閆 帥

（山西平舒煤業(yè)有限公司，山西 壽陽(yáng) 045400）

1 工程概況

陽(yáng)煤集團(tuán)平舒公司81204 工作面位于+787 水平二采區(qū)，工作面北部為工業(yè)廣場(chǎng)、盤灣底村、博大焦化保護(hù)煤柱，東部為正在掘進(jìn)的81202 工作面，南部為正在掘進(jìn)的西回風(fēng)巷、西膠帶巷、西軌道巷、西翼南回風(fēng)巷。西部為尚未掘進(jìn)的81206 工作面。工作面開采8 號(hào)煤，煤層平均厚度為4.83 m，平均傾角為6°，屬簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層，不含夾石，煤呈塊狀，亮煤為主，夾鏡煤，其次暗煤，屬光亮型煤。煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，底板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖，工作面走向長(zhǎng)度為1 203 m，傾斜長(zhǎng)度為180 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采采煤工藝，根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，8號(hào)煤層的自燃傾向性屬Ⅲ類不易自燃，8 號(hào)煤煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，現(xiàn)為降低工作面回采期間的粉塵濃度，優(yōu)化回采作業(yè)環(huán)境，特進(jìn)行工作面粉塵濃度分布規(guī)律及防塵技術(shù)的研究。

2 綜采工作面粉塵濃度分布規(guī)律

2.1 工作面粉塵濃度測(cè)試

礦井粉塵濃度測(cè)定主要分為兩種類型，分別為全塵濃度測(cè)試和呼吸性粉塵濃度測(cè)定，對(duì)于全塵濃度的測(cè)試主要采用的是過濾法，該種方法主要的原理是通過抽氣裝置作為一種動(dòng)力來源，然后再對(duì)含有粉塵的空氣進(jìn)行抽取，抽取后對(duì)空氣中粉塵的含量進(jìn)行單獨(dú)放置，然后通過計(jì)算得出粉塵的濃度[1-2]，具體全塵粉塵濃度的計(jì)算公式如下：

式中：w1為采樣前濾膜的重量，mg；w2為采樣后濾膜的重量，mg；t為采樣時(shí)間，min；Q為采樣流量，L/min。

在采樣完成后，通過對(duì)樣品進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)差值小于20%時(shí)，此時(shí)數(shù)據(jù)才合理，具體樣品差值的計(jì)算公式如下：

式中：Δg為樣品計(jì)算的結(jié)果之差，mg/m3；C1、C2為樣品的計(jì)算結(jié)果，mg/m3；

現(xiàn)為有效測(cè)試得出81204 工作面在回采過程中工作面區(qū)域的粉塵濃度，在沿著綜采工作面方向上，分別在距離采煤機(jī) 5、5、5、10、15、20、30、50、50m 的位置處均設(shè)置粉塵濃度測(cè)試儀，儀器設(shè)置在距離煤層底板1.5 m 的位置處，其中分別在沿著采煤機(jī)距離煤壁1m 和1.5 m 的位置處，沿著工作面的面長(zhǎng)方向共計(jì)設(shè)置2 排9 列的粉塵濃度測(cè)定儀器，具體粉塵濃度測(cè)定儀器的布置位置如圖1 所示。

圖1 粉塵濃度測(cè)試點(diǎn)布置位置圖

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

1）沿工作面方向：根據(jù)上述粉塵濃度測(cè)試點(diǎn)的布置位置及方案，在工作面回采期間進(jìn)行3 次粉塵濃度的測(cè)試，根據(jù)測(cè)試記錄，分別得出工作面面長(zhǎng)方向3次粉塵濃度數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 沿工作面面長(zhǎng)方向粉塵濃度分布

基于表1 中的數(shù)據(jù)，分別繪制出第1 次、第2次和第3 次記錄數(shù)據(jù)的粉塵濃度分布曲線圖如圖2所示。

圖2 粉塵濃度分布曲線圖

分析圖2 可知，在工作面進(jìn)行割煤作業(yè)時(shí)，在距離采煤機(jī)滾筒一段距離內(nèi)粉塵的濃度出現(xiàn)了急劇上升的現(xiàn)象，粉塵濃度在該區(qū)域內(nèi)達(dá)到了700 ~1 200 mg/m3，該位置處為工作面割煤作業(yè)時(shí)整個(gè)工作面區(qū)域粉塵濃度最高的位置。在沿著采煤機(jī)的方向，由于采煤機(jī)滾筒切割產(chǎn)生的煤塵會(huì)隨著風(fēng)流而逐漸移動(dòng)，并在行程中在自身重力作用下而不斷的下沉，進(jìn)而粉塵的濃度會(huì)逐漸降低，當(dāng)風(fēng)流至滾筒身后約50 m 的位置時(shí)，此時(shí)粉塵濃度已較低，該處粉塵表現(xiàn)為濃度低、分散度大及粒徑小的特點(diǎn)。

隨著采煤機(jī)滾筒割煤作業(yè)的進(jìn)行，在采煤機(jī)割煤后方的一段距離內(nèi)，粉塵在風(fēng)流和自身重力的作用下，大粒徑的粉塵濃度降幅較快，而小粒徑的粉塵會(huì)在風(fēng)流的作用下逐漸向后方移動(dòng)且向四周擴(kuò)散；另外從圖3 中能夠看出，粉塵濃度在采煤機(jī)后方的一段距離內(nèi)，粉塵濃度出現(xiàn)了1 次上升的現(xiàn)象，但該次粉塵濃度升高較為緩慢，且粉塵濃度的最大值小于第1 次上升的最高值，該次粉塵濃度在500~1 000 mg/m3，3次粉塵測(cè)試該濃度升高區(qū)域分別出現(xiàn)在沿著煤壁方向50、100、100 m 的位置處，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果可知，該位置處粉塵濃度呈現(xiàn)為移動(dòng)速度快、分散度大和粒徑小的特征，且粉塵濃度在第2 次上升后便會(huì)逐漸下降。

2）沿煤壁人行道方向：在沿煤壁人行道方向上，同樣分別進(jìn)行3 次粉塵濃度的測(cè)試，基于記錄數(shù)據(jù)能夠繪制出如圖3 所示曲線。

圖3 粉塵濃度分布曲線圖

分析圖3 可知，工作面回采作業(yè)時(shí)，在距離煤壁1m 的位置處，粉塵濃度能夠達(dá)到700~1 200 mg/m3，且3 次粉塵濃度呈現(xiàn)為相同的變化趨勢(shì)，均呈現(xiàn)為隨著距煤壁距離的增大粉塵濃度逐漸降低，其中在距離采煤機(jī)1.5 m 的位置處，該區(qū)域的粉塵濃度為200~900 mg/m3。

3 噴霧降塵技術(shù)及效果

3.1 噴霧降塵方案

根據(jù)上述工作面粉塵濃度分布規(guī)律，現(xiàn)擬采用噴霧降塵技術(shù)進(jìn)行防塵作業(yè)，具體噴霧降塵方案如下：

1）采煤機(jī)外布置噴嘴：根據(jù)上述工作面粉塵濃度分布規(guī)律可知，在采煤機(jī)滾筒區(qū)域處粉塵濃度大，且粉塵隨著風(fēng)流會(huì)逐漸擴(kuò)散，為有效治理采煤機(jī)滾筒區(qū)域的粉塵，設(shè)置噴霧時(shí)需要考慮以下2 點(diǎn)；①通過噴嘴噴出的霧場(chǎng)應(yīng)能夠包裹滾筒；②噴霧噴出霧滴的運(yùn)移軌跡應(yīng)盡可能的與粉塵的運(yùn)移軌跡相一致；

基于上述噴嘴設(shè)置的2 個(gè)原則，確定在采煤機(jī)電機(jī)箱位置處布置4 個(gè)噴嘴，噴嘴以環(huán)形排列布置，且噴嘴的噴射方向朝著煤壁一側(cè)傾斜30°，另外在采煤機(jī)搖臂的端頭布置5 個(gè)噴嘴，噴嘴的噴射方向與搖臂水平方向成90°，設(shè)置采煤機(jī)滾筒處的噴霧系統(tǒng)采用恒壓噴水，設(shè)置噴水水壓為8.5~14.8 MPa[3-4]，具體采煤機(jī)外噴嘴的布置方式如圖4 所示。

圖4 采煤機(jī)外噴嘴布置方式示意圖

2）液壓支架間噴霧降塵：為防止粉塵在工作面區(qū)域擴(kuò)散，進(jìn)一步在液壓支架間布置噴霧系統(tǒng)，噴霧噴出的高速水霧會(huì)將前方的空氣推出，進(jìn)而在噴嘴的后方形成負(fù)壓區(qū)域，進(jìn)而會(huì)使得液壓支架后方含有粉塵的風(fēng)流會(huì)不斷的流入吸風(fēng)口內(nèi)，進(jìn)而會(huì)與水霧相接觸，粉塵顆粒會(huì)與水霧顆粒充分接觸，當(dāng)含有粉塵與水霧顆?；旌虾髲膰娮靽姵龊?，其會(huì)很快的沉降，且噴嘴噴出水霧后，會(huì)進(jìn)一步在出口一端形成負(fù)壓場(chǎng)，會(huì)對(duì)粉塵進(jìn)一步的卷吸，形成二次降塵的效果。

現(xiàn)在每臺(tái)液壓支架上布置3 個(gè)噴嘴，噴射角度分別為0°、45°、80°，根據(jù)噴霧降塵理論的相關(guān)研究結(jié)果[5-6]，確定液壓支架間的噴霧采用脈沖噴水，設(shè)置噴水壓力為1.8~3.6 MPa，其中后部吸風(fēng)口和側(cè)部吸風(fēng)口的尺寸分別為0.2 m×0.2 m 和0.1 m×0.08 m。噴嘴布置方式及吸風(fēng)口的布置位置如圖5 所示。

圖5 液壓支架噴霧系統(tǒng)布置方式示意圖

3.2 效果分析

為有效驗(yàn)證81204 工作面采用噴霧降塵技術(shù)的效果，現(xiàn)在工作面不同位置處設(shè)置粉塵濃度測(cè)試點(diǎn)，分別測(cè)試工作面不同區(qū)域在采用噴霧降塵系統(tǒng)前后的粉塵濃度，粉塵濃度觀測(cè)點(diǎn)分別布置在距離回風(fēng)巷15、45、75、105、120 m 的位置處，根據(jù)粉塵濃度的測(cè)試結(jié)果得出表2 數(shù)據(jù)。

通過分析表2 中的數(shù)據(jù)可知，工作面在采用噴霧系統(tǒng)后，工作面回采期間粉塵濃度大幅下降，其中全塵的降塵率在65%~78%的范圍內(nèi)，呼塵的降塵率在68%~72%的范圍內(nèi)，噴霧系統(tǒng)采用后，工作面回采期間全塵的最大濃度為110 mg/m3，呼塵的最大濃度為17 mg/m3，降塵效果顯著。

表2 噴霧系統(tǒng)實(shí)施前后粉塵濃度數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

根據(jù)81204 工作面的地質(zhì)條件，通過在工作面區(qū)域進(jìn)行粉塵濃度的測(cè)試，得出回采期間粉塵的分布規(guī)律，得出回采期間采煤機(jī)滾筒區(qū)域的粉塵濃度較高，在距離煤壁1 m 的位置處粉塵濃度較大，并結(jié)合工作面特征進(jìn)行噴霧降塵方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)工作面回采期間噴霧系統(tǒng)實(shí)施前后的粉塵濃度測(cè)試結(jié)果可知，噴霧系統(tǒng)實(shí)施后，回采期間全塵的最大濃度為110 mg/m3，呼塵的最大濃度為17 mg/m3，降塵效果顯著。