閆曉斐

（山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

1 工程概況

新村煤業(yè)15111工作面隸屬151采區(qū)，工作面標(biāo)高為+1 058～+1 098 m，走向平均長度1 029 m，傾斜長度160.5～150 m，面積157 437m2，本工作面北為西膠帶巷，南為井田邊界，西為153采區(qū)，東部為15109工作面采空區(qū)。主采15號煤層，工作面煤層厚度4.87～8.58 m，平均厚度5.89 m。工作面地質(zhì)構(gòu)造條件中等，煤層結(jié)構(gòu)簡單。煤層直接頂為泥巖，厚度3.85～10.35 m，平均7.10 m；老頂為中粒砂巖，厚度為0.83～9.43 m，平均5.13 m；直接底為泥巖，厚度6.46～6.7 m，平均厚度6.58m；老底為L9灰?guī)r，厚度0.3～0.7 m，平均0.5 m。工作面采用綜采放頂煤法，全部垮落法管理采空區(qū)頂板。工作面通風(fēng)方式為U型通風(fēng)，即新鮮風(fēng)流從下順槽進(jìn)入，經(jīng)過工作面后通過上順槽回風(fēng)巷回出。

根據(jù)工作面地質(zhì)資料可知，工作面開采的15號煤層屬于瘦煤，煤塵無爆炸性。由于工作面采用放頂煤開采方式，在工作面回采期間，割煤、拉架和放煤作業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵，極大危害職工身體健康，同時(shí)造成現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境極差，影響人員視線，為減少工作面生產(chǎn)作業(yè)期間的煤塵，優(yōu)化現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，減少粉塵傷害，對工作面粉塵治理技術(shù)進(jìn)行分析研究，以保證工作面安全、健康生產(chǎn)。

2 噴霧降塵機(jī)理分析

綜采工作面在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)的粉塵主要在采煤機(jī)割煤期間產(chǎn)生，采煤機(jī)在割煤運(yùn)行作業(yè)時(shí)不斷擾動(dòng)煤體，將煤塵揚(yáng)起從而形成移動(dòng)的粉塵源頭[1-2]，因此控制采煤機(jī)割煤運(yùn)行作業(yè)時(shí)的粉塵是降低工作面粉塵含量的最有效措施。工作面生產(chǎn)作業(yè)期間產(chǎn)生的粉塵粒徑一般都在0.3μm以下，具有粒徑小、重量輕等特點(diǎn)，在工作面風(fēng)流作用下極易會(huì)被吹散帶走且具有極大的擴(kuò)散性。粉塵被風(fēng)流吹起帶走時(shí)呈布朗運(yùn)動(dòng)[3]，在運(yùn)動(dòng)過程中極易與其他物體接觸碰撞時(shí)沉降（如圖1（a）所示）。如果風(fēng)流中含有水滴，則粉塵粒子與水滴碰撞后向低處產(chǎn)生偏移，由于風(fēng)流中含塵量密度大，在風(fēng)流運(yùn)動(dòng)過程中受慣性作用將會(huì)向有液滴方向進(jìn)行移動(dòng)，粉塵中質(zhì)量大于m的粒子將會(huì)全部與水滴產(chǎn)生碰撞從而被水滴捕捉，具體捕塵機(jī)理如圖1（b）所示。

圖1 噴霧降塵機(jī)理示意圖

工作面生產(chǎn)期間采取噴霧灑水降塵措施是通過噴灑的水滴與粉塵顆粒之間發(fā)生碰撞后從而凝結(jié)到一起產(chǎn)生沉降效果，故噴霧降塵效果大小主要取決于粉塵粒子與噴灑的水霧顆粒之間產(chǎn)生的凝結(jié)效果[4-5]。若捕塵水霧顆粒以恒定速度進(jìn)行移動(dòng)，同時(shí)水霧顆粒不帶電時(shí)，則其只能對直徑大于8μm的粉塵顆粒具有較好的捕塵效果，當(dāng)粉塵顆粒直徑小于8μm時(shí)，則水霧捕塵效果較差。若捕塵水霧顆粒帶電時(shí)，其產(chǎn)生的靜電與粉塵顆粒產(chǎn)生的靜電之間相互吸引，能夠大大提高水霧顆粒的捕塵效果。

據(jù)相關(guān)研究分析結(jié)果，增加捕塵水霧單顆粒的帶電量時(shí)，可以有效提高水霧的捕塵效果，捕塵水霧帶電量比與水霧壓力之間的變化關(guān)系如圖2所示。由圖2中分析可知，當(dāng)水霧壓力在10 MPa以內(nèi)時(shí)，隨著水霧壓力的增大，水霧帶電電荷數(shù)也會(huì)成不斷增多趨勢。由此可知，通過提高水霧噴射壓力時(shí)能夠增加水霧帶電電荷量，從而增加了水霧對粉塵顆粒的吸引力，提高了噴霧降塵效果。根據(jù)上述分析情況，結(jié)合15111工作面煤層地質(zhì)和通風(fēng)等基本條件，研究決定工作面回采期間采用的降塵措施為高壓噴霧灑水方式，噴霧水壓力設(shè)定為6～8 MPa。

圖2 不同噴霧水壓力作用下帶電電荷密度變化圖

3 噴霧降塵方案及應(yīng)用效果

3.1 噴霧降塵系統(tǒng)

15111工作面設(shè)計(jì)采用的噴霧降塵系統(tǒng)主要有采煤機(jī)滾筒噴霧、機(jī)身噴霧系統(tǒng)和綜采液壓支架噴霧降塵系統(tǒng)，其主要作用是當(dāng)工作面割煤作業(yè)時(shí)，通過噴霧灑水的方式對工作面煤壁提前進(jìn)行濕潤，從而抑制粉塵的產(chǎn)生[6]，15111工作面各噴霧降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式如下：

1）采煤機(jī)滾筒噴霧降塵。在采煤機(jī)上下滾筒處設(shè)計(jì)安裝3級水幕，噴水壓力設(shè)計(jì)為6～8 MPa，利用3級水幕對采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行攔截并使粉塵與水霧顆粒進(jìn)行充分接觸，濕潤后的粉塵顆粒再與其他粉塵相碰撞接觸融合，最后形成粉塵顆粒團(tuán)后在自重下沉，具體效果如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)滾筒3級水幕噴灑降塵效果示意圖

在采煤機(jī)滾筒上安裝粉塵濃度傳感器，針對采煤機(jī)在工作面運(yùn)行割煤時(shí)的產(chǎn)生的粉塵濃度值設(shè)置開啟3級噴霧降塵裝置，即當(dāng)粉塵濃度大于3 mg/m3時(shí)，第1級噴霧噴嘴將自動(dòng)打開，形成1級水幕降塵；當(dāng)粉塵濃度大于4 mg/m3時(shí)，第1級噴霧噴嘴開啟的同時(shí)自動(dòng)開啟第2級噴霧噴嘴，形成2級水幕降塵；當(dāng)粉塵濃度大于5 mg/m3時(shí)，第3級噴霧噴嘴同時(shí)開啟，形成3級水幕降塵系統(tǒng)。在采取噴霧降塵措施后粉塵濃度下降到設(shè)置的對應(yīng)報(bào)警值時(shí)，將會(huì)對應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉降塵噴嘴，當(dāng)粉塵濃度降低到3 mg/m3以下時(shí)，3級水幕噴嘴將會(huì)全部自動(dòng)關(guān)閉。

2）機(jī)身噴霧降塵系統(tǒng)。在工作面采煤機(jī)機(jī)身上設(shè)置高壓噴霧灑水設(shè)施，噴霧壓力設(shè)定為6～8 MPa，噴嘴之間的間距設(shè)置為500 mm，安裝角度為40°，噴灑水霧時(shí)確保對采煤機(jī)機(jī)身形成整體覆蓋，具體效果如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)機(jī)身噴霧灑水除塵裝置示意圖

3）當(dāng)采煤機(jī)割煤作業(yè)結(jié)束以后，還有一部分粉塵留存在工作面作業(yè)區(qū)域，為將該部分粉塵進(jìn)行治理，在工作面綜采液壓支架的頂梁下方安裝高壓降塵噴頭，每架支架上安裝1個(gè)噴嘴，噴霧壓力設(shè)置為6～8 MPa。生產(chǎn)作業(yè)期間，工作面粉塵濃度傳感器監(jiān)測到的粉塵濃度超過設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，會(huì)將信息傳遞到液壓支架上安裝的P LC控制器上，控制器將會(huì)控制液壓支架降塵系統(tǒng)自動(dòng)打開，同時(shí)根據(jù)濃度值大小調(diào)節(jié)噴霧壓力大小，以此達(dá)到噴霧降塵的效果。

3.2 應(yīng)用效果分析

為檢驗(yàn)15111工作面安裝噴霧降塵系統(tǒng)的降塵效果，通過對安裝噴霧降塵系統(tǒng)前后作業(yè)區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度進(jìn)行測定，得出表1所示的結(jié)果。分析表1可知，工作面安裝噴霧降塵系統(tǒng)后，粉塵濃度明顯降低，各作業(yè)區(qū)域的粉塵濃度與未安裝降塵系統(tǒng)前相比，粉塵濃度平均降低了66.5%，為工作面生產(chǎn)作業(yè)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

表1 工作面粉塵濃度測定

4 結(jié)論

通過研究分析噴霧灑水降塵工作機(jī)理，結(jié)合15111工作面實(shí)際地質(zhì)條件，制定生產(chǎn)作業(yè)期間的降塵技術(shù)方案，即在采煤機(jī)機(jī)身、上下滾筒和工作面液壓支架上安裝高壓灑水降塵噴霧系統(tǒng)，工作面回采期間根據(jù)粉塵濃度情況及時(shí)開啟噴霧灑水降塵系統(tǒng)。通過對現(xiàn)場粉塵濃度進(jìn)行測試，降塵效果顯著，工作面作業(yè)環(huán)境得到了明顯改善。