崔向飛 薛 嬌 邊文輝

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省青島市，266590)

補(bǔ)連塔煤礦7 m大采高工作面粉塵分布規(guī)律實測及防治技術(shù)研究

崔向飛 薛 嬌 邊文輝

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省青島市，266590)

為了找到適用于大采高綜采工作面的防塵技術(shù)手段，以神東補(bǔ)連塔煤礦22306大采高工作面為例，提出了大采高綜采工作面除塵技術(shù)的設(shè)計準(zhǔn)則，并以此為基礎(chǔ)，對大采高綜采工作面防塵技術(shù)措施進(jìn)行了設(shè)計改造。通過現(xiàn)場實測的方法對設(shè)計改造的防塵技術(shù)措施進(jìn)行了驗證，提出的大采高防塵技術(shù)設(shè)計準(zhǔn)則有較強(qiáng)的實用性，設(shè)計的防塵技術(shù)措施能夠有效治理大采高綜采工作面的高濃度粉塵。

大采高工作面 防塵技術(shù) 粉塵分布規(guī)律 除塵系統(tǒng)

AbstractIn order to find dust mitigation method for large mining height fully mechanized work face, taking 22306 work face of Bulianta Mine as example, proposed design standards for dust treatment at large mining height fully mechanized work face, and based on that, improved dust treatment measures. Modified method by in-situ test of dust control technology measures were verified that the design standards for dust treatment at large mining height fully mechanized work face had practicability and the designed dust treatment measures could effectively reduce high-concentrated dust at large mining height fully work face.

Keywordslarge mining height work face, dust treatment technology, dust distribution law, dust removing system

大采高綜采是使用與采高相同的綜采支架和配套設(shè)備開采整層厚度大于或等于3500 mm煤層的方法，具有高產(chǎn)、高效、低耗、勞動強(qiáng)度小和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點。但是由于設(shè)備的重型化和設(shè)備尺寸的增大，導(dǎo)致工作面粉塵產(chǎn)生量增加。根據(jù)測定，在沒有使用防塵措施的情況下，大采高綜采工作面的粉塵濃度高達(dá)3000～5000 mg/m3，割煤和移架時的瞬時原始總粉塵濃度超過10000 mg/m3，即便采取多種措施，工作面的粉塵濃度依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國家標(biāo)準(zhǔn)，影響安全生產(chǎn)。

補(bǔ)連塔煤礦 22306 工作面是典型的 7 m大采高綜采工作面，煤層傾角為1°～3°，煤層平均厚度為7.25 m，設(shè)計采高為6.8 m。采用U型負(fù)壓通風(fēng)方式。工作面配風(fēng)量為2405 m3/min，風(fēng)速為1.21 m/s。通過實測分析其風(fēng)流分布特征和產(chǎn)塵的濃度分布特征，總結(jié)出大采高綜采工作面的風(fēng)流—粉塵分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對包括采煤機(jī)噴霧、液壓支架噴霧及防塵網(wǎng)在內(nèi)的大采高綜采工作面防塵技術(shù)措施進(jìn)行設(shè)計改造。

1 大采高綜采面采測點確定

在工作面的人行道、中心工作面和煤壁附近處對全斷面(橫向)的風(fēng)速和粉塵濃度進(jìn)行測定分析，上部空間測塵點距離底板1.7 m，下部空間測塵點距離底面1.2 m，測點布置如圖1所示。

1-煤壁側(cè)上部空間；2-中心工作面上部空間；3-煤壁側(cè)下部空間；4-中心工作面下部空間；5-人行道上部空間；6-人行道下部空間圖1 全斷面測點布置情況

1.1 風(fēng)速測點縱向布置

井下風(fēng)流的流動過程中，受采煤機(jī)及其滾筒、液壓支架和護(hù)幫板的干擾，風(fēng)流狀態(tài)會發(fā)生相應(yīng)的變化，因此，風(fēng)流測點的選擇應(yīng)當(dāng)以采煤機(jī)為過渡，分別對采煤機(jī)所處區(qū)域及其上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行測定。22306工作面的風(fēng)流測點布置在采煤機(jī)前方(前部滾筒上風(fēng)側(cè)9 m處)、采煤機(jī)前部滾筒、采煤機(jī)前壁面、采煤機(jī)中部、采煤機(jī)后壁面、采煤機(jī)后部滾筒(后部滾筒下風(fēng)側(cè)9 m處)和采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)區(qū)域。

1.2 粉塵濃度測點縱向布置

考慮粉塵產(chǎn)生源在空間和時間上的擴(kuò)散以及工人接觸粉塵情況，為了全方位把握粉塵濃度的分布情況，在工作面的人行道、中心工作面和煤壁附近處每隔30 m對全斷面的粉塵濃度分布情況進(jìn)行測定。

2 大采高綜采面風(fēng)流分布特性實測分析

按照上述風(fēng)速測定位置，在22306綜采工作面現(xiàn)場測定了風(fēng)流速度情況，如表1和圖2所示。

表1 風(fēng)流速度分布情況 m/s

圖2 風(fēng)流速度分布情況

由表1和圖2可以看出，風(fēng)流進(jìn)入工作面后，由于全程受到液壓支架以及護(hù)幫板等的干擾，使得風(fēng)流流速分布不均，整體上呈現(xiàn)中間大、四周小的規(guī)律；當(dāng)風(fēng)流接近采煤機(jī)時，風(fēng)速發(fā)生明顯變化，由于受到采煤機(jī)及滾筒的阻擋，部分風(fēng)流被分流到其他空間，致使人行道、中心工作面及煤壁上下空間內(nèi)的風(fēng)速均有不同程度的提高，風(fēng)流繞過采煤機(jī)后，由于采煤機(jī)的阻礙作用減弱，相當(dāng)于巷道斷面有所擴(kuò)大，使得各區(qū)域風(fēng)速有所減小，總體趨于平穩(wěn)。

3 大采高綜采面粉塵濃度實測分析

按照粉塵濃度的測點布置位置，在22306綜采工作面現(xiàn)場測定了粉塵濃度的分布情況，如表2和圖3所示。

表2 割煤時粉塵的濃度分布情況(按距進(jìn)風(fēng)巷距離) mg/m3

圖3 割煤時粉塵的濃度分布情況

由表2和圖3可以看出，由于人行道空間小，粉塵自然沉降慢，割煤使人行道空間的粉塵濃度上升約50 mg/m3；中心工作面和煤壁處粉塵濃度受割煤的影響比較大，在其后方產(chǎn)生最大峰值，中心工作面粉塵濃度上升約200 mg/m3，煤壁處粉塵濃度最大值達(dá)到了584.8 mg/m3，割煤后方粉塵濃度上升約400 mg/m3。移架對22306綜采面粉塵濃度有一定的影響，粉塵濃度上升約200 mg/m3。割煤時切眼下部空間粉塵濃度分布與上部空間相似，只是粉塵濃度沿風(fēng)流的衰減稍小于上部空間。

4 大采高綜采面除塵系統(tǒng)設(shè)計原則及應(yīng)用

4.1 大采高綜采面采煤機(jī)噴霧負(fù)壓二次降塵裝置設(shè)計

大采高綜采工作面采煤機(jī)滾筒截割產(chǎn)塵量大，是大采高綜采工作面的主要產(chǎn)塵源，采煤機(jī)機(jī)身附近粉塵濃度大，特別對下風(fēng)側(cè)的影響極大。為了有效控制大采高綜采工作面采煤機(jī)滾筒處的粉塵，設(shè)計應(yīng)用了采煤機(jī)負(fù)壓二次除塵裝置，此裝置是在噴霧除塵的基礎(chǔ)上，利用噴霧產(chǎn)生的負(fù)壓將采煤時分布在采煤機(jī)周圍的高濃度粉塵卷吸到除塵裝置的箱體中，實現(xiàn)采煤機(jī)機(jī)身附近的高效除塵。大采高綜采面采煤機(jī)噴霧負(fù)壓二次除塵裝置設(shè)計原則：

(1)采煤機(jī)機(jī)身噴霧應(yīng)選用負(fù)壓二次降塵裝置，此裝置主要由噴霧箱體構(gòu)成。

(2)采煤機(jī)負(fù)壓二次除塵裝置的設(shè)計安裝應(yīng)以大采高綜采工作面的風(fēng)流和粉塵分布規(guī)律和工作面的安裝條件為基礎(chǔ)，固定在采煤機(jī)的背風(fēng)側(cè)。

(3)噴霧除塵及卷吸作用影響主要區(qū)域的風(fēng)速不應(yīng)超過工作面入口風(fēng)速的0.5倍，且應(yīng)確保形成的霧場覆蓋采煤機(jī)滾筒。

結(jié)合補(bǔ)連塔煤礦22306大采高綜采工作面的實際情況，采煤機(jī)負(fù)壓二次噴霧降塵裝置設(shè)計安裝在采煤機(jī)兩端頭電機(jī)箱外側(cè)，采用焊接方式安裝，設(shè)計4 個噴嘴，一字排開，從右往左，噴嘴依次呈向下25°、水平、向上16°、向上 25°。實現(xiàn)對滾筒的包裹。吸塵口為1個，根據(jù)現(xiàn)場情況，可使吸塵口朝上或朝下吸塵，具有負(fù)壓吸塵能力強(qiáng)、噴霧場可覆蓋整個滾筒的優(yōu)點，能夠達(dá)到控制產(chǎn)塵源，減小下風(fēng)側(cè)粉塵濃度的效果。采煤機(jī)噴霧負(fù)壓二次降塵裝置如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)噴霧負(fù)壓二次降塵裝置示意圖

4.2 大采高綜采面液壓支架除塵裝置設(shè)計

大采高綜采工作面移架時會導(dǎo)致人行道空間和中心工作面空間上部均出現(xiàn)粉塵濃度較高區(qū)域，此外移架產(chǎn)生的粉塵與采煤機(jī)割煤產(chǎn)生的粉塵在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)疊加，導(dǎo)致大采高綜采工作面粉塵集中在空間的上部和靠近煤壁側(cè)。抑制移架時粉塵的重要措施是采用液壓支架噴霧。大采高綜采面液壓支架噴霧除塵裝置設(shè)計原則：

(1)大采高綜采工作面采用液壓支架架間噴霧應(yīng)選用負(fù)壓二次降塵裝置，此裝置由固定裝置、噴霧裝置和吸塵除塵裝置三部分構(gòu)成。

(2)液壓支架噴霧裝置應(yīng)以大采高綜采工作面的風(fēng)流和粉塵分布規(guī)律為設(shè)計基礎(chǔ)，安裝在大采高綜采工作面液壓支架上，且安裝形式和設(shè)計應(yīng)綜合考慮選定安裝位置的安裝條件。

(3)大采高綜采工作面負(fù)壓二次除塵裝置作用區(qū)域的粉塵濃度應(yīng)不低于50 mg/m3，風(fēng)速不超過工作面入口風(fēng)速的1.1倍。

(4)大采高綜采工作面負(fù)壓二次除塵裝置的吸風(fēng)口可處于有人作業(yè)空間，但噴霧所形成的霧場不應(yīng)覆蓋有人作業(yè)空間。

根據(jù)設(shè)計原則，補(bǔ)連塔煤礦22306工作面的液壓支架架間噴霧負(fù)壓二次降塵裝置的噴霧裝置由供水管和噴嘴組成，噴霧用水進(jìn)入供水管后由安設(shè)在端頭的噴嘴噴出，從而在采煤工作面煤壁至液壓支架立柱間形成全斷面霧場，噴嘴數(shù)量為3個，3個噴嘴與水平方向夾角分別為0°、40°和80°。噴霧產(chǎn)生的引射風(fēng)流將環(huán)境中的粉塵帶入除塵器側(cè)部的矩形(0.10 m×0.08 m)吸塵口，與除塵器內(nèi)部的高霧化噴嘴噴出的霧場混合、凝結(jié)、沉降。實現(xiàn)大采高工作面的全斷面粉塵控制。液壓支架架間噴霧負(fù)壓二次降塵裝置布置情況如圖5所示。

圖5 液壓支架架間噴霧負(fù)壓二次降塵裝置布置圖

4.3 大采高綜采工作面防塵網(wǎng)設(shè)計

由于大采高工作面高濃度粉塵持續(xù)時間長，影響范圍大，僅僅依靠采煤機(jī)和液壓支架噴霧不能抑制整個工作面空間的粉塵，因此，為了進(jìn)一步提高大采高綜采工作面的噴霧除塵效果，在工作面采用濕式防塵網(wǎng)技術(shù)，通過在濾網(wǎng)上產(chǎn)生水膜，增加粉塵與水接觸碰撞的機(jī)率，從而配合工作面噴霧進(jìn)行有效的除塵降塵。大采高綜采面防塵網(wǎng)設(shè)計原則：

(1)應(yīng)用于大采高綜采工作面的濕式卷簾防塵網(wǎng)由卷簾軸、濾網(wǎng)和水幕組成。

(2)用于擋塵簾的噴嘴適宜選擇霧化角大、耗水量小的噴嘴，安設(shè)方向應(yīng)與風(fēng)流方向呈45°的迎風(fēng)角度。

(3)為了保證強(qiáng)度，應(yīng)用于大采高工作面的防塵網(wǎng)應(yīng)安裝在液壓支架上，卷簾軸采鋼管直徑不小于5 cm，濾網(wǎng)應(yīng)選用輕質(zhì)材料，濾網(wǎng)孔徑不大于3 mm。

(4)設(shè)計安裝應(yīng)以大采高綜采工作面的風(fēng)流和粉塵分布規(guī)律和工作面斷面大小為設(shè)計基礎(chǔ)，安裝在液壓支架上，且尺寸應(yīng)與工作面的斷面尺寸相配合。

(5)濕式卷簾防塵網(wǎng)的寬度應(yīng)為液壓支柱到采煤機(jī)橫向最短距離的0.4～0.7倍，高度應(yīng)確保到地面最短距離大于采煤機(jī)機(jī)身的高度，但不超過采煤機(jī)機(jī)身高度1.5倍。

22306綜采工作面寬度9.8 m、凈高4.8 m，采用的濕式卷簾防塵網(wǎng)的尺寸為7000 mm×4000 mm，卷簾軸采用直徑為5 cm鋼管制作，由液壓馬達(dá)控制，濾網(wǎng)采用2 mm×2 mm篩網(wǎng)，水幕直接采用液壓支架間噴霧，噴頭方向調(diào)整為與風(fēng)流方向呈45°的迎風(fēng)角，防塵網(wǎng)底部與地面距離約為1 m。

考慮大采高綜采工作面粉塵濃度分布情況和現(xiàn)場通風(fēng)效果，在22306綜采工作面安設(shè)3個濕式防塵網(wǎng)，分別在56#、96#、和146#液壓支架上進(jìn)行架設(shè)。大采高綜采工作面濕式防塵網(wǎng)安設(shè)位置如圖6所示。

圖6 大采高綜采工作面濕式防塵網(wǎng)安設(shè)位置圖

5 大采高綜采工作面防塵效果分析

為檢驗大采高綜采工作面新型高效噴霧降塵裝置的降塵效果，在補(bǔ)連塔煤礦22306大采高綜采工作面司機(jī)處、移架、多工序、前部溜頭、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及回風(fēng)巷處分別測定采用大采高防塵方法前后的粉塵濃度情況，通過對比分析，驗證降塵效果。防塵技術(shù)措施應(yīng)用前后粉塵濃度測定結(jié)果如表3所示。

表3 防塵技術(shù)措施應(yīng)用前后粉塵濃度測定結(jié)果 mg/m3

由表3可以看出，司機(jī)處粉塵濃度由207 mg/m3下降到26.7 mg/m3，降塵率為87.1%；移架粉塵濃度由586 mg/m3下降到61.0 mg/m3，降塵率為89.6%；多工序粉塵濃度由221 mg/m3下降到24.8 mg/m3，降塵率為88.8%；前部溜頭粉塵濃度由147 mg/m3下降到14.6 mg/m3，降塵率為90.1%；破碎機(jī)處粉塵濃度由117 mg/m3下降到15.4 mg/m3，降塵率為86.9%；轉(zhuǎn)載處粉塵濃度由123 mg/m3下降到15.7 mg/m3，降塵率為87.3%；回風(fēng)巷粉塵濃度由87 mg/m3下降到8.9 mg/m3，降塵率為89.7%；采煤面全塵的平均降塵率達(dá)88.5%，呼吸性粉塵的平均降塵率達(dá)89.6%。

6 結(jié)論

以神東補(bǔ)連塔煤礦22306大采高工作面為例，實測分析了風(fēng)流、粉塵濃度分布情況，總結(jié)出了大采高綜采工作面的風(fēng)流—粉塵分布規(guī)律，以大采高工作面的實際工作環(huán)境為基礎(chǔ)，提出了以噴霧除塵為主要手段的大采高綜采工作面除塵技術(shù)設(shè)計準(zhǔn)則，對包括采煤機(jī)噴霧、液壓支架噴霧及防塵網(wǎng)在內(nèi)的大采高綜采工作面防塵技術(shù)措施進(jìn)行了設(shè)計改造。并通過現(xiàn)場實測的方法對所設(shè)計改造的防塵技術(shù)措施進(jìn)行了驗證，工作面各生產(chǎn)工序全塵和呼吸性粉塵平均降塵率達(dá)到88.5%和89.6%，工作面環(huán)境和安全程度得到了改善。

[1] 左前明. 大采高綜采工作面煤塵擴(kuò)散規(guī)律及防治技術(shù)研究[D]. 中國礦業(yè)大學(xué)，2014

[2] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. 2008-2009全國煤礦企業(yè)安全事故統(tǒng)計與查詢. www.chinasafety.gov.cn, 2009

[3] 盧鑒章，王茂吉，陳治中等.礦井粉塵防治[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社，1992

[4] 煤炭科學(xué)研究總院重慶分院，中國煤炭工業(yè)協(xié)會. 中華人民共和國安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范(AQ1020-2006)[S]. 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2006

[5] 李一海，張運增. 大采高綜采工作面粉塵綜合防治技術(shù)實踐[J]. 煤炭技術(shù)，2013(7)

[6] 許晉斌. 大采高綜采工作面粉塵分布規(guī)律研究[J]. 煤炭與化工，2013(12)[7] 聶文，程衛(wèi)民，周剛等. 掘進(jìn)機(jī)外噴霧負(fù)壓二次降塵裝置的研制與應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報，2014(12)

[8] 周剛. 綜放工作面噴霧降塵理論及工藝技術(shù)研究[D]. 青島:山東科技大學(xué)，2009

[9] 聶文，程衛(wèi)民，于巖斌等. 全巖機(jī)掘面壓風(fēng)空氣幕封閉除塵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報，2012(7)[10] 李金龍，吳玉庭，趙益芳. 綜采工作面粉塵粒徑分布的數(shù)值模擬[J]. 中國煤炭，2014(7)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Studyondustdistributionmeasurementandcontroltechnologyof7-meterlargeminingheightworkfaceatBuliantaMine

Cui Xiangfei, Xue Jiao, Bian Wenhui

(State Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science & Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

TD714.4

A

國家自然科學(xué)基金重點項目(U12612022)

崔向飛，薛嬌，邊文輝. 補(bǔ)連塔煤礦7 m大采高工作面粉塵分布規(guī)律實測及防治技術(shù)研究[J].中國煤炭，2017,43(9)：116-120. Cui Xiangfei , Xue Jiao, Bian Wenhui. Study on dust distribution measurement and control technology of 7-meter large mining height work face at Bulianta Mine [J]. China Coal, 2017，43(9):116-120.

崔向飛(1987)，男，山東東營人，碩士，助教，主要從事礦井粉塵防治研究。