凌鵬濤，李 超，趙義元

(陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300)

采煤工作面是煤炭開(kāi)采的主要作業(yè)場(chǎng)所，受制于工作面封閉、狹小作業(yè)空間環(huán)境，在采煤機(jī)割煤、液壓支架移架、刮板輸送機(jī)運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵[1，2]，給井下工人身體健康帶來(lái)極大危害，且極易引發(fā)粉塵爆炸事故[3]，工作面塵源分布特征及運(yùn)移規(guī)律是開(kāi)展粉塵防治的基礎(chǔ)。針對(duì)采煤工作面粉塵防治難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了深入的研究與實(shí)踐，王建民等采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與統(tǒng)計(jì)回歸方法，對(duì)全國(guó)98個(gè)煤礦的采煤工作面粉塵進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣，系統(tǒng)分析了工作面呼吸性粉塵的組分、濃度、分布規(guī)律等，以及采取煤層注水、架間噴霧等措施對(duì)呼吸性粉塵的防治效果，但未提出針對(duì)性的粉塵高效防控技術(shù)[3，4]；李華煒等采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬方法研究了采煤機(jī)割煤過(guò)程中粉塵的產(chǎn)生機(jī)理及擴(kuò)散規(guī)律，分析了風(fēng)速、風(fēng)壓對(duì)粉塵擴(kuò)散運(yùn)移的影響，提出了工作面粉塵防治措施，但并未對(duì)不同的產(chǎn)塵點(diǎn)進(jìn)行分門別類的粉塵防治[5-7]；王洪勝等采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法研究了綜放工作面塵源分布特點(diǎn)，針對(duì)不同塵源的產(chǎn)塵特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬方法分析了液壓支架采用靜壓噴霧、高壓噴霧對(duì)粉塵的抑制效果，提出了粉塵防治措施[8-10]；向曉剛等研究了采煤工作面呼吸性粉塵的分布特征及時(shí)空演化規(guī)律，采用數(shù)值模擬方法分析了呼吸性粉塵的擴(kuò)散規(guī)律，但并未基于粉塵的產(chǎn)塵特點(diǎn)及擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行相關(guān)技術(shù)、裝備的研發(fā)實(shí)踐[11-13]。

隨著采煤工作面開(kāi)采高度、工作面長(zhǎng)度、推進(jìn)速度的逐年增加，采煤工作面粉塵危害日益嚴(yán)重，粉塵防治技術(shù)裝備亟待提升。本文以紅柳林煤礦大采高綜采工作面粉塵高效防控為目標(biāo)，針對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、工作面巷道等不同區(qū)域的產(chǎn)塵特點(diǎn)及粉塵運(yùn)移規(guī)律，提出了采煤工作面粉塵“分源-分區(qū)-分級(jí)”治理思路，研發(fā)了相關(guān)技術(shù)裝備，為類似條件采煤工作面粉塵高效防控提供借鑒。

1 采煤工作面塵源分布特征實(shí)測(cè)分析

1.1 采煤工作面粉塵測(cè)點(diǎn)布置

紅柳林煤礦位于陜西省神木市西北側(cè)，井田東西長(zhǎng)約20 km，南北寬約8 km，主要開(kāi)采5-2煤層，煤層平均厚度5.7 m，煤種為不粘煤，25212工作面位于北一盤區(qū)，工作面傾斜長(zhǎng)度為348 m，走向推進(jìn)長(zhǎng)度為3082 m，煤層傾角為1°～3°，煤層賦存穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

為了對(duì)采煤工作面塵源分布特征及粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)采煤工作面不同區(qū)域的粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共計(jì)布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示，其中，運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)側(cè)布置A、J兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，回風(fēng)巷超前工作面20 m處布置測(cè)點(diǎn)B，采煤機(jī)的下風(fēng)側(cè)布置C、D、E三個(gè)測(cè)點(diǎn)，架間布置F、G、H、I四個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)開(kāi)展3～5組測(cè)試，每組測(cè)試20 min。

圖1 粉塵濃度測(cè)點(diǎn)布置方案

1.2 采煤工作面粉塵分布特征

通過(guò)對(duì)圖1中不同測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其結(jié)果分析見(jiàn)表1。采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)C、D、E三個(gè)測(cè)點(diǎn)的總粉塵濃度、呼吸性粉塵濃度最高，分別達(dá)到254.58 mg/m3、107.04 mg/m3，其中，大顆粒粉塵較多，且距離采煤機(jī)越遠(yuǎn)，粉塵濃度越低；液壓支架行人通道的總粉塵濃度及呼吸性粉塵濃度較采煤機(jī)側(cè)明顯下降，且行人側(cè)滾筒后方及下風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度較高，呼吸性粉塵濃度為55%，大于采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)粉塵濃度占比；進(jìn)風(fēng)側(cè)J點(diǎn)的粉塵濃度最低，總粉塵濃度、呼吸性粉塵濃度僅為6.11 mg/m3、5.83 mg/m3，但測(cè)點(diǎn)A受破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)影響，粉塵濃度較高，總粉塵濃度、呼吸性粉塵濃度達(dá)到84.81 mg/m3、70.56 mg/m3；由于粉塵在回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)B經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的沉降，總粉塵濃度、呼吸性粉塵濃度較工作面中部明顯下降，約為34 mg/m3、10.37 mg/m3。

表1 不同測(cè)點(diǎn)粉塵濃度及呼吸性粉塵占比

通過(guò)上述實(shí)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，采煤工作面采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)30 m范圍、液壓支架行人通道、工作面轉(zhuǎn)載機(jī)與破碎機(jī)搭接處的總粉塵濃度、呼吸性粉塵濃度較高，是采煤工作面防塵、控塵的重點(diǎn)區(qū)域。

2 采煤機(jī)截割區(qū)域高效控塵技術(shù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，25212工作面采煤機(jī)割煤過(guò)程中噴嘴噴射水霧的覆塵效果較差，主要問(wèn)題為噴嘴的霧化效果差、射程近、易堵塞等。為此，對(duì)采煤機(jī)旋流內(nèi)噴霧噴嘴、旋流外噴霧噴嘴進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高噴嘴的霧化效果、射程、抗堵塞、耐腐蝕等特性。

傳統(tǒng)采煤機(jī)內(nèi)噴霧方式主要采用前側(cè)噴霧，即將噴嘴布置在滾筒截齒前側(cè)下方，這種布置方式很容易受到割落煤炭的影響，降低霧化效果及噴射距離，且容易造成噴嘴堵塞，影響降塵效果[14-16]。為此，對(duì)內(nèi)噴霧進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖2所示，采用新的旋流芯，在運(yùn)行過(guò)程中可以自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，可有效解決割落煤炭對(duì)噴嘴的影響，提高噴嘴霧化效果及射程，且噴嘴不易堵塞，極大提高了采煤機(jī)的內(nèi)噴霧效果。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的內(nèi)噴霧噴嘴

傳統(tǒng)的采煤機(jī)外噴霧噴嘴由于受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝位置、水質(zhì)等影響，存在霧化效果差、噴霧呈射線狀、噴霧對(duì)滾筒包裹范圍小、易堵塞等問(wèn)題[17，18]。為此，根據(jù)采煤機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在采煤機(jī)的前后搖臂上設(shè)計(jì)新型噴霧裝置，并優(yōu)化噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝位置參數(shù)，提高外噴霧效果。

通過(guò)在噴嘴內(nèi)部設(shè)計(jì)螺旋整流裝置，將孔徑由1.2 mm增加至2.0 mm，并將噴霧管路的水壓提高至3 MPa，有效提高了噴嘴的霧化效果及射程，如圖3所示。通過(guò)在外噴霧管路設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)、增大孔徑等措施，有效解決了噴嘴堵塞問(wèn)題。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的外噴霧噴嘴結(jié)構(gòu)及噴霧效果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，優(yōu)化后噴霧角度由小于10°增加至36°，噴霧流量由4.56 L/min增加至8.15 L/min，有效射程由5.2 m增加至6.1 m，噴霧效果得到大幅提升。

3 液壓支架支護(hù)區(qū)域高效控塵技術(shù)

液壓支架跟機(jī)噴霧控塵的原理是通過(guò)在工作面形成封閉的霧幕，將產(chǎn)生的粉塵通過(guò)霧幕進(jìn)行封控與降塵，其技術(shù)關(guān)鍵是噴霧射程、角度、霧化效果的綜合優(yōu)化[19-21]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，液壓支架跟機(jī)噴霧未能形成連續(xù)霧幕，形成的空漏區(qū)導(dǎo)致工作面控塵效果不佳，如圖4所示。

圖4 液壓支架跟機(jī)噴霧形成空漏區(qū)

為此，針對(duì)25212工作面開(kāi)采參數(shù)及控塵需求，研發(fā)設(shè)計(jì)了AAZ-LNN、BB兩種型號(hào)的新型高效霧化噴嘴，并進(jìn)行了不同水壓下的噴霧效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同型號(hào)噴嘴霧化效果對(duì)比

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著水壓的增加，不同噴嘴的流量、有效射程均增加，但霧化角在降低。另外，AAZ-LNN在水壓一定情況下，其有效射程、霧化角均最大，且流量適中，能夠滿足25212工作面液壓支架跟機(jī)噴霧要求，噴霧效果如圖5所示。

圖5 新型噴嘴與原有噴嘴霧化效果對(duì)比

為了提高粉塵防治效果，在液壓支架上安裝了架間接塵裝置，該裝置由滑軌、半柔性擋塵板、剛性導(dǎo)塵槽等組成，通過(guò)矩形掛環(huán)掛接在相鄰兩支架側(cè)護(hù)板內(nèi)側(cè)的掛鉤上，采用半柔性擋塵板和剛性導(dǎo)塵槽將相鄰支架側(cè)護(hù)板之間的縫隙封閉，捕集降柱移架時(shí)架間落煤落塵，并將其導(dǎo)向工作面后方的低位區(qū)域，避免落煤和粉塵被工作面風(fēng)流吹散，污染人員作業(yè)空間。

為了進(jìn)一步提高工作面防塵控塵效果，研發(fā)了一種新型的負(fù)壓卷吸除塵器，如圖6(a)所示，通過(guò)負(fù)壓卷吸除塵器可以形成霧流簾幕，從而在工作面構(gòu)建封閉的局部霧化空間，封閉采煤機(jī)割煤過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵，如圖6(b)所示，進(jìn)一步提升液壓支架跟機(jī)控塵效果。

4 回風(fēng)巷區(qū)域高效控塵技術(shù)

通過(guò)上述實(shí)測(cè)分析，轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)料口的總粉塵濃度、呼吸性粉塵濃度均較高，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)塵點(diǎn)主要為刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)連接處、轉(zhuǎn)載機(jī)自移機(jī)尾轉(zhuǎn)載點(diǎn)處，當(dāng)煤炭在拐彎運(yùn)輸中易產(chǎn)生粉塵，另外，煤炭在進(jìn)入破碎機(jī)進(jìn)行破碎過(guò)程中也易產(chǎn)生粉塵。由于風(fēng)流方向與煤流運(yùn)輸方向相反，產(chǎn)生的粉塵被新鮮風(fēng)流帶入工作面，導(dǎo)致工作面粉塵濃度增大。

針對(duì)上述區(qū)域的粉塵防控要求，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種風(fēng)水聯(lián)動(dòng)降塵裝置，如圖7所示，利用轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)料口已有的水源和風(fēng)源為動(dòng)力源，將進(jìn)口管道和出口管道均設(shè)計(jì)為喇叭口狀，旋轉(zhuǎn)水軸和風(fēng)扇為同軸設(shè)計(jì)，在水壓作用下可以同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的水霧可以有效的進(jìn)行控塵。

圖6 負(fù)壓卷吸除塵器及布置方式

圖7 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)降塵裝置結(jié)構(gòu)

通過(guò)上述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，回風(fēng)巷道的平均風(fēng)速為1.09 m/s，總粉塵濃度為34 mg/m3，呼吸性粉塵濃度為10.37 mg/m3，高于安全規(guī)程中對(duì)回風(fēng)巷道粉塵濃度的控制要求(4 mg/m3、2.5 mg/m3)。為此，在回風(fēng)巷道設(shè)計(jì)應(yīng)用了全斷面霧幕捕塵網(wǎng)，如圖8所示，將噴霧系統(tǒng)與捕塵網(wǎng)系統(tǒng)做成一體，放在支撐框架上，根據(jù)25212工作面回風(fēng)巷道斷面參數(shù)，設(shè)計(jì)噴桿長(zhǎng)度為5 m，噴桿上設(shè)計(jì)10個(gè)噴嘴，噴頭孔徑為1.1 mm，噴頭為扇形噴頭，霧化角度為65°。通過(guò)紅外系統(tǒng)控制噴霧系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)紅外感應(yīng)器感應(yīng)到人員通過(guò)時(shí)，則關(guān)閉噴霧系統(tǒng)，當(dāng)?shù)诙€(gè)紅外感應(yīng)器感應(yīng)到人員通過(guò)時(shí)，則開(kāi)啟噴霧系統(tǒng)。

在25212工作面回風(fēng)巷道距工作面50 m位置安裝了一套全斷面霧幕捕塵網(wǎng)，共設(shè)置了3個(gè)粉塵濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)編號(hào)：A、B、C)，測(cè)點(diǎn)A、B、C分別為全斷面霧幕捕塵網(wǎng)下風(fēng)側(cè)15，30，45 m，距離巷道底板高度為1.2～1.5 m，除塵效率如圖9所示。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用全斷面霧幕補(bǔ)塵網(wǎng)后，三個(gè)測(cè)點(diǎn)總粉塵的除塵效率達(dá)到52.71%～56.9%，呼吸塵的除塵效率達(dá)到33.33%～39.39%，除塵效果非常明顯。

圖8 回風(fēng)巷道全斷面霧幕捕塵網(wǎng)系統(tǒng)

圖9 總粉塵與呼吸粉塵濃度對(duì)比

5 “分源-分區(qū)-分級(jí)”控塵技術(shù)應(yīng)用

基于25212采煤工作面不同區(qū)域產(chǎn)塵特征及防塵、控塵要求，提出并應(yīng)用了采煤工作面“分源-分區(qū)-分級(jí)”粉塵控制理念及相關(guān)技術(shù)裝備，針對(duì)采煤機(jī)截割粉塵，在采煤機(jī)機(jī)身及滾筒處安裝148個(gè)采煤機(jī)旋流內(nèi)噴霧噴嘴和22個(gè)外噴霧噴嘴；針對(duì)液壓支架處粉塵，在液壓支架頂梁處替換692個(gè)液壓支架旋流跟蹤噴霧噴嘴，并安裝80組液壓支架負(fù)壓卷吸除塵器；針對(duì)帶式運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸和轉(zhuǎn)載機(jī)等分散塵源產(chǎn)塵，在工作面主運(yùn)巷100，500，900 m的位置各安裝1套帶式輸送機(jī)運(yùn)輸自發(fā)電感應(yīng)霧化降塵系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)料口處安裝1套風(fēng)水聯(lián)動(dòng)降塵裝備；針對(duì)回風(fēng)巷風(fēng)流含塵，在回風(fēng)巷入口50 m處安裝一套回風(fēng)巷全斷面霧幕捕塵網(wǎng)系統(tǒng)，采煤工作面“分源-分區(qū)-分級(jí)”控塵技術(shù)裝備布置如圖10所示。

圖10 工作面“分源-分區(qū)-分級(jí)”控塵技術(shù)裝備布置

2022年7月—2022年9月進(jìn)行了為期3個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)5 m處，總粉塵降塵率由45.88%提高至86%，呼吸粉塵降塵率由43.97%提高至83%；液壓支架跟機(jī)區(qū)域各測(cè)點(diǎn)的總粉塵和呼吸粉塵降塵率均在70%左右，總粉塵降塵率最高可達(dá)80.5%，呼吸粉塵降塵率最高可達(dá)78.4%，與原有降塵措施相比，降塵率均有30%左右的提升；轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)料口處，總粉塵降塵率由38.74%提高至78.51%，呼吸粉塵降塵率由34.53%提高至75.58%，有效解決了轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵濃度超限的問(wèn)題。開(kāi)啟回風(fēng)巷全斷面霧幕捕塵網(wǎng)降塵技術(shù)裝備后，捕塵網(wǎng)后方15 m處總粉塵濃度由54.17 mg/m3降低為23.33 mg/m3，降塵率達(dá)到56.90%；呼吸粉塵濃度由14.58 mg/m3降低為9.44 mg/m3，呼吸粉塵降塵率達(dá)到35.24%，有效解決了回風(fēng)巷道粉塵散逸難以沉降的難題。

綜合分析，25212綜采工作面降塵效果對(duì)比原降塵系統(tǒng)，其總粉塵和呼吸粉塵的降塵率均提高40%左右，25212采煤工作面作業(yè)環(huán)境得到顯著改善。

6 結(jié) 論

1)采煤工作面采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)的粉塵濃度最高，且距離采煤機(jī)越遠(yuǎn)，粉塵濃度越低；液壓支架跟機(jī)區(qū)域的粉塵濃度較采煤機(jī)處明顯下降，但行人側(cè)滾筒后方及下風(fēng)側(cè)的粉塵濃度較高；刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)及破碎機(jī)處的粉塵濃度也較高。

2)通過(guò)對(duì)采煤機(jī)內(nèi)噴霧噴嘴、外噴霧噴嘴的結(jié)構(gòu)及布置方式進(jìn)行優(yōu)化，采用新型旋流芯、增大孔徑、提高水壓、優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)等，大幅提高了采煤機(jī)噴霧的霧化效果、射程，改善了采煤機(jī)割煤區(qū)域的控塵效果。

3)通過(guò)研發(fā)設(shè)計(jì)新型AAZ-LNN噴嘴，有效提高了跟機(jī)液壓支架噴霧的有效射程及霧化角；通過(guò)研發(fā)應(yīng)用新型負(fù)壓卷吸除塵器，可以在工作面局部區(qū)域構(gòu)建封閉霧化空間，提高液壓支架跟機(jī)區(qū)域的控塵效果。

4)在運(yùn)輸巷道轉(zhuǎn)載點(diǎn)及破碎區(qū)域研發(fā)應(yīng)用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)降塵裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)載區(qū)域粉塵的有效控制；在回風(fēng)巷道設(shè)置全斷面霧幕捕塵網(wǎng)系統(tǒng)，大幅提高了回風(fēng)巷道的降塵效果。

5)針對(duì)采煤工作面不同區(qū)域粉塵分布特征及降塵需求，提出并應(yīng)用采煤工作面粉塵“分源-分區(qū)-分級(jí)”治理技術(shù)與裝備，工作面總粉塵及呼吸粉塵的降塵率均提高40%以上，有效改善了采煤工作面的作業(yè)環(huán)境。