陳 芳

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

粉塵是我國煤礦五大災害之一，不僅會引起煤塵爆炸事故，還會使長期從事煤礦行業(yè)的工人患塵肺病、矽肺病等職業(yè)病[1]。近年來，隨著煤礦設備開采能力的不斷提升，礦井高產、集約化生產的發(fā)展模式，導致采場空間粉塵污染越來越突出[2-5]，井下工作面的粉塵產量也越來越大，已經成為現代化礦井健康開采的主要問題。綜放工作面作業(yè)產生的粉塵主要來自于采煤機割煤作業(yè)、放煤作業(yè)和移架作業(yè)過程中[6-8]，是煤礦產塵量最大的作業(yè)場所，其產塵量約占礦井產塵量的60%[9-12]，其粉塵濃度可以達到2500～3000mg/m3，大大超過新版《煤礦安全規(guī)程》中總粉塵濃度4mg/m3的管理標準。因此，要想采取針對性有效的粉塵防治措施，降低井下綜放工作面的粉塵濃度，取得較好的防塵效果，首先要對工作面產塵特性及分布規(guī)律有所了解，才能針對性采取治理措施。

綜采工作面技術與裝備正在經歷從單一化、多元化、自動化、智能化發(fā)展的階段[13-16]。綜合防塵技術及裝置也正在向多元集成智能化方向邁進，本文在掌握綜放面產塵規(guī)律基礎上，提出了以塵源跟蹤為依托的多個防塵子系統(tǒng)集成的智能聯控噴霧降塵系統(tǒng)對工作面粉塵進行治理，對于改善作業(yè)地點的工作環(huán)境、保障煤礦的安全生產和煤礦工人的身體健康及粉塵治理技術發(fā)展具有重要的現實意義。

1 工作面概況

經取樣測試，王家?guī)X煤礦20106綜放工作面所開采的2#煤層屬于低滲透、難濕潤、極干燥易破碎、絕對憎水性煤層。采用落錘法利用MC-1型煤巖產塵實驗裝置測試煤的產塵能力，即煤在單位能量作用下產生的細微粉塵含量，一般煤產生的細微粉塵含量與破碎能量成正比。通過測試可知：該煤層產塵能力較高，生產過程中會產生大量粉塵。測試結果見表1。

表1 2#煤層理化性質

20106綜放工作面長度269m，采高為3.1m，放煤高度3.6m，日進尺6m。工作面采用U型通風，供風量為1350m3/min，實測采煤工作面平均風速能達到1.5m/s以上，在采煤機附近的局部風速可以達到3.0m/s以上。工作面選用MGTY-650/1605-WD型采煤機和ZFY10000/23/34型放頂煤液壓支架。為保證采煤工作面防塵供水需要，選用BPW315/16單列式柱塞泵3臺(兩用一備，其中一臺供內噴霧，一臺供外噴霧)和BPW516/16單列式柱塞泵2臺(一用一備)保障防塵用水壓力。

通過現場調研，采煤機內噴霧由于堵塞基本無法正常工作，僅在采煤機面上布置有朝向滾筒的噴霧裝置，每個噴霧裝置配備三個噴嘴，噴霧壓力約為2～4MPa，上風側噴霧有效射程很難到達采煤機滾筒位置，降塵效果較差，而針對降柱移架及放頂煤等塵源基本沒有相應的治理措施，粉塵污染極其嚴重。在工作面回風巷距離端頭30m處布置有2道網狀擋塵簾，擋塵簾上方布置有手動噴霧，開啟與否受人為因素較大。

2 塵源點及產塵特性

綜放工作面是機械化礦井連續(xù)產塵強度較大的作業(yè)場所，各項工序都會產生大量的粉塵。整個工作面包括進風巷的產塵工序主要包括進風巷輸送帶、一部機尾轉載、破碎機、前后部刮板運輸機轉載、采煤機割煤、降柱移架。通過現場調研發(fā)現：

1)逆風割煤垮落產塵量較大。其原因主要是由于采煤機逆風割煤時，前滾筒處于上風側割頂煤，垮落產塵嚴重；同時，位于采煤機前方陸續(xù)收回支架前探梁及護幫板，收回的過程中，摩擦產生的碎煤和部分頂煤垮落產塵，產塵量極大且具有陣發(fā)性；其次，當前滾筒割頂煤時，頂煤及前方煤壁受煤機擠壓破碎，大量煤塊垮落并沖擊到刮板機中部槽中，瞬間產生大量的沖擊煤塵。

2)司機位置處粉塵濃度較高。其原因主要是由于收前探梁和采煤機前滾筒割頂煤時，大量的煤塊垮落下來，產生的落煤揚塵和沖擊煤塵，上述兩部分煤塵在高速風流作用下迅速擴散，并向下風運動，含塵氣流就受到截割電機、搖臂及電纜槽阻擋；含塵氣流一部分通過采煤機搖臂后的通道靠煤壁一側運動，第二部分是翻過截割電機通過采煤機機面向下風流運動，第三個部分則是翻過電纜槽進入人行道，通過司機作業(yè)區(qū)域向下風運動，到達司機位置處，如圖1所示。

圖1 逆風割煤粉塵運動方向示意圖

3)順風割煤粉塵擴散較小。順風割煤時，采煤機前滾筒割頂煤，由于采煤機下風側無直接阻擋，破碎垮落產生的粉塵隨風流沿煤壁向下風側運動，只有部分擴散到人行道空間，使得作業(yè)人員出粉塵濃度較小。順風割煤含塵氣流運動方向如圖2所示。

圖2 順風割煤粉塵運動方向示意圖

4)降柱移架產塵嚴重。降柱移架作業(yè)下風側粉塵突發(fā)增加，主要是由于在移架過程中支架頂梁與頂煤發(fā)生摩擦，產生大量細微顆粒，并從支架兩側縫隙掉落，受風流擴散影響，迅速彌漫至整個作業(yè)空間。

通過觀察，現場粉塵污染嚴重，急需進行有效治理。為能精準治理工作面粉塵，必須針對整個工作面粉塵濃度進行測試，得到分布規(guī)律，為建立和優(yōu)化治理措施提供基礎支撐。

3 工作面粉塵濃度分布規(guī)律

通過采用CCZ20型粉塵濃度采樣器按照風流流動方向依次連續(xù)測試進風巷、回采空間、回風巷等地點粉塵濃度，得到整個工作面粉塵濃度分布規(guī)律。

3.1 進風巷粉塵濃度分布

沿著風流方向從巷口至工作面端頭，每間隔200m測試一組數據，得到進風巷內粉塵濃度分布如圖3所示。

圖3 進風巷粉塵濃度分布

通過測試可知：進風巷生產期間粉塵濃度呈增大趨勢，在進風巷入口，總粉塵濃度為8.4mg/m3，呼吸性粉塵濃度為1.3mg/m3，沿著風流方向總粉塵濃度不斷地升高，到達一部機尾轉載點時，總粉塵濃度為20.7mg/m3，呼吸性粉塵濃度為16.6mg/m3，粉塵來源主要為皮帶運輸震動產塵以及因風流運動造成的揚塵。

3.2 回采空間粉塵濃度分布

工作面的主要塵源點有采煤機割煤、放頂煤以及降柱移架環(huán)節(jié)，在采煤機附近，每間隔5m測試一組粉塵濃度，得到采煤機順逆風割煤時沿風流方向的粉塵濃度分布。

3.2.1 逆風割煤期間

簫聲流淌，四小姐進入樂音營造的世界。她仿佛看見，一只哀鴻在寒潭照影，在青霄孤鳴，心中突如其來涌上陣陣感動，再看面前的臘梅，仿佛也跟著顫動。

采煤機逆風割煤時工作面粉塵濃度分布如圖4所示。經測試可知：采煤機逆風割頂煤時，上風側滾筒割頂煤，下風側滾筒割底煤，風流經過采煤機前滾筒總粉塵濃度達到2312mg/m3，采煤機司機位置處總粉塵濃度為1125mg/m3，后滾筒處總粉塵濃度為827mg/m3，經過降柱移架塵源疊加作用后總粉塵濃度增加至1034mg/m3，其中采煤機前滾筒處粉塵濃度最高，整體呈現粉塵濃度隨風流方向，先迅速增加、再逐漸減小、采煤機機尾10m至20m位置小幅增加、隨后逐漸減小的趨勢。

圖4 逆風割煤粉塵濃度分布

3.2.2 順風割煤期間

采煤機順風割煤時工作面粉塵濃度分布如圖5所示。

圖5 順風割煤粉塵濃度分布

從圖5可知：采煤機順風割煤時，風流依次經過放頂煤、采煤機后滾筒、前滾筒等塵源點，經過放頂煤位置后總粉塵濃度達到847mg/m3，采煤機后滾筒、司機處及前滾筒處總粉塵濃度分別達到465mg/m3、513mg/m3、665mg/m3，總體產塵量相對逆風割煤時有所減小，呼吸性粉塵濃度與總粉塵濃度變化趨勢相似，都呈現先增大后減小再增大的趨勢。

3.3 回風巷粉塵分布

工作面回風巷道并無塵源點，粉塵主要來源于工作面生產作業(yè)，回風巷內粉塵濃度變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 回風巷粉塵濃度分布

從圖6可知：工作面回風巷粉塵濃度沿風流方向總體呈現下降趨勢，距離工作端頭越遠粉塵濃度越小，其中總粉塵沉降速率大于呼吸性粉塵。在回風巷回風端頭總粉塵濃度為246mg/m3，而200～400m范圍內，粉塵沉降速率減緩，呼吸性粉塵濃度所占比例逐漸增大；在400m之后，粉塵濃度基本穩(wěn)定并緩慢降低。

4 粉塵治理技術

針對進風巷、工作面、回風巷粉塵產塵特點及分布規(guī)律，20106綜放工作面采用綜放面智能聯控高效噴霧降塵技術進行綜合治理。該技術首先利用風流凈化系統(tǒng)對進風巷風流進行凈化處理，避免進風巷粉塵進入工作面；其次，對采煤機、支架等重點產塵區(qū)域，利用智能跟蹤噴霧技術，在采煤機上下滾筒塵源處，及時濕潤垮落煤體，實現就地滅塵，最大限度防止粉塵飛揚；結合采煤機控塵技術，控制和引導浮游粉塵或含塵風流靠煤壁一側運動，在煤壁側實現集中降塵，避免其向人行道擴散進而危害作業(yè)人員；通過合理設計支架架間噴霧布置方式及噴霧參數實現快速濕潤降柱移架及放頂煤過程中產生的破碎煤體，從源頭上減少粉塵的產生量；最后通過回風巷集中噴霧及捕塵作用，凈化工作面未處理粉塵，從而實現解決整個工作面的粉塵問題，并最終形成了一套適用于類似工作面的智能聯控噴霧降塵系統(tǒng)。該系統(tǒng)按不同塵源點的治理途徑可以分為進風巷防塵、采煤機割煤防塵、放頂煤防塵、降柱移架防塵及回風巷防塵等5個子系統(tǒng)組成。

4.1 進風巷防塵子系統(tǒng)

圖7 進風巷防塵子系統(tǒng)安裝布置示意圖

4.2 采煤機割煤防塵子系統(tǒng)

主要由布置于支架頂部的采煤機塵源跟蹤噴霧裝置，以及布置于采煤機機身上風側方向機面外緣處、距采煤機上風滾筒行走部約1m位置的懸臂式含塵氣流控降塵噴霧裝置、懸掛于含塵氣流噴霧控降塵裝置下方的長度4m、寬度1m的控塵簾、布置于采煤機機面的2道噴霧控降塵裝置，以及布置于采煤機下風側滾筒搖臂根部位置的負壓二次噴霧控降塵裝置等組成。其中布置于支架頂梁的所有塵源跟蹤噴霧裝置采用一套高壓泵站供水，供水壓力約8～10MPa，噴霧流量為180L/min，通過自動定位采煤機位置實現順次開啟和關閉；布置于采煤機機身上的所有噴霧采用另外一套高壓泵站供水，供水壓力5～6MPa，噴霧流量為160L/min，通過手動控制實現噴霧的開啟和關閉。采煤機控降塵防塵子系統(tǒng)布置方式如圖8所示。

圖8 采煤機防塵子系統(tǒng)安裝布置示意圖

4.3 放頂煤防塵子系統(tǒng)

主要由布置于支架尾梁放煤口處的噴霧裝置、控制閥及高壓管路組成，與采煤機防塵子系統(tǒng)中布置于支架頂部的高效抑塵噴霧相同，采用同一套高壓泵站供水，垂直于后部運輸機中部槽向下噴霧，同時開啟相鄰支架噴霧，供水壓力約8～10MPa，噴霧流量為75L/min，通過定位采煤機實現順次開啟和關閉，安裝布置如圖9所示

圖9 放頂煤防塵子系統(tǒng)安裝布置示意圖

4.4 降柱移架防塵子系統(tǒng)

主要由布置于支架兩側的側護板噴霧、支架斷面噴霧、控制閥及高壓管路等組成，與采煤機防塵子系統(tǒng)中布置于支架頂梁的噴霧共用一套高壓泵站供水，供水壓力約8～10MPa，噴霧流量為80L/min，通過感知降柱移架液缸壓力變化，實現自動順次開啟和關閉，如圖10所示。

圖10 降柱移架防塵子系統(tǒng)安裝布置示意圖

4.5 回風巷防塵子系統(tǒng)

主要由布置于巷道頂部的斷面噴霧及布置于距回風巷端頭30～50m的兩道捕塵網及管路等組成，采用靜壓供水，定時自動控制開啟和關閉，供水壓力約2～3MPa，斷面噴霧布置方式與進風巷定時噴霧相同。

按照上述各子系統(tǒng)技術參數在20106綜放工作面進行調試應用后，測試逆風割煤條件下系統(tǒng)使用前后工作面各點粉塵濃度，綜合降塵效果見表2。

采煤工作面智能聯控高效噴霧降塵系統(tǒng)使用以后，逆風割煤時各塵源點處的粉塵濃度均有大幅的降低，采煤機逆風割煤時司機處的總塵及呼吸性粉塵濃度可分別控制在52.6mg/m3和27.4mg/m3，降柱移架司機處的總塵及呼吸性粉塵濃度可分別控制在50.8mg/m3和22.3mg/m3以內，工作面采煤機附近綜合降塵效率達到90%以上，進回 兩巷粉塵濃度控制在20mg/m3左右，效果顯著，可有效緩解綜放面粉塵污染問題。

表2 綜合降塵效果(逆風割煤)

注：各類噴霧均正常使用。

5 結 論

1)工作面進風巷粉塵濃度隨風流方向一直呈增加趨勢，回風巷內粉塵濃度呈減小趨勢，進回風兩巷粉塵濃度距離工作面端頭越近粉塵濃度越大，但回風巷呼吸性粉塵的含量隨著距離的增加而增大。

2)在工作面割煤空間采煤機附近，沿風流前進方向，粉塵濃度呈現先迅速增加、再逐漸減小、采煤機機尾10m至20m位置小幅增加、隨后逐漸減小的變化趨勢；采煤機逆風割煤時，其中司機位置處總粉塵濃度達到1125mg/m3，呼吸性粉塵濃度為778mg/m3；采煤機順風割煤時，滾筒及采煤機司機處粉塵濃度相對較小，其中司機位置處總粉塵513mg/m3、呼吸性粉塵濃度為232mg/m3。

3)經采用智能聯控高效噴霧降塵系統(tǒng)進行粉塵綜合治理后，逆風割煤時各塵源點處的粉塵濃度均有大幅的降低，采煤機逆風割煤時司機處的總塵及呼吸性粉塵濃度可分別控制在52.6mg/m3和27.4mg/m3，降柱移架司機處的總塵及呼吸性粉塵濃度可分別控制在50.8mg/m3和22.3mg/m3以內，工作面采煤機附近綜合降塵效率達到90%以上，進回兩巷粉塵濃度控制在20mg/m3左右，效果顯著，可有效緩解綜放面粉塵污染問題。