范敬豐
(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司,山西 晉城 048000)
山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦1301工作面位于3號(hào)煤層一盤區(qū),工作面開采3號(hào)煤層,煤層厚度在5.12~7.20 m,平均5.85 m,平均傾角為8°,煤層內(nèi)含有1層夾矸,平均厚度為0.28 m,3號(hào)煤堅(jiān)固性系數(shù)f=0.45~1.09,煤層不易自燃,煤塵無爆炸危險(xiǎn)性,煤層直接頂巖層為泥巖,直接頂為泥巖,平均厚度2.4 m,基本頂為中粒砂巖,平均厚度5.3 m,直接底為泥巖,平均厚度為1.5 m,基本底為砂質(zhì)泥巖,平均厚度8.3 m;工作面采用大采高一次采全高采煤方法,循環(huán)進(jìn)度0.6 m,通風(fēng)方式采用“兩進(jìn)三回”,由于3號(hào)煤層屬于松軟破碎煤層,在工作面回采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵,為優(yōu)化回采作業(yè)環(huán)境,現(xiàn)進(jìn)行工作面粉塵分布規(guī)律的分析及噴霧降塵技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
為充分掌握1301工作面回采作業(yè)時(shí)工作面粉塵分布規(guī)律,首先需掌握工作面風(fēng)流場的分布規(guī)律,現(xiàn)采用現(xiàn)場測試的方式在工作面走向方向上設(shè)置13組測點(diǎn),在進(jìn)行測點(diǎn)布置時(shí),在工作面進(jìn)風(fēng)巷開始向著回風(fēng)巷方向每隔5個(gè)液壓支架劃分為1個(gè)單元,在工作面面長方向上共計(jì)設(shè)置13個(gè)單元,在每個(gè)單元內(nèi)布置1組測點(diǎn),1組測點(diǎn)包括2個(gè)測試位置,分別位于支架人行側(cè)和溜槽的位置,具體工作面測風(fēng)點(diǎn)位置如圖1所示。
圖1 1301工作面測風(fēng)點(diǎn)布置位置示意
根據(jù)測試結(jié)果及對(duì)測試數(shù)據(jù)的處理,能夠繪制出工作面的風(fēng)量變化圖,如圖2所示。
圖2 工作面風(fēng)量變化曲線
分析圖2可知,由工作面進(jìn)風(fēng)巷向回風(fēng)巷方向,隨著距離的增大,工作面內(nèi)的風(fēng)量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),且在工作面進(jìn)風(fēng)口和回風(fēng)口的附近區(qū)域變化較小,在工作面中部區(qū)域風(fēng)量的變化相對(duì)較為平緩,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)檠刂ぷ髅娴拿嫱七M(jìn)方向,采空區(qū)存在漏風(fēng)現(xiàn)象,導(dǎo)致工作面內(nèi)的總風(fēng)量會(huì)不斷減小,當(dāng)?shù)焦ぷ髅娴哪骋稽c(diǎn)后漏入采空區(qū)的風(fēng)流匯入工作面的總風(fēng)流中,進(jìn)而又會(huì)出現(xiàn)風(fēng)量增大的現(xiàn)象,工作面內(nèi)的風(fēng)量整體呈現(xiàn)為U型分布。
現(xiàn)為全面掌握工作面粉塵分布規(guī)律,在工作面內(nèi)設(shè)置16個(gè)粉塵濃度測試點(diǎn),每個(gè)測點(diǎn)分別對(duì)支架人行道和溜子道進(jìn)行粉塵濃度的測試,粉塵濃度測試分別在采煤機(jī)順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤時(shí)進(jìn)行,測試儀器采用CCD1000-FB便攜式電腦粉塵儀[1-2],具體粉塵濃度測試點(diǎn)布置,如圖3所示。
圖3 粉塵濃度測試點(diǎn)布置位置示意
工作面在順風(fēng)割煤時(shí)和逆風(fēng)割煤時(shí),滾筒周圍區(qū)域的粉塵濃度分布曲線如圖4所示。
圖4 工作面粉塵濃度分布曲線
分析圖4(a)可知,工作面在進(jìn)行順風(fēng)割煤時(shí),后滾筒區(qū)域的粉塵濃度分布如下:在溜槽的順風(fēng)方向上,隨著風(fēng)流的擴(kuò)散作用,截割產(chǎn)生的粉塵逐漸擴(kuò)散,進(jìn)而使得粉塵的濃度逐漸升高,其中粉塵濃度最大的區(qū)域?yàn)?30 mg/m3,在工作面風(fēng)流方向上粉塵在風(fēng)流作用下逐漸向采空區(qū)擴(kuò)散,在采煤機(jī)司機(jī)位置處,粉塵濃度在200 mg/m3,隨后粉塵濃度逐漸下降并趨于穩(wěn)定,在液壓支架人行道內(nèi)粉塵濃度的變化趨勢(shì)基本相同,但該位置區(qū)域粉塵濃度相對(duì)較低,且粉塵具有一定的停滯;順風(fēng)割煤前滾筒區(qū)域粉塵濃度如下:在溜槽內(nèi),采煤機(jī)截割產(chǎn)生的粉塵開始逐漸降低,當(dāng)進(jìn)入滾筒中部區(qū)域粉塵濃度最低,隨著在滾筒中部靠后的位置處時(shí),粉塵濃度又呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì),并在滾筒后方3 m的位置處粉塵濃度達(dá)到最大值,為370 mg/m3;在支架人行道內(nèi)的粉塵濃度分布規(guī)律基本也呈現(xiàn)為該種變化特征。
分析圖4(b)可知,沿著風(fēng)流的方向,從采煤機(jī)后滾筒向前滾筒的測塵區(qū)域內(nèi),粉塵濃度呈現(xiàn)為增大的趨勢(shì),該點(diǎn)與工作面順風(fēng)割煤下的粉塵濃度分布規(guī)律類似,但其與順風(fēng)割煤下粉塵濃度的差別為逆風(fēng)割煤下粉塵會(huì)產(chǎn)生劇烈的變化,其中粉塵濃度審稿較快的區(qū)域?yàn)榍皾L筒,且逆風(fēng)割煤下前滾筒的粉塵濃度高于后滾筒的粉塵濃度,后滾筒的粉塵濃度略小于前滾筒的粉塵濃度。
綜合上述分析可知,采煤機(jī)區(qū)域粉塵濃度分布無論在順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤下分布規(guī)律大致相似,均呈現(xiàn)為粉塵濃度現(xiàn)逐漸升高,隨后小幅降低后再逐漸上升,最后區(qū)域平穩(wěn),另外結(jié)合風(fēng)量分布和粉塵濃度測試結(jié)果可知,工作面內(nèi)在剛進(jìn)入采煤機(jī)區(qū)域時(shí)的粉塵濃度較大,在采煤機(jī)中部,粉塵濃度又呈現(xiàn)出一定幅度的降低,最后在后滾筒區(qū)域粉塵濃度又逐漸升高,最后達(dá)到穩(wěn)定,另外根據(jù)支架人行道的粉塵分布可知,在采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)之間粉塵濃度也較高。
基于上述工作面粉塵濃度分布規(guī)律的測試結(jié)果可知,工作面粉塵高濃度區(qū)域主要分布在采煤機(jī)前方、滾筒處和采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)之間,據(jù)此工作面的噴霧降塵系統(tǒng)便主要針對(duì)這三個(gè)區(qū)域,現(xiàn)通過合理的布置噴嘴,實(shí)現(xiàn)氣水噴霧對(duì)該三個(gè)區(qū)域的有效覆蓋。
本次噴霧降塵系統(tǒng)的噴嘴采用具有壓氣霧化的噴嘴,該類噴嘴產(chǎn)生的水霧顆粒在7~50 μm之間,根據(jù)眾多試驗(yàn)研究結(jié)果表明[3-4],該類噴嘴能夠產(chǎn)生的霧化角在40~50°,本次噴霧系統(tǒng)采用的水壓在0.2~0.3 MPa,氣壓在0.388~0.602 MPa之間,水霧的粒徑可控制在15~35 μm的范圍內(nèi)。基于噴霧降塵重點(diǎn)覆蓋區(qū)域,分別在采煤機(jī)滾筒前方、滾筒處和采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)間進(jìn)行噴嘴的設(shè)計(jì),具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下:
1) 滾筒前方:采煤機(jī)滾筒前方至治理工作面粉塵沉降的關(guān)鍵,為實(shí)現(xiàn)噴嘴可對(duì)滾筒全部包裹,根據(jù)滾筒前方噴霧覆蓋范圍進(jìn)行計(jì)算[5],計(jì)算原理圖如圖5所示。
圖5 滾筒前方噴霧覆蓋范圍示意
計(jì)算公式如下:
(1)
式中:σ為滾筒前方噴霧覆蓋角,°;R為滾筒半徑;α為單個(gè)噴嘴的覆蓋角,h為滾筒厚度;L為采煤機(jī)搖臂的長度,l為噴霧安設(shè)位置距采煤機(jī)主體邊緣的距離;結(jié)合1301工作面條件,計(jì)算得出滾筒前方單個(gè)噴霧的覆蓋角大于單個(gè)噴嘴的覆蓋角,據(jù)此在該區(qū)域設(shè)置一排兩個(gè)噴嘴進(jìn)行降塵。
2) 滾筒處噴霧設(shè)計(jì):滾筒處噴嘴設(shè)置時(shí),其噴嘴的安設(shè)角度、仰角等參數(shù)計(jì)算原理如圖6所示。
圖6 采煤機(jī)滾筒區(qū)域噴嘴安裝參數(shù)計(jì)算示意
計(jì)算公式如下[6]:
(2)
式中:β為噴嘴的安裝角度,°;θ為噴嘴的仰角,°;ξ為噴嘴與滾筒外側(cè)面間的夾角,°;基于工作面條件計(jì)算得出若要覆蓋整個(gè)滾筒區(qū)域,此時(shí)需要求噴嘴的縱向覆蓋角度和橫向覆蓋角度分別為θ和ξ,而單個(gè)噴嘴霧化角無法實(shí)現(xiàn),故而在該區(qū)域布置兩排噴嘴,每排布置兩個(gè)噴嘴,以達(dá)到覆蓋滾筒的目的。
3) 采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)間:基于本次使用噴嘴的霧化角在30~40°之間,設(shè)計(jì)在圓弧上均勻布置4個(gè)噴嘴,角度分別為0°、30°、60°和90°,另外考慮到0°噴嘴下方還存在一個(gè)產(chǎn)塵點(diǎn),故而設(shè)計(jì)在0°下方增加一個(gè)噴嘴。
基于上述設(shè)計(jì),通過3D建模,得出工作面噴霧系統(tǒng)的布置形式,如圖7所示。
圖7 噴霧系統(tǒng)噴嘴布置形式示意
為驗(yàn)證噴霧降塵系統(tǒng)的應(yīng)用效果,在粉塵濃度分布現(xiàn)場測點(diǎn)的布置位置,在噴霧系統(tǒng)實(shí)施后,再進(jìn)行粉塵濃度的測試作業(yè),得出工作面順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤時(shí)溜槽與支架人行道側(cè)的降塵率,現(xiàn)選取1號(hào)、3號(hào)、8號(hào)、10號(hào)、14號(hào)5個(gè)點(diǎn)具體分析,測點(diǎn)的降塵率如表1。
表1 工作面采用噴霧系統(tǒng)后的降塵率
分析表1可知,工作面采用噴霧降塵系統(tǒng)后,溜槽道和支架人行道的粉塵濃度均大幅下降,其中在工作面順風(fēng)割煤時(shí),支架人行道降塵率在60%~85%;溜槽道的降塵率在70%~78%;逆風(fēng)割煤時(shí),支架人行道的降塵率在48%~71%,溜槽道的降塵率在42%~59%,降塵效果顯著。
根據(jù)1301工作面的賦存特征及開采條件,通過工作面粉塵濃度現(xiàn)場測試的方式得出工作面粉塵高濃度區(qū)域主要分布在采煤機(jī)前方、滾筒處和采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)之間,基于粉塵濃度分布規(guī)律,進(jìn)行噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì),在噴霧系統(tǒng)實(shí)施后,通過粉塵濃度測試得出,噴霧降塵效果顯著,優(yōu)化了回采作業(yè)環(huán)境。