煤矿综掘工作面追踪捕尘原理分析及系统工艺研究

杜 兵

（潞安集团漳村煤矿， 山西 长治 046032）

引言

目前，相关研究人员对防治综掘工作面粉尘进行了大量的研究。有的学者认为，可以借助增压水泵的方式对综掘面实施喷雾，这样能够起到防尘的效果。有的学者通过分析综掘工作面生产条件以及相应的工艺制定出高效泡沫降尘技术，与此同时设计出泡沫除尘系统各部件，这样可以通过如下方法实现防尘与降尘的效果，诸如煤体注水、除尘风机以及相应的高压添加剂喷雾降尘等。此外还提出使用风幕集尘的综掘工作面降尘方法，首先通过相应的实验与数模仿真，从而设计了相应的设备等。当前矿井综掘工作面往往使用如下方式实现防尘：通风除尘、干式除尘、喷雾除尘、化学抑尘等。虽在理论与实践方面已经取得了较大的进步，可是在应用效果方面并不理想。其主要表现在以下几个方面：一是，投入的成本较大，给矿业公司带来不必要的经济负担，因此出现排斥附加除尘装置的现象。二是，采用机械防尘一般系统相对繁琐，设备的尺寸较大占用空间，以及安装相对繁琐。三是，吸尘点与产尘位置之间距离相对较远，效果不佳。鉴于此，通过研究已经推行的设备，提出一种追踪捕尘理论构想，与此同时研究相应的系统工艺，以期能够实现综掘工作面除尘的目的[1-2]。

1 综掘工作面产尘规律及尘源特性

在综掘开展作业的过程中，通常情况下，当掘进机截割头与煤岩在接触瞬间，往往在接触位置出现较大的应力，不仅使得煤层破碎，而且可以产生一定量的灰尘。在此状态下，往往能够使得煤粉核形成密实形式，但是由于截齿的深入，将会打破此状态，形成大量的煤粉，并沿着工作面传播。通常粉尘传播形式主要有如下两种运动分为水平运动、重力沉降。当下处于水平状态时，粉尘往往受到一种来自于气流的拖拽力，速度往往从零急剧增加到气流速度，与此同时颗粒度大小和气流速度正相关。当处于垂直传播状态时，粉尘颗粒越大，相应的下沉速度越快。

通常，综掘工作面尘源往往来源于如下几种：第一，截割头与煤壁的工序；第二，截齿破煤导致的煤块错位；第三，巷道其他地点随压风进入作业面的粉尘。

尘源特征主要是通过扩散进行传播，当处于通风的环境中，通常粉尘往往受到内外因子的影响。其中，外部因子主要由如下几点构成：作业地点温湿度、风速等，湿度与气流速度越大，那么相应的粉尘传播越快。表1 表示当处于20 ℃时，相应的综掘工作面粒度尘源对应的扩散系数。

表1 各种不同粒度尘源的大致扩散系数情况表

2 尘源追踪捕尘原理

经过上述分析发现，假如能够实现较好地防尘效果，必须在粉尘形成前后以及扩散之前，开始对粉尘源进行收集以及相应的捕获。

2.1 集尘

对于综掘工作面的尘源，必须控制相应的扩散，效果相对理想的方法是风集尘，通常可以通过分风装置调节轴、径向风流，这样能够将使得工作环境中的方向以及供风量发生变化，最终可以使得掘进工作面位置的粉尘向综掘机司机前方空间扩散，见下页图1。

2.2 捕尘

能够及时准确的捕获如下三部分产生的粉尘：第一，截割头；第二，装载盘；第三，掘进机转载点。其相应的工艺流程：在掘进机机尾位置设置除尘风机，与此同时设置抽出式骨架风筒，并且需要在截割头、装载盘两翼上方、转载点位置设置相应的风筒，这样可以在吸尘口位置实现追踪尘源的目的。

此捕尘系统优势为仅仅设置了除尘的功能，这样能够极大地简化设备。能够减少吸尘点到产尘源之间的长度，较好地减小了负压损失，从而优化捕尘能力，见图2。

图1 分风集尘原理

图2 追踪捕尘原理

2.3 除尘

矿用振弦式除尘风机通常必须具备如下几个方面的特点：第一，满足风量要求；第二，除尘能力强；第三，重量轻；第四，性能稳定；第五，移动方便等。此装置不仅可以实现喷雾，而且能够实现振弦捕尘的效果。当含尘空气进入风机之后，经过振弦过滤板以及对应的供水喷雾系统共同处理之后，粉尘通过污水口排出，经过处理的空气进入巷道，见图3。

3 追踪捕尘系统

追踪捕尘系统对应的流程为：首先通过分风装置实现如下处理：调节轴向、径向风流，实现集尘。接着，在抽出式骨架分风筒吸尘口位置，应用振弦式除尘风机净化空气。图4 表示相应的捕尘工艺。

假如掘进机处于工作状态时，上气电磁阀控制压入风流，这样可以有效地改变轴向以及对应的径向。轴向风流主要通过压入风筒出口，接着随着顶板移动到工作面前端，当能够实现综掘作业稀释瓦斯的条件下，尽可能减少风速，这样能够保证工作面尘源的风流扰动，最终能够达到追踪捕尘的效果。径向风流由分风装置径向出风口，并使用合适的出风角度，借助抽出式骨架风筒吸风口负压，这样能够有效地防止粉尘向掘进巷道后方扩散，从而能够帮助捕尘系统收尘。对于轴向风流而言，其最终都需要经过振弦式除尘风机后进入掘进巷道后方，最终可以将风流中包含的粉尘消除。假如掘进机处于停止状态时，相应的尘源追踪捕尘系统地工作时间设定为1 min 后停止，与此同时关闭分风装置径向出风口，回归正常通风方式。

图3 振弦式除尘原理

图4 追踪捕尘工艺

4 结论

1）矿井综掘过程中出现的粉尘，其在扩散的过程中主要受到如工作地点温湿度、风速、粉尘密度等因素的影响。最佳的防尘在于粉尘形成后以及相应的扩散前完成对其捕获。

2）追踪捕尘系统最重要的位置为实时追踪产尘源，能够实现产尘、集尘、捕尘以及相应的除尘效果。

3）通过在潞安集团某煤矿现场优化调整，达到了理想的除尘效果，轴向、径向出风口除尘率可以达到94.8%、97.8%，由此可以看出除尘效果比较理想。这样不仅可以优化煤矿采矿工况环境，而且能够保护矿井下工作人员的生命健康。