补连塔煤矿7 m大采高工作面粉尘分布规律实测及防治技术研究

崔向飞 薛 娇 边文辉

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东省青岛市，266590)

补连塔煤矿7 m大采高工作面粉尘分布规律实测及防治技术研究

崔向飞 薛 娇 边文辉

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东省青岛市，266590)

为了找到适用于大采高综采工作面的防尘技术手段，以神东补连塔煤矿22306大采高工作面为例，提出了大采高综采工作面除尘技术的设计准则，并以此为基础，对大采高综采工作面防尘技术措施进行了设计改造。通过现场实测的方法对设计改造的防尘技术措施进行了验证，提出的大采高防尘技术设计准则有较强的实用性，设计的防尘技术措施能够有效治理大采高综采工作面的高浓度粉尘。

大采高工作面 防尘技术 粉尘分布规律 除尘系统

AbstractIn order to find dust mitigation method for large mining height fully mechanized work face, taking 22306 work face of Bulianta Mine as example, proposed design standards for dust treatment at large mining height fully mechanized work face, and based on that, improved dust treatment measures. Modified method by in-situ test of dust control technology measures were verified that the design standards for dust treatment at large mining height fully mechanized work face had practicability and the designed dust treatment measures could effectively reduce high-concentrated dust at large mining height fully work face.

Keywordslarge mining height work face, dust treatment technology, dust distribution law, dust removing system

大采高综采是使用与采高相同的综采支架和配套设备开采整层厚度大于或等于3500 mm煤层的方法，具有高产、高效、低耗、劳动强度小和技术经济效益好等优点。但是由于设备的重型化和设备尺寸的增大，导致工作面粉尘产生量增加。根据测定，在没有使用防尘措施的情况下，大采高综采工作面的粉尘浓度高达3000～5000 mg/m3，割煤和移架时的瞬时原始总粉尘浓度超过10000 mg/m3，即便采取多种措施，工作面的粉尘浓度依然远远超过了国家标准，影响安全生产。

补连塔煤矿 22306 工作面是典型的 7 m大采高综采工作面，煤层倾角为1°～3°，煤层平均厚度为7.25 m，设计采高为6.8 m。采用U型负压通风方式。工作面配风量为2405 m3/min，风速为1.21 m/s。通过实测分析其风流分布特征和产尘的浓度分布特征，总结出大采高综采工作面的风流—粉尘分布规律，在此基础上对包括采煤机喷雾、液压支架喷雾及防尘网在内的大采高综采工作面防尘技术措施进行设计改造。

1 大采高综采面采测点确定

在工作面的人行道、中心工作面和煤壁附近处对全断面(横向)的风速和粉尘浓度进行测定分析，上部空间测尘点距离底板1.7 m，下部空间测尘点距离底面1.2 m，测点布置如图1所示。

1-煤壁侧上部空间；2-中心工作面上部空间；3-煤壁侧下部空间；4-中心工作面下部空间；5-人行道上部空间；6-人行道下部空间图1 全断面测点布置情况

1.1 风速测点纵向布置

井下风流的流动过程中，受采煤机及其滚筒、液压支架和护帮板的干扰，风流状态会发生相应的变化，因此，风流测点的选择应当以采煤机为过渡，分别对采煤机所处区域及其上风侧和下风侧区域内的风速进行测定。22306工作面的风流测点布置在采煤机前方(前部滚筒上风侧9 m处)、采煤机前部滚筒、采煤机前壁面、采煤机中部、采煤机后壁面、采煤机后部滚筒(后部滚筒下风侧9 m处)和采煤机下风侧区域。

1.2 粉尘浓度测点纵向布置

考虑粉尘产生源在空间和时间上的扩散以及工人接触粉尘情况，为了全方位把握粉尘浓度的分布情况，在工作面的人行道、中心工作面和煤壁附近处每隔30 m对全断面的粉尘浓度分布情况进行测定。

2 大采高综采面风流分布特性实测分析

按照上述风速测定位置，在22306综采工作面现场测定了风流速度情况，如表1和图2所示。

表1 风流速度分布情况 m/s

图2 风流速度分布情况

由表1和图2可以看出，风流进入工作面后，由于全程受到液压支架以及护帮板等的干扰，使得风流流速分布不均，整体上呈现中间大、四周小的规律；当风流接近采煤机时，风速发生明显变化，由于受到采煤机及滚筒的阻挡，部分风流被分流到其他空间，致使人行道、中心工作面及煤壁上下空间内的风速均有不同程度的提高，风流绕过采煤机后，由于采煤机的阻碍作用减弱，相当于巷道断面有所扩大，使得各区域风速有所减小，总体趋于平稳。

3 大采高综采面粉尘浓度实测分析

按照粉尘浓度的测点布置位置，在22306综采工作面现场测定了粉尘浓度的分布情况，如表2和图3所示。

表2 割煤时粉尘的浓度分布情况(按距进风巷距离) mg/m3

图3 割煤时粉尘的浓度分布情况

由表2和图3可以看出，由于人行道空间小，粉尘自然沉降慢，割煤使人行道空间的粉尘浓度上升约50 mg/m3；中心工作面和煤壁处粉尘浓度受割煤的影响比较大，在其后方产生最大峰值，中心工作面粉尘浓度上升约200 mg/m3，煤壁处粉尘浓度最大值达到了584.8 mg/m3，割煤后方粉尘浓度上升约400 mg/m3。移架对22306综采面粉尘浓度有一定的影响，粉尘浓度上升约200 mg/m3。割煤时切眼下部空间粉尘浓度分布与上部空间相似，只是粉尘浓度沿风流的衰减稍小于上部空间。

4 大采高综采面除尘系统设计原则及应用

4.1 大采高综采面采煤机喷雾负压二次降尘装置设计

大采高综采工作面采煤机滚筒截割产尘量大，是大采高综采工作面的主要产尘源，采煤机机身附近粉尘浓度大，特别对下风侧的影响极大。为了有效控制大采高综采工作面采煤机滚筒处的粉尘，设计应用了采煤机负压二次除尘装置，此装置是在喷雾除尘的基础上，利用喷雾产生的负压将采煤时分布在采煤机周围的高浓度粉尘卷吸到除尘装置的箱体中，实现采煤机机身附近的高效除尘。大采高综采面采煤机喷雾负压二次除尘装置设计原则：

(1)采煤机机身喷雾应选用负压二次降尘装置，此装置主要由喷雾箱体构成。

(2)采煤机负压二次除尘装置的设计安装应以大采高综采工作面的风流和粉尘分布规律和工作面的安装条件为基础，固定在采煤机的背风侧。

(3)喷雾除尘及卷吸作用影响主要区域的风速不应超过工作面入口风速的0.5倍，且应确保形成的雾场覆盖采煤机滚筒。

结合补连塔煤矿22306大采高综采工作面的实际情况，采煤机负压二次喷雾降尘装置设计安装在采煤机两端头电机箱外侧，采用焊接方式安装，设计4 个喷嘴，一字排开，从右往左，喷嘴依次呈向下25°、水平、向上16°、向上 25°。实现对滚筒的包裹。吸尘口为1个，根据现场情况，可使吸尘口朝上或朝下吸尘，具有负压吸尘能力强、喷雾场可覆盖整个滚筒的优点，能够达到控制产尘源，减小下风侧粉尘浓度的效果。采煤机喷雾负压二次降尘装置如图4所示。

图4 采煤机喷雾负压二次降尘装置示意图

4.2 大采高综采面液压支架除尘装置设计

大采高综采工作面移架时会导致人行道空间和中心工作面空间上部均出现粉尘浓度较高区域，此外移架产生的粉尘与采煤机割煤产生的粉尘在采煤机下风侧叠加，导致大采高综采工作面粉尘集中在空间的上部和靠近煤壁侧。抑制移架时粉尘的重要措施是采用液压支架喷雾。大采高综采面液压支架喷雾除尘装置设计原则：

(1)大采高综采工作面采用液压支架架间喷雾应选用负压二次降尘装置，此装置由固定装置、喷雾装置和吸尘除尘装置三部分构成。

(2)液压支架喷雾装置应以大采高综采工作面的风流和粉尘分布规律为设计基础，安装在大采高综采工作面液压支架上，且安装形式和设计应综合考虑选定安装位置的安装条件。

(3)大采高综采工作面负压二次除尘装置作用区域的粉尘浓度应不低于50 mg/m3，风速不超过工作面入口风速的1.1倍。

(4)大采高综采工作面负压二次除尘装置的吸风口可处于有人作业空间，但喷雾所形成的雾场不应覆盖有人作业空间。

根据设计原则，补连塔煤矿22306工作面的液压支架架间喷雾负压二次降尘装置的喷雾装置由供水管和喷嘴组成，喷雾用水进入供水管后由安设在端头的喷嘴喷出，从而在采煤工作面煤壁至液压支架立柱间形成全断面雾场，喷嘴数量为3个，3个喷嘴与水平方向夹角分别为0°、40°和80°。喷雾产生的引射风流将环境中的粉尘带入除尘器侧部的矩形(0.10 m×0.08 m)吸尘口，与除尘器内部的高雾化喷嘴喷出的雾场混合、凝结、沉降。实现大采高工作面的全断面粉尘控制。液压支架架间喷雾负压二次降尘装置布置情况如图5所示。

图5 液压支架架间喷雾负压二次降尘装置布置图

4.3 大采高综采工作面防尘网设计

由于大采高工作面高浓度粉尘持续时间长，影响范围大，仅仅依靠采煤机和液压支架喷雾不能抑制整个工作面空间的粉尘，因此，为了进一步提高大采高综采工作面的喷雾除尘效果，在工作面采用湿式防尘网技术，通过在滤网上产生水膜，增加粉尘与水接触碰撞的机率，从而配合工作面喷雾进行有效的除尘降尘。大采高综采面防尘网设计原则：

(1)应用于大采高综采工作面的湿式卷帘防尘网由卷帘轴、滤网和水幕组成。

(2)用于挡尘帘的喷嘴适宜选择雾化角大、耗水量小的喷嘴，安设方向应与风流方向呈45°的迎风角度。

(3)为了保证强度，应用于大采高工作面的防尘网应安装在液压支架上，卷帘轴采钢管直径不小于5 cm，滤网应选用轻质材料，滤网孔径不大于3 mm。

(4)设计安装应以大采高综采工作面的风流和粉尘分布规律和工作面断面大小为设计基础，安装在液压支架上，且尺寸应与工作面的断面尺寸相配合。

(5)湿式卷帘防尘网的宽度应为液压支柱到采煤机横向最短距离的0.4～0.7倍，高度应确保到地面最短距离大于采煤机机身的高度，但不超过采煤机机身高度1.5倍。

22306综采工作面宽度9.8 m、净高4.8 m，采用的湿式卷帘防尘网的尺寸为7000 mm×4000 mm，卷帘轴采用直径为5 cm钢管制作，由液压马达控制，滤网采用2 mm×2 mm筛网，水幕直接采用液压支架间喷雾，喷头方向调整为与风流方向呈45°的迎风角，防尘网底部与地面距离约为1 m。

考虑大采高综采工作面粉尘浓度分布情况和现场通风效果，在22306综采工作面安设3个湿式防尘网，分别在56#、96#、和146#液压支架上进行架设。大采高综采工作面湿式防尘网安设位置如图6所示。

图6 大采高综采工作面湿式防尘网安设位置图

5 大采高综采工作面防尘效果分析

为检验大采高综采工作面新型高效喷雾降尘装置的降尘效果，在补连塔煤矿22306大采高综采工作面司机处、移架、多工序、前部溜头、破碎机、转载机及回风巷处分别测定采用大采高防尘方法前后的粉尘浓度情况，通过对比分析，验证降尘效果。防尘技术措施应用前后粉尘浓度测定结果如表3所示。

表3 防尘技术措施应用前后粉尘浓度测定结果 mg/m3

由表3可以看出，司机处粉尘浓度由207 mg/m3下降到26.7 mg/m3，降尘率为87.1%；移架粉尘浓度由586 mg/m3下降到61.0 mg/m3，降尘率为89.6%；多工序粉尘浓度由221 mg/m3下降到24.8 mg/m3，降尘率为88.8%；前部溜头粉尘浓度由147 mg/m3下降到14.6 mg/m3，降尘率为90.1%；破碎机处粉尘浓度由117 mg/m3下降到15.4 mg/m3，降尘率为86.9%；转载处粉尘浓度由123 mg/m3下降到15.7 mg/m3，降尘率为87.3%；回风巷粉尘浓度由87 mg/m3下降到8.9 mg/m3，降尘率为89.7%；采煤面全尘的平均降尘率达88.5%，呼吸性粉尘的平均降尘率达89.6%。

6 结论

以神东补连塔煤矿22306大采高工作面为例，实测分析了风流、粉尘浓度分布情况，总结出了大采高综采工作面的风流—粉尘分布规律，以大采高工作面的实际工作环境为基础，提出了以喷雾除尘为主要手段的大采高综采工作面除尘技术设计准则，对包括采煤机喷雾、液压支架喷雾及防尘网在内的大采高综采工作面防尘技术措施进行了设计改造。并通过现场实测的方法对所设计改造的防尘技术措施进行了验证，工作面各生产工序全尘和呼吸性粉尘平均降尘率达到88.5%和89.6%，工作面环境和安全程度得到了改善。

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(责任编辑 张艳华)

Studyondustdistributionmeasurementandcontroltechnologyof7-meterlargeminingheightworkfaceatBuliantaMine

Cui Xiangfei, Xue Jiao, Bian Wenhui

(State Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science & Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

TD714.4

A

国家自然科学基金重点项目(U12612022)

崔向飞，薛娇，边文辉. 补连塔煤矿7 m大采高工作面粉尘分布规律实测及防治技术研究[J].中国煤炭，2017,43(9)：116-120. Cui Xiangfei , Xue Jiao, Bian Wenhui. Study on dust distribution measurement and control technology of 7-meter large mining height work face at Bulianta Mine [J]. China Coal, 2017，43(9):116-120.

崔向飞(1987)，男，山东东营人，硕士，助教，主要从事矿井粉尘防治研究。