(xiǎn)性。9-2052巷采用綜掘機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，采用壓入式風(fēng)筒進(jìn)行通風(fēng)。為優(yōu)化巷道掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境，進(jìn)一步降低粉塵濃度，需對(duì)工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行分析，以便采取相應(yīng)的粉塵治理技術(shù)措施。

2 粉塵運(yùn)移規(guī)律

綜掘機(jī)在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵和巖塵，產(chǎn)塵的主要作業(yè)環(huán)節(jié)包括機(jī)械打眼、火藥爆破、截割機(jī)截煤、摩擦振動(dòng)及入風(fēng)流中含有的浮游態(tài)的粉塵。現(xiàn)為充分掌握9-2052 巷掘進(jìn)工作面掘進(jìn)作業(yè)時(shí)的粉塵濃度，采用《工作場(chǎng)所空氣中有害物質(zhì)檢測(cè)的采樣規(guī)范》中推薦測(cè)試方法進(jìn)行掘進(jìn)工作面粉塵濃度的測(cè)試，測(cè)試方法采用濾膜計(jì)重測(cè)塵法，該方法采樣點(diǎn)粉塵濃度G 的計(jì)算公式如下：

式中：W1、W2分別為濾膜采樣前和采樣后的質(zhì)量，mg；T 為采樣時(shí)間，h；Q 為采樣流量，m3/h。

9-2052 巷掘進(jìn)工作面粉塵采樣點(diǎn)布置如圖1。在井下掘進(jìn)工作面進(jìn)行采樣點(diǎn)粉塵濃度測(cè)試時(shí)，每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行三組粉塵濃度的測(cè)試，取三次測(cè)試的平均值作為該采樣點(diǎn)粉塵濃度的數(shù)據(jù)。

圖1 掘進(jìn)工作面粉塵采樣點(diǎn)布置圖

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，測(cè)點(diǎn)布置在距離巷道底板1.5 m 的位置處，采樣時(shí)分別在掘進(jìn)機(jī)自帶噴霧和不自帶噴霧兩種情況下進(jìn)行。根據(jù)測(cè)試結(jié)果能夠得出綜掘工作面粉塵濃度的測(cè)試結(jié)果見表1、表2。

基于表1 和表2 中的數(shù)據(jù)可繪制出掘進(jìn)工作面在噴霧和不噴霧狀態(tài)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(tài)下粉塵濃度數(shù)據(jù)表

表2 綜掘工作面不噴霧狀態(tài)下粉塵濃度數(shù)據(jù)表

圖2 掘進(jìn)機(jī)噴霧和不噴霧狀態(tài)下粉塵濃度分布曲線圖

分析表1、表2 和圖2 可知，掘進(jìn)機(jī)在噴霧狀態(tài)下的粉塵濃度明顯比不噴霧狀態(tài)下低。在距掘進(jìn)工作面0～10 m 的范圍內(nèi)，掘進(jìn)機(jī)噴霧狀態(tài)下的全塵濃度平均比不噴霧狀態(tài)下的濃度低500 mg/m3，呼塵濃度平均低150 mg/m3；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距掘進(jìn)工作面距離大于10 m 時(shí)，此時(shí)兩種狀態(tài)下的粉塵濃度基本相等；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離掘進(jìn)工作面50 m 后，呼塵濃度基本為零，此時(shí)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(xiàn)在掘進(jìn)工作面塵源點(diǎn)附近，綜掘工作面風(fēng)流下方10 m 范圍內(nèi)的粉塵濃度為掘進(jìn)工作面的最大值，當(dāng)距離綜掘工作面的距離大于10 m 時(shí)，粉塵濃度開始大幅降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)榫蜻M(jìn)工作面中的風(fēng)流會(huì)對(duì)掘進(jìn)作業(yè)產(chǎn)生的粉塵起到一定的推動(dòng)作業(yè)，進(jìn)而導(dǎo)致塵源點(diǎn)產(chǎn)生的粉塵會(huì)在風(fēng)流的作用下滑移一段距離后才會(huì)沉降，進(jìn)而出現(xiàn)了塵源點(diǎn)附近的粉塵濃度并非掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵濃度最大值的現(xiàn)象。

3 高壓噴霧降塵技術(shù)

3.1 降塵方案

基于9-2052 巷掘進(jìn)工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合上述掘進(jìn)工作面粉塵分布規(guī)律，現(xiàn)分別設(shè)計(jì)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(jù)相關(guān)研究表明，在掘進(jìn)工作面進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)作業(yè)產(chǎn)生的粉塵量占到粉塵總量的70%[1-2]，進(jìn)一步掘進(jìn)作業(yè)時(shí)產(chǎn)塵又以落煤煤塵和切割頭運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的煤塵為主。當(dāng)噴霧壓力達(dá)到10 MPa、流量40 L/min、霧化顆粒為150～200 μm 時(shí)，噴嘴的安裝應(yīng)主要針對(duì)落塵區(qū)，在掘進(jìn)機(jī)下噴頭組開啟的狀態(tài)下進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，降塵率可達(dá)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(guò)噴嘴噴出的水霧顆粒，使噴霧顆粒與粉塵顆粒之間產(chǎn)生碰撞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)作業(yè)時(shí)，在掘進(jìn)機(jī)腰部以下區(qū)域產(chǎn)塵量達(dá)到掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵總量的20%，且粉塵主要以揚(yáng)塵為主。相關(guān)研究表明[3-4]，當(dāng)噴嘴的安裝角度主要針對(duì)揚(yáng)塵區(qū)域、噴霧流量為15 L/min、噴霧霧化粒徑為100～150 μm 時(shí)，通過(guò)開啟上噴嘴達(dá)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(nèi)，能夠使得絕大多數(shù)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(xiàn)堵塞現(xiàn)象，根據(jù)目前現(xiàn)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(chǎn)生的水霧形狀為旋轉(zhuǎn)實(shí)心圓錐形，可實(shí)現(xiàn)噴霧噴出的水霧分布均勻、霧細(xì)和荷電霧粒多的優(yōu)點(diǎn)[5-6]。

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

綜合上述降塵技術(shù)參數(shù)，確定在掘進(jìn)機(jī)上安裝兩套功率為4 kW 的高壓降塵系統(tǒng)，共計(jì)布置8 個(gè)噴嘴，4 個(gè)噴嘴為一組，每套降塵系統(tǒng)上分別設(shè)置1 組噴嘴，噴嘴直徑為1 mm。高壓降塵系統(tǒng)采用粉塵傳感器進(jìn)行高壓噴霧的啟停作業(yè)。高壓噴霧降塵系統(tǒng)布置示意圖如圖5。

圖5 高壓噴霧降塵系統(tǒng)布置示意圖

3.2 效果分析

為分析高壓噴霧系統(tǒng)實(shí)施的效果，在綜掘機(jī)司機(jī)位置處設(shè)置粉塵濃度測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)粉塵濃度測(cè)定儀分別測(cè)定噴霧降塵系統(tǒng)實(shí)施前后的全塵及呼塵濃度，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出如表3 的對(duì)比數(shù)據(jù)。

表3 高壓噴霧降塵技術(shù)實(shí)施前后粉塵濃度對(duì)比

分析表3 可知，9-2052 巷掘進(jìn)工作面未采用高壓噴霧系統(tǒng)時(shí)，掘進(jìn)工作面的全塵和呼塵的濃度均較大，在噴霧系統(tǒng)實(shí)施后，在綜掘機(jī)司機(jī)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(jié)論

根據(jù)9-2052 巷掘進(jìn)工作面的具體地質(zhì)條件，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式進(jìn)行掘進(jìn)工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律的分析，結(jié)合粉塵運(yùn)移規(guī)律分析結(jié)果進(jìn)行噴霧降塵方案設(shè)計(jì)，確定噴霧系統(tǒng)由掘進(jìn)機(jī)腰部以上和腰部以下切割位置降塵方式組成。根據(jù)測(cè)試噴霧降塵技術(shù)實(shí)施前后工作面的粉塵濃度可知，高壓噴霧降塵技術(shù)實(shí)施后，掘進(jìn)工作面全塵和呼塵均大幅降低，降塵效果顯著。