段 縱,王超群，戴正烈

(1.云南東源煤電股份有限公司,云南 昆明 650224；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.華北科技學(xué)院,北京 東燕郊 101601)

0 引言

國內(nèi)外實踐證明，在綜采工作面采取除塵器的防塵措施是不可行的[1]。據(jù)梁北礦二1煤層煤塵物理性質(zhì)測定結(jié)果，二1煤層為松軟煤層(f=0.24<0.4)，為可不注水煤層。因此，在二1煤層綜采工作面利用工作面內(nèi)的淺孔抽放鉆孔進行煤壁注水后，工作面的粉塵尤其是呼吸性粉塵濃度仍然很高，必須通過噴霧降塵等措施來繼續(xù)降低工作面的粉塵濃度。由于低壓噴霧對于呼吸性粉塵除塵效率很低，因此國際上普遍采用高壓噴霧技術(shù)來進一步抑制粉塵的產(chǎn)生和有效降低粉塵濃度，特別是呼吸性粉塵的濃度。目前最有效的措施是高壓外噴霧結(jié)合最先進的塵源智能跟蹤技術(shù)。

1 梁北礦111081綜采工作面概述

11081綜采工作面位于梁北礦11采區(qū)西翼，工作面走向長850 m，傾斜長130 m，采用走向長壁綜合機械化采煤法，一次采全高后退式工藝，采高2.7～5.0 m，一般采高4.8 m，截深0.8 m，工作面配風(fēng)量為2000 m3/min，瓦斯涌出量為8～10 m3/min，采用本煤層抽放、工作面淺孔抽放、上隅角抽放以及風(fēng)巷高位鉆孔立體抽放等瓦斯綜合防治措施。工作面所采區(qū)段煤層瓦斯壓力約為1.75 MPa，瓦斯含量為5.52～9.94 m3/t，平均瓦斯含量為7.73 m3/t，硬度系數(shù)為0.168～0.24，具有煤與瓦斯突出危險性。煤塵具有爆炸危險性(爆炸指數(shù)為17.19%～18.42%)。

針對11081綜采面大采高、松軟、具有煤與瓦斯突出危險性等特性，梁北礦已經(jīng)采用了一系列防塵措施：煤體注水、采煤機內(nèi)外噴霧、架間噴霧、風(fēng)流凈化噴霧以及轉(zhuǎn)載點噴霧等措施。但是由于煤層具有憎水性，煤體注水后開采過程中煤塵濃度下降并不明顯；雖然綜采面已經(jīng)采用負壓捕塵器引射降塵，取得一定的降塵效果，但是由于工作面煤層煤質(zhì)松軟，采高較大，工作面的煤壁現(xiàn)象嚴重，且具有突出危險，工作面風(fēng)速較高，也加劇了煤塵飛揚速度及浮游范圍，另外由于采煤機上安裝的負壓捕塵器主要控制刮板運輸機，外噴霧器噴霧水壓偏低，噴嘴選取不當(dāng)，霧粒太細，抗風(fēng)能力差，無法有效噴射到滾筒上。因此11081綜采工作面雖然采取了很多降塵措施，但降塵效果仍然不夠理想，工作面生產(chǎn)期間產(chǎn)生的粉塵在650～1000 mg/ m3，濃度嚴重超標(biāo)[2]。

2 梁北礦11081工作面產(chǎn)塵特點及粉塵分布

已有研究表明，綜采工作面風(fēng)流系統(tǒng)內(nèi)的煤塵來源主要有以下個方面[3]：

1) 采煤機割煤時產(chǎn)生的；

2) 在升架、推架、移架以及前后可彎曲刮板輸送機向前推移的過程中產(chǎn)生的煤塵, 約為總粉塵量的10%；

3) 各轉(zhuǎn)載點落煤、破碎機破煤等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的煤塵。

通過對11081綜采工作面現(xiàn)場實際測試，作業(yè)過程中主要產(chǎn)塵點是工作面煤壁垮落產(chǎn)塵和采煤機割煤產(chǎn)塵。

3 梁北礦11081綜采工作面綜合防塵技術(shù)

11081綜采工作面為具有煤與瓦斯突出危險性的大采高、松軟綜采工作面，產(chǎn)塵量大，擴散速度快，要求噴霧控制范圍大，采用采煤機高壓外噴霧降塵技術(shù)可從平面上對滾筒形成一個水霧包圍圈，但由于受風(fēng)流的影響，滾筒產(chǎn)生的粉塵勢必有相當(dāng)部分逃逸，進入風(fēng)流中造成污染。通過布置在支架上的噴霧水幕由上而下地再次對滾筒實施強力噴霧，形成更加厚實的水幕包圍圈，必將使煤體更加濕潤，產(chǎn)塵量顯著減小，即所謂的三維“立體”降塵技術(shù)。因此，對于11081綜采工作面綜合防塵的主要措施就是采取采煤機高壓外噴霧降塵技術(shù)與采煤機塵源跟蹤降塵技術(shù)相結(jié)合。

3.1 采煤機高壓外噴霧降塵技術(shù)

3.1.1 高壓噴霧降塵機理

噴霧降塵過程是噴嘴噴出的液壓霧粒與固態(tài)塵粒的惰性凝結(jié)過程。塵粒濕潤，由于自重增加被沉降，叫凝聚作用。其次，當(dāng)風(fēng)流攜帶塵粒向水霧粒運動并離開霧粒不遠時就要開始繞水霧運動，風(fēng)流中質(zhì)量較大、顆粒較粗的塵粒因慣性作用會脫離流線而保持向霧滴方向運行。如不考慮塵粒質(zhì)量，則塵粒將和風(fēng)流同步，因塵粒有體積，粉塵粒質(zhì)心所在流線與水霧粒的距離小于塵粒半徑時，塵粒便會與水霧滴接觸被攔截下來，使塵粒附著于水霧上，這就是攔截捕塵作用。對細微粉塵，特別是直徑小于0.5 μm的粉塵，由于布朗擴散作用，而可能被水霧粒捕集，這叫擴散捕集。水霧粒與塵粒的凝結(jié)效率決定了噴霧灑水的降塵效果，當(dāng)水霧粒不荷電且運動速度一定時，水霧粒通過慣性碰撞機理、攔截捕塵機理、布郎擴散機理的綜合作用來降塵[4]。

低壓噴霧時，最初水流緊密，之后由于空氣的阻力就分散成霧粒，這些霧粒沿平行于霧流軸的方向運行。當(dāng)霧粒距噴嘴一定距離而處于衰減區(qū)時，運動速度減慢并開始沉降。而高壓噴霧的霧流與之不同，從高壓噴嘴噴出的高速水流，在很短的距離上就分散成霧粒，并在霧粒后形成一種氣流，沒有低壓噴霧明顯的霧流衰減區(qū)。水流變成霧流的長度由噴霧壓力決定。壓力在2.5～3 MPa時，霧流的形式為實心圓錐形，隨著壓力的增加，可以明顯地看到霧流圓錐形部分的長度縮短，霧流變成圓柱形，并有強烈的渦流運動，壓力越高，圓柱長度越大，降塵效果越好。高壓噴霧降塵效果好的原因是：水在整個霧流長度上都平均分布。低壓霧時，實心圓錐形霧流能滿足要求，但這種霧流不能保證水的均勻分布，霧流中心水量大，向外依次減小。而高壓噴霧在水壓力和氣流擾動力的共同作用下，水分分布均勻。實驗表明，壓力從2.5 MPa加大到12.5 MPa，在距噴嘴6 m的霧流水量從0.5 g/m3加大到4.5 g/m3是逐步增加的。

高壓噴霧對降低呼吸性粉塵具有顯著效果。資料表明不荷電水霧粒對直徑為10 μm以下粉塵捕捉效率較低，而對直徑l0 μm以上的粉塵具有較高的降塵效率。非呼吸性粉塵是指粒徑大于7.07 μm的粉塵，高壓噴霧之所以對呼吸性粉塵具有較高的捕集效率主要是因為其霧粒速度高，霧粒粒徑小及可有效增加水霧電荷值造成的。試驗表明，隨著水壓的提高，高壓噴霧(10～15 MPa)的霧粒速度顯著提高，以離噴嘴3 m處的霧粒運動速度為例，霧粒速度由低壓噴嘴的1 m/s左右上升到12～20 m/s，提高幅度達12～20倍。同時霧粒粒徑隨著水壓力的提高而減小。當(dāng)水霧粒荷電后，由于水霧粒對塵粒的靜電引力作用，使水霧粒捕塵效率提高。試驗表明，水霧電荷值在水壓力為7.5～12.5 MPa范圍內(nèi)，隨著壓力的提高而顯著上升。因此，提高水壓力是提高水霧電荷值，即提高水霧荷質(zhì)比的重要途徑，這就是高壓噴霧對降低呼吸性粉塵具有顯著效果的原因所在[5]。

高壓噴霧降塵系統(tǒng)主要由高壓水泵、水質(zhì)過濾器、供水水箱、高壓噴霧負壓降塵裝置、高壓膠管、壓力表等組成。由水箱向高壓水泵供水，高壓水通過供水管路輸送到高壓噴霧裝置上，從而實現(xiàn)高壓噴霧。同時，為了克服原有外噴霧器噴嘴選取不當(dāng)，霧粒太細，抗風(fēng)能力差，無法有效噴射到滾筒上的問題，采用G型高壓噴嘴，可以根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)節(jié)噴嘴的內(nèi)芯，改變霧化效果和噴嘴的有效射程，以提高其抗風(fēng)性，使高壓水霧能夠全面覆蓋割煤產(chǎn)塵點。

3.1.2 高壓外噴霧降塵系統(tǒng)

高壓引射降塵系統(tǒng)綜合了高壓噴霧與負壓引射降塵的特點，降塵器形成的高速水霧流可引射工作面的含塵氣流，同時噴霧流在采煤機截割滾筒周圍形成均勻的噴霧水幕，其霧流具有霧粒細、水量較小、覆蓋面積大的特點，既具有良好的控塵作用，又有較高的降塵作用，因此具有較高的降塵效率[7]。

1) 采煤機上滾筒負壓引射降塵

在11081綜采工作面采煤機上滾筒安裝了煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院開發(fā)生產(chǎn)的CPC型采煤機負壓引射降塵器。該降塵器主要由保護殼、引射裝置、管路系統(tǒng)及高壓噴嘴等組成，主要參數(shù)：工作壓力：8～15 MPa；噴霧流量：20～35 L/min；射程：6 m。本次安裝利用采煤機原有的負壓捕塵器的高壓管路，在管路上接三通，將高壓水引到CPC型采煤機負壓引射降塵器，工作水壓大約為12 MPa，噴射的水霧能夠較好地到達滾筒位置并覆蓋滾筒，有效抑制滾筒割煤時產(chǎn)生的粉塵。圖1為采煤機上滾筒負壓引射降塵器安裝示意圖。

2) 采煤機下滾筒含塵氣流控制

由于工作面風(fēng)量大，風(fēng)速高，逆風(fēng)向割煤條件下，滾筒上的降塵器由于受到風(fēng)流的影響，高壓水霧較難噴到滾筒，無法有效的覆蓋滾筒，且噴霧對風(fēng)流的阻擋作用，迫使風(fēng)流攜帶水霧及滾筒產(chǎn)生的粉塵迅速向人行道擴散，導(dǎo)致人行道和司機位置粉塵濃度大，水霧大，司機位置作業(yè)環(huán)境惡劣，針對這種情況采取了含塵氣流控制技術(shù)。與采煤機逆風(fēng)向搖臂相平行，裝設(shè)一根噴霧管，上面裝有可調(diào)節(jié)方向的噴嘴，通過合理布置噴嘴的位置、角度及正確選擇其流量等參數(shù)，而迫使采煤機割煤時產(chǎn)生的含塵氣流沿煤壁流動，并在引射噴霧和跟蹤噴霧的作用下進行有效的降塵，減少對司機的危害，如圖2、3所示。

圖1 采煤機上滾筒負壓引射降塵器安裝示意圖

圖2 下滾筒含塵氣流控制示意圖

圖3 采煤機高壓噴霧引射降塵及含塵氣流控制

3.2 采煤機塵源跟蹤降塵系統(tǒng)

為了控制工作面煤壁片幫時的粉塵擴散和采煤機割煤時的粉塵擴散，安裝了采煤機塵源跟蹤降塵系統(tǒng)。由于工作面煤體松軟，煤壁采用液壓支架的護幫板支護，當(dāng)采煤機割煤經(jīng)過時收起護幫板，通過后放下護幫板。在綜采工作面液壓支架上安設(shè)自動噴霧裝置，噴霧裝置通過FPY-2型液壓支架自動噴霧控制閥與液壓支架的護幫板相連接，當(dāng)液壓支架護幫板收起時，高壓液就會自動打開控制閥，使噴霧裝置與高壓供水管路連通開始噴霧，護幫板放下時，控制閥切斷高壓供水管路，停止噴霧降塵。

為了提高霧化效果和降塵效率，采用水壓大于10 MPa的高壓水。考慮到耗水量，專門安裝一臺高壓噴霧泵，單獨鋪設(shè)一條管路到工作面液壓支架處供采煤機塵源跟蹤降塵系統(tǒng)使用。隨著采煤機的移動，液壓支架上的噴霧也隨之移動，使得采煤機滾筒始終處于水霧覆蓋中，從而實現(xiàn)了采煤機塵源跟蹤降塵，塵源跟蹤系統(tǒng)安裝示意圖如圖4所示。圖5和6分別為綜采工作面采煤機綜合防塵效果示意圖和綜合防塵管路連接圖。

圖4 塵源跟蹤系統(tǒng)安裝示意圖

圖5 采煤機綜合防塵效果示意圖

圖6 11081綜采面綜合防塵管路連接示意圖

11081工作面采煤機塵源跟蹤噴霧具體安裝位置：工作面從5#液壓支架起，每隔5架安裝一個負壓捕塵器，共15個；塵源跟蹤噴霧從11#～72#液壓支架，每架安裝一個，裝捕塵器的除外，共50架。

4 工作面綜合防塵技術(shù)現(xiàn)場實踐

采用直讀式粉塵濃度測量儀測量工作面割煤時的粉塵濃度，11081綜采工作面只采用原有的降塵措施時的粉塵濃度平均值為668.1 mg/m3(如表1)，采取以上綜合防塵措施后工作面采煤時的粉塵濃度平均值降到118.7 mg/m3(如表2)，降塵效率達到82.2%。工作面工作環(huán)境得到了很大的改善，為保障職工的身體健康和促進礦井的安全生產(chǎn)將起到非常積極的作用[8]。

表1 11081綜采工作面原始粉塵濃度測量記錄

表2 11081綜采工作面采取綜合防塵措施后粉塵濃度測量記錄

5 小結(jié)

1) 高濃度粉塵不僅使綜采工作面的作業(yè)環(huán)境急劇惡化, 容易導(dǎo)致煤矽肺病, 而且增加了煤塵爆炸的風(fēng)險，為了解決11081綜采工作面粉塵濃度高的問題，在現(xiàn)場測試和理論分析的基礎(chǔ)上，定性給出了大采高、松軟突出煤層綜采工作面的產(chǎn)塵特點和擴散規(guī)律，指出綜采面采煤作業(yè)過程中主要產(chǎn)塵點是工作面煤壁垮落產(chǎn)塵和采煤機割煤產(chǎn)塵。

2) 分析了煤壁垮落產(chǎn)塵特點，包括順風(fēng)和逆風(fēng)條件下割煤煤炭垮落產(chǎn)塵及含塵氣流運動特征，并分析了采煤機割煤產(chǎn)塵中粉塵分布特征。

3) 提出綜采工作面三維“立體”控塵、防塵技術(shù)，即含塵氣流控制技術(shù)、采煤機高壓外噴霧降塵技術(shù)和采煤機塵源跟蹤降塵技術(shù)相結(jié)合的綜合防塵技術(shù)。

4) 在11081綜采工作面采取了高壓引射噴霧就地滅塵、順風(fēng)噴霧控制含塵氣流和采煤機塵源跟蹤降塵等多種措施相結(jié)合的綜合防塵技術(shù)，取得了良好的防塵效果，在原有降塵措施基礎(chǔ)上降塵效率提高了82.2%，工作面工作環(huán)境得到了很大的改善。

[1] 吳百劍.綜采工作面粉塵分布規(guī)律研究[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院,2008.

[2] 李德文.煤塵防治技術(shù)的最新進展[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2000,27(1):10-12.

[3] 梁順，黃洋,等.綜放工作面降塵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].煤礦安全，2010,(7):116-119.

[4] 蔣仲安,金龍哲,陳立武,等.掘進巷道粉塵控制技術(shù)的研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報, 1999, 9(1): 11-15.

[5] 蔣仲安,金龍哲,袁緒忠,等.掘進巷道中粉塵分布規(guī)律的實驗研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù), 2001, 29(3): 43-45.

[6] 杜計平, 孟憲銳. 采礦學(xué)[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2009.

[7] 李德文.煤塵防治技術(shù)的最新進展[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2000,27(1):10-12.

[8] 趙有業(yè).粉塵的特性與危害[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2000.27(1):18-19.