神角煤业2105工作面粉尘运移规律及降尘参数优化研究

杜玉春

（山西乡宁焦煤集团神角煤业有限公司，山西 临汾 042103）

0 引 言

随着煤炭行业生产规模的扩大和综合机械化程度的提高，采煤工作面空间内的粉尘问题也日益严重，导致井下施工人员的工作环境进一步恶化，严重威胁井下工作人员的身体健康。进行采煤工作面粉尘分布规律和降尘措施的相关研究，对于改善煤矿生产环境，净化工人们的作业环境，减少采煤机械的磨损有着重要的意义。本文以神角煤业2105综采工作面为研究对象，具体的分析工作面煤尘的运移规律，运用遗传算法对架间喷雾降尘的参数进行优化，为提高井下降尘工作的效率提供一种新的方式方法。

1 工程概况

山西乡宁焦煤集团神角煤业有限公司位于乡宁县东北部约33公里处的台头镇神角村境内，矿井核定生产能力90万t/a，井田面积5.8551km2，现主采2#煤层，煤层赋存稳定，属优质主焦煤。矿井采用斜井开拓方式。矿井通风方式为中央并列式，通风方法为机械抽出式，综采工作面采用“U”形通风方式。井下综合防尘水源取自地面容量为300m3、800m3的静压水池各一座，以保证井下防尘、静压供水水量要求；在井下采掘工作面、转载点等处均设喷雾防尘装置，并在集中大巷、采掘两顺槽等巷道设置风流净化水幕；井下现布置一个2105综采工作面和2101运输顺槽、2101回风顺槽两个综掘工作面。本文以2105工作面的回采为工程背景，对综采工作面粉尘的运移规律和降尘技术展开研究。

2 综采面粉尘特性实测研究

2.1 综采面粉尘浓度测定方法及现场测定

通过查阅大量的文献资料[1]，综合考虑现场测定方便、测量速度、测量的准确度及对现场生产的干扰等多方面因素，决定采用滤膜称重法对神角煤业2105综采面粉尘浓度进行测定，粉尘浓度测定仪主要分为直读式和滤膜称重式，考虑仪器长时间使用精度降低等因素，选择AKFC—92A型粉尘采样器，该仪器主要由采样头和机身两部分组成，采样头可以安装两种。滤膜，分别用来测定总尘和全尘。将粉尘采样器放置在需要测定粉尘浓度的区域，采样器机身内的抽风机将空气吸入采样头，采样头内的滤膜将粉尘吸附，通过测定滤膜上粉尘的质量来表征空气中粉尘的浓度。

为准确的测定采煤工作面粉尘的浓度，需要在采煤工作面主要的产尘位置分别布置测尘点，测尘点的布置主要遵循原则：①测点尽量布置在下风侧或者靠近回风巷的采煤机后方；②测尘点不应过度集中，应在主要产尘工序附近均匀布置。通过查阅大量的相关文献，决定采用距离划分法进行综采工作面粉尘浓度测定，测点主要布置在产尘量最大的采煤机割煤下风侧，距离采煤工作面较近时，横向空间内在人行道和溜槽道分别进行测定，距离采煤机较近时测点适当加密，粉尘浓度较稳定的区域测点的密度逐渐减小。测尘点的布置详情如图1所示。由于采煤机顺风割煤和逆风割煤时下风侧粉尘浓度差异性较大，分别在两种情况下进行粉尘浓度测定。

图1 2105采煤工作面粉尘浓度测点布置详情

2.2 2105工作面粉尘浓度实测结果分析

图2 采煤工作面粉尘浓度实测结果

通过对采煤机下风侧粉尘浓度的现场成定，得到图2所示的结果，测点在采煤机上风侧5m处时，空气中的粉尘基本全部来源于进风流，粉尘浓度约为30mg·m-3，采煤机割煤产生大量的粉尘，在采煤机中部和后滚筒处粉尘浓度开始急剧增大，在距离采煤机10～15m的下风侧粉尘浓度达到最大，采煤机后方20m左右的位置，粉尘浓度逐渐趋于稳定，横向空间来说，距离采煤机较近的刮板输送机道处粉尘浓度明显大于人行道；采煤机逆风割煤时前滚筒的粉尘浓度增加较快，总体而言，顺风割煤与逆风割煤的粉尘运移规律类似。

3 2105综采工作面降尘参数优化

3.1 原有降尘措施降尘效果实测分析

根据2105工作面粉尘浓度现场实测结果可知，距离采煤机滚筒割煤处的10～15m为粉尘浓度最高的区域，该处为采煤司机工作的区域，为了改善采煤司机及现场工作人员的工作环境，针对工作面各处工作空间的粉尘浓度，采取适当的改善措施，在2105工作面所有降尘措施开启时，降尘措施主要有：风流净化水幕、采煤机及支架间喷雾等，对2105工作面各处的粉尘浓度进行现场监测，得到图3所示的结果。

图3 防尘措施开启前后粉尘浓度对比

由图3所示的监测结果可以看出，在风流净化水幕、采煤机及支架间喷雾等降尘措施开启后，2105采煤工作面各处的全尘和呼吸性粉尘浓度均大幅度降低，粉尘的降尘效率平均基本达到80%以上，整个工作面内，采煤司机处粉尘浓度最高，降尘措施开启前，呼吸性粉尘浓度为208mg/m3，降尘措施开启后，采煤司机处呼吸性粉尘浓度降低至50.9mg/m3，降尘率达到75.5%，根据国家安监局相关指令[2]，为对工作面采煤机司机处、移架处的粉尘浓度进一步降低，确定将架间喷雾降尘措施的参数为优化对象。

3.2 架间喷雾降尘参数优化

图4 架间喷雾原理示意图

架间喷雾降尘技术通过将一定压力的水由出水孔中喷出，在空气中形成水雾，水和空气中的粉尘结合后形成液态颗粒群，增大粉尘的重量，从而提高粉尘的沉降速度，起到降尘的目的。喷雾降尘主要依靠水雾对空气中粉尘的捕集作用，根据喷头的结构及喷水原理，喷雾降尘器雾化角度和范围如图4所示。

假设架间喷雾降尘器的降尘雾化角为α，雾化范围的长度为l，支架间设置n个喷嘴，喷雾前端的半径为r，喷雾前端面积为A，根据以往的研究成果，当喷雾能够覆盖1/4空间时，降尘效果最佳，降尘喷雾的面积为：

通常架间喷雾系统所有的高压水水为恒压，喷雾液滴的直径为：

其中：Dc为液滴直径，单位：μm；K为实验室比例系数，取 34530；P 为供水压力，单位：kgf/cm2；D 为喷头直径，单位：mm；

供水压力与耗水量间关系为：

水雾内液滴的速度视为喷出速度的0.5倍，则雾滴的速度Um计算公式为：

根据神角煤业2105工作面的实际情况，取工作面风流流速为1.2m/s，将粉尘颗粒的运动速度视为1.2m/s，粉尘颗粒的密度为ρp=600kg/m3，最终可得架间喷雾的降尘效率η计算公式[3～4]：

通过以上分析可知，影响架间喷雾降尘效率的主要因素有喷头个数n、喷嘴直径、喷雾系统供水压力、喷雾头喷雾角度、喷头与产尘点的距离五个因素，由此设计变量Z：

根据式（9）给出的以降尘率最优为目标的优化函数，采用遗传算法对架间喷雾降尘参数进行优化研究，通过Matlab中的GA工具箱进行计算，最终得到各个参数优化前后的值见表1。

表1 架间喷雾降尘参数优化结果

根据表1所示的结果，对2105工作面架间喷雾降尘的参数进行调整，再次进行粉尘浓度现场实测，以落煤处、采煤机司机处和移架处的粉尘浓度为代表，整理后得到表2所示的结果。由表2所示的结果可知，对架间喷雾的参数进行优化后，工作面粉尘浓度再次降低，降尘率最高的点位达到97.16%，获得了良好的降尘效果。

表2 2105工作面粉尘浓度测试结果

4 结论和建议

本文以神角煤业2105综采工作面的回采为工程背景，主要进行关于粉尘运移规律及架间降尘参数的优化研究，主要结论：采煤机逆风和顺风割煤时工作面粉尘运移规律基本一致，在距离滚筒截割部10～15m的下风侧粉尘浓度最大（即采煤机司机处），工作面原有降尘措施开启后，降尘效率在移架处最高，可达80.9%，采用遗传方法对架间喷雾降尘参数优化后，整体降尘率均达到了95%以上，取得了良好的应用效果。