综掘工作面分段控风控尘技术研究

苏永兵

(山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

目前，综掘工作面的粉尘防治措施主要有掘进机内外喷雾、气幕控尘、湿式除尘、转载点喷雾和巷道风流净化水幕等。在实践应用过程中存在着不利的因素，主要表现为：（1）综掘工作面采用主动压风、被动出风的通风模式，在综掘工作面采用喷雾降尘，会使得工作面气流变为气雾状，不利于工作人员的作业，会带来相应的安全隐患；（2）没有对综掘工作面的风流进行相应的控制，降尘效果不理想。本文以新景矿15028综掘工作面为研究对象，对其采用分段风控尘技术进行了研究和实践应用，降尘效果明显。

1 工作面概况

新景矿15028回风巷沿2#煤层底板掘进，煤层沿巷道倾角2～4°，2#煤属于干燥易碎（原始水分含量0.85%，坚固性系数f=0.46）、难湿润煤层，工作面采用EBZ-220悬臂式掘进机截割落煤，选择Φ1000mm双反边软质风筒供风，同时配备了KCS-500型湿式除尘器，处理风量450～550m3/min，实测吸风量为480m3/min，箱体固定在综掘机二运拖拉尾，随综掘机向前移动。

15028工作面所开掘的巷道具有断面大（S=5.2×3.6m=18.72m2）、供风量大（500～550m3/min）、出口风速高（8～10 m/s，风流压头大，对迎头流场扰动大）、割煤强度大（日进尺15～20m）、煤体破碎严重、产尘量大等特点，导致产尘强度高，治理难度大，防尘系统工艺要求高，因此急需针对综掘面粉尘治理难题进行系统研究，尤其是针对高产尘综掘工作面通风控尘技术进行研究。

2 分段控风控尘系统参数确定

为了控制15028回风巷掘进工作面粉尘向回风侧扩散，综掘工作面配备了分段控风控尘系统，系统主要由附壁风筒、调风阀门、整流风筒等组成，系统组成如图1所示。工作面正常工作时，新鲜风流向前方煤壁移动，割煤产尘与新鲜风流混合后在煤壁阻挡作用下向后移动，工作面前部区域存在新鲜风流与含尘气流相互作用面，该作用面是控制粉尘向外扩散的临界面，通过调节轴向出风口和径向出风口与工作面煤壁之间的距离，控制控尘面的位置，保证司机位置处于新鲜分流中，使得控尘区域保持在司机前方，同时控尘面位于吸尘罩罩口后方，提高效果。

图1 控风控尘系统组成示意图

2.1 轴向出风与迎头距离确定

根据工作面配风量与除尘器抽风量关系，即在工作面前部控尘区域内，单位时间内除尘器未抽出的风量将和割煤产生的粉尘无序扩散，形成高浓度粉尘存储区域。工作面正常生产时，割煤属于间歇性的，从左帮割到右帮时，掘进机会短暂停顿，待除尘器将控尘区域大部粉尘抽走后，再继续割煤。因此，在割煤期间，通过建立数学模型，计算轴向出风口距离工作面煤壁最佳距离为轴向出风口距离迎头8～10 m时为最佳。

2.2 径向出风与迎头距离确定

为了研究出风口有效射程，国内外学者研究了射流场流动规律，给出了自由射流和受限射流的计算公式，射流出风口到射流风速降为零处，此过程之间的距离为射程，射流射程计算公式为：

根据现场条件，式中：

Fn-巷道断面面积，18.72 m2；

θ-取11°。

经过计算得到径向出风口有效射程为s=18.36m，考虑到控尘面的位置，新鲜风流应位于司机前部、吸尘罩口后部，取径向出风口距离迎头20m比较合理。

3 控风控尘效果分析

在现场开展了试验测试分析，以验证轴径向出风口参数的有效性。经过现场测定，在不使用任何降尘措施时，综掘面司机位置原始粉尘浓度为2744mg/m3，在通风除尘系统未经改进优化前，15028回风巷掘进面司机位置总粉尘浓度平均1224.8 mg/m3，综掘机机尾一运转载点总粉尘浓度平均为489.7mg/m3，机尾二运转载点总粉尘浓度平均为253.2mg/m3。为了得到附壁风筒最佳安装位置，以轴向出风口距离迎头15m、20m和25m三种条件下控尘效果进行现场试验，并且通过连续测试掘进面司机位置粉尘浓度，以此确定附壁风筒距离迎头最佳配套参数。通过现场试验可知：当附壁风筒位于二运转载点后部时，二运转载点距离附壁风筒较近，此处风速较大，转载点两侧有大量粉尘被风流带入到工作面，因此附壁风筒最佳位置应为距离迎头20m处，且靠近二运转载点，在二运转载点前5m位置为最佳。

通风除尘系统改进优化后，与未优化前相比，司机位置粉尘浓度从1224.8mg/m3下降到225.3mg/m3，粉尘浓度下降了81.6%，总降尘效率为91.8%；一运转载点粉尘浓度从489.7mg/m3下降到146.8mg/m3，粉尘浓度下降了70.1%，总降尘效率为84.0%；二运转载点粉尘浓度从253.2mg/m3下降到99.0mg/m3，粉尘浓度下降了60.9%，总降尘效率为86.5%。15028回风巷综掘工作面通风除尘效果有明显改观，工作面粉尘浓度有大幅下降。分段控风控尘系统轴径向出风口与工作面煤壁距离优化前后控降尘对比效果如图2所示。

图2 优化前后粉尘浓度对比

总之，通过采取对原通风除尘系统分段出风参数优化后，通风除尘系统的控降尘效果提升了80%左右，能够有效降低掘进面粉尘浓度。该系统在最佳匹配参数下司机位置的平均粉尘浓度可降到225.3mg/m3，并且割煤大部分时间内粉尘浓度稳定在200mg/m3左右，降尘效率可达91.8%，高浓度粉尘控制在工作面前部2m范围内，作业环境得到明显改善。现场采样测试分析可知：工作面通风除尘系统位于最佳匹配参数时（供风风筒轴向出风口距离迎头8～10 m，附壁风筒距离工作面迎头20 m），控风控尘效果最佳。

4 结语

根据新景矿15028综掘工作面煤层条件及产尘特点，建立了粉尘存储模型，得到了分段控风控尘系统轴向出风口与工作面煤壁最佳距离关系，并根据现场实际条件计算得到了轴向出风口距离迎头最佳距离为8～10m。通过计算附壁风筒出风口风流有效射程，确定了径向出风口与迎头最佳距离为20m。通过现场测试，工作面正常割煤时，分段控风控尘系统参数优化后，控降尘效率可提升80%左右，总粉尘降尘效率可达91.8%，高浓度粉尘控制在工作面前部2m范围内，作业环境得到明显改善。