張 濤

（晉能集團(tuán)陽(yáng)泉公司上社煤礦，山西 盂縣 045100）

1 工程概況

陽(yáng)泉市上社煤炭有限責(zé)任公司屬于屬煤與瓦斯突出礦井，15502工作面位于15號(hào)煤層五采區(qū)，工作面開(kāi)采15號(hào)煤層，煤層厚度4.1～7.4 m，平均厚度5.4 m，平均傾角為6°，煤層直接頂為石灰?guī)r、泥巖互層，平均厚度12.3 m，；直接底為黑色粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度約5.4 m；煤層內(nèi)生節(jié)理裂隙發(fā)育，煤層回采及掘進(jìn)工作面最大涌出量分別為37.7 m3/min和4.8 m3/min；煤層水文地質(zhì)類型為中等，不易自燃煤層，煤塵具有爆炸性。

15502進(jìn)風(fēng)巷用作15502工作面的進(jìn)風(fēng)、運(yùn)輸、行人等，巷道埋深240～300 m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約510 m，巷道斷面呈矩形，掘進(jìn)寬5.2 m，掘進(jìn)高4.5 m；沿煤層頂板采用綜掘機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，為優(yōu)化掘進(jìn)工作面作業(yè)環(huán)境，特進(jìn)行工作面粉塵濃度測(cè)試及噴霧降塵技術(shù)研究。

2 粉塵分布規(guī)律分析

為掌握15502進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面的粉塵分布形態(tài)，特在巷道掘進(jìn)期間進(jìn)行粉塵濃度和粉塵分散度的測(cè)試分析，具體粉塵濃度和分散度的測(cè)定如下：

1）粉塵濃度測(cè)試：粉塵濃度的測(cè)定通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室采用濾膜測(cè)重法進(jìn)行測(cè)試[1-2]；在進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面內(nèi)布置9個(gè)粉塵采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)的測(cè)塵高度布置在距離巷道底板1.5 m位置處，該位置處于工作人員呼吸帶的位置，采樣點(diǎn)采用CCZ-1000型直讀式粉塵濃度測(cè)量?jī)x，粉塵測(cè)試點(diǎn)分別布置在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處、距離掘進(jìn)機(jī)頭5、10、15、20、50、100、150、200、300、500 m及 轉(zhuǎn) 載 點(diǎn) 的 位 置處，具體粉塵濃度采樣點(diǎn)布置形式如圖1所示。

圖1 粉塵濃度采樣點(diǎn)布置示意圖

根據(jù)粉塵濃度的測(cè)試結(jié)果，可繪制出掘進(jìn)工作面粉塵濃度的沿程分布曲線如圖2所示。

圖2 15502進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面沿程粉塵濃度分布曲線圖

分析圖2可知，隨著采樣點(diǎn)與掘進(jìn)頭間距離的增大，粉塵濃度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，其中工作面全塵和呼塵濃度的最大值均在距離掘進(jìn)頭5 m位置處取得，全塵濃度最大值為285 mg/m3，呼塵濃度最大值為62 mg/m3；隨著采樣點(diǎn)與掘進(jìn)頭間距離的增大，采樣點(diǎn)的粉塵濃度呈現(xiàn)出逐漸快速下降的趨勢(shì)；當(dāng)采樣點(diǎn)與掘進(jìn)頭間的距離大于50 m時(shí)，全塵濃度下降至100 mg/m3以下；隨著距離的進(jìn)一步增大，粉塵濃度的下降幅度逐漸減小，此時(shí)粉塵濃度基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；另外從圖中可看出，呼吸性粉塵在距離工作面100 m后，隨著與掘進(jìn)頭間距離的變化，粉塵濃度基本呈現(xiàn)出很小的變化，造成這一現(xiàn)象的原因主要有2方面，其一為呼吸性粉塵不易沉降；其二為呼吸性粉塵會(huì)隨著風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)而不斷運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而彌漫到整條巷道內(nèi)，進(jìn)而出現(xiàn)滯后工作面一定距離后呼吸性粉塵濃度基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2）粉塵分散度測(cè)試：粉塵分散度表示微細(xì)粉塵占總粉塵的比例，由于空氣中懸浮的粉塵直徑均在10μm以下，該粒徑的粉塵均處于懸浮狀態(tài)，其中粒徑小于2μm的粉塵最易被人體吸入[3-4]；粉塵分散度采用在濾膜采樣后，將粉塵防治與有機(jī)溶劑中，形成觀測(cè)標(biāo)本，以通過(guò)顯微鏡進(jìn)行分散度的測(cè)定作業(yè)；在粉塵分散度現(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)，分別在距離工作面5、10、20、50、100 m的位置處取樣，取樣點(diǎn)同樣在距離底板1.5 m呼吸帶位置處。

根據(jù)粉塵分散度測(cè)試結(jié)果，可繪制出掘進(jìn)工作面100 m范圍內(nèi)粉塵分散度曲線圖，如圖3所示，圖中D25代表頻率為10%的粉塵粒徑，其余D25、D50、D75、D90均代表類似含義。

分析圖3可知，隨著距離掘進(jìn)工作面距離的增大，同一級(jí)別粉塵粒徑呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，且該種遞減趨勢(shì)在粒度級(jí)別高的粉塵中顯現(xiàn)的更為明顯；另外從圖中能夠看出，在掘進(jìn)工作面10 m范圍內(nèi)，含塵氣流中大顆粒的粉塵含量較多；在掘進(jìn)頭10 m以后，大顆粒的粉塵基本已經(jīng)沉降，而小顆粒的粉塵仍在空氣中處于浮游狀態(tài)，此時(shí)隨著距掘進(jìn)頭距離的增大，風(fēng)流中粉塵粒徑已趨于穩(wěn)定，此時(shí)即表明粉塵已經(jīng)擴(kuò)散彌漫至整個(gè)掘進(jìn)斷面。

圖3 掘進(jìn)工作面粉塵分散度曲線圖

綜合上述分析可知，15502進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面粉塵濃度最大值在距掘進(jìn)頭5 m的位置處取得，呼吸性粉塵在距掘進(jìn)頭10 m的范圍內(nèi)均較高；同級(jí)別的粉塵粒徑隨距工作面沿程距離的增大而逐漸減小，且該種現(xiàn)象在大粒徑粉塵上較為明顯。

3 噴霧降塵技術(shù)

3.1 噴霧降塵方案

根據(jù)15502工作面進(jìn)風(fēng)巷的特征，結(jié)合上述掘進(jìn)工作面粉塵濃度和分散度的測(cè)試結(jié)果，現(xiàn)在設(shè)計(jì)噴霧降塵系統(tǒng)包括掘進(jìn)頭噴霧降塵和皮帶機(jī)噴霧降塵，具體各項(xiàng)降塵措施如下：

1）掘進(jìn)頭噴霧降塵：在綜掘機(jī)上采用油壓-水壓轉(zhuǎn)換裝置（見(jiàn)圖4），通過(guò)掘進(jìn)機(jī)上的液壓油驅(qū)動(dòng)液壓水泵，以實(shí)現(xiàn)獲取高壓水，采用油壓-水壓轉(zhuǎn)換裝置的高壓水噴霧系統(tǒng)具有功能齊全、可靠性高、其能夠通過(guò)高壓油轉(zhuǎn)化為高壓水、能夠在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處實(shí)現(xiàn)任意調(diào)節(jié)噴霧水壓力和流量[5-6]，不影響掘進(jìn)機(jī)視線的條件下提高降塵率。

圖4 油壓轉(zhuǎn)換裝置示意圖

噴霧系統(tǒng)中采用螺旋牙水芯噴嘴，該噴嘴的霧化原理為壓力-離心原理，產(chǎn)生的霧流形狀為空心圓錐形，實(shí)現(xiàn)的霧化質(zhì)量分布均勻且霧粒細(xì)小，具體螺旋牙水芯噴嘴外觀和剖面結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 螺旋牙水芯噴嘴示意圖

2）皮帶機(jī)噴霧降塵：在皮帶機(jī)上方60 cm位置處設(shè)置噴霧水管，每隔5 m布置1根橫向水管，并在橫向水管上安裝4個(gè)噴頭；采用液壓槍扳機(jī)將噴霧水管與供水管路相連，且在液壓扳機(jī)處連接一個(gè)擋板以實(shí)現(xiàn)煤巖接觸擋板后，可將擋板抬起，以觸發(fā)液壓槍彈簧開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)噴霧的自動(dòng)打開(kāi)，如圖6所示。

圖6 皮帶機(jī)噴霧降塵布置形式示意圖

本次噴霧系統(tǒng)中所采用的噴霧水腫摻入抑塵劑，該種抑塵劑的摻入比例為3‰，該類抑塵劑可提高霧粒和塵粒的親和力，促使塵粒的凝結(jié)與沉降；另一方面該抑塵劑可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間保持粉塵的濕潤(rùn)性抑制粉塵的二次飛揚(yáng)。抑塵劑噴霧結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 抑塵劑噴霧結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 效果分析

為分析15502工作面噴霧系統(tǒng)實(shí)施后的效果，現(xiàn)分別在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處、刮板轉(zhuǎn)載點(diǎn)和運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)的位置處分別進(jìn)行噴霧系統(tǒng)采用前后全塵和呼塵濃度的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 噴霧系統(tǒng)實(shí)施前后掘進(jìn)工作面全塵和呼塵濃度數(shù)據(jù)表

分析表1可知，在進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面采用噴霧系統(tǒng)后，掘進(jìn)期間，巷道內(nèi)不同位置處全塵和呼塵降塵效果均較為顯著，全塵降塵率最高出現(xiàn)在運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)的位置處，可達(dá)到83.7%，呼塵降塵率最高出現(xiàn)在運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)位置處，達(dá)到82.5%。噴霧系統(tǒng)實(shí)施后，在掘進(jìn)工作面各個(gè)區(qū)域，全塵的降塵率在80.5%～84%之間，呼塵的降塵率在80%～83%之間，降塵效果顯著。

4 結(jié)論

根據(jù)15502進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面地質(zhì)條件及特征，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式進(jìn)行掘進(jìn)工作面粉塵濃度及分散度的測(cè)試，結(jié)合粉塵濃度測(cè)試結(jié)果，分別進(jìn)行掘進(jìn)頭和皮帶機(jī)噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)噴霧系統(tǒng)實(shí)施前后的粉塵濃度測(cè)試結(jié)果知，噴霧降塵系統(tǒng)實(shí)施后，降塵效果顯著。