晶鑫煤业3218 综采工作面粉尘防治技术研究与应用

王晋波

（山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司，山西 晋城 048100）

1 工程概况

山西阳城阳泰集团晶鑫煤业3218 工作面井下位于井田西南部，北面为工作面煤体，南面为矿界保安煤柱，东面为3216 工作面，西面为3220 工作面，工作面倾斜长度为131m，走向长度749m，开采3# 煤层平均厚度为5.65m，煤层结构简单，一般含0～2 层矸石，矸石厚0.07～0.55m，矸石为粉砂质泥岩或泥岩矸石，呈细条带状结构。煤层直接顶为平均厚度8.02m 细砂岩，基本顶为平均厚度为27.81m的粗砂岩，直接底为泥岩，直接底平均厚度2.36m。工作面采用综采放顶煤采煤方法，采煤机割煤高度为2.20m，放顶煤高度为3.45m，采放比为1:1.57，工作面巷道采用一进一回“U”型通风系统。

根据矿井地质资料可知，3# 煤层为低灰～中灰、特低硫、特高热值无烟煤，煤层无煤尘爆炸性，但由于工作面采用综放开采，工作面回采过程中会产生大量的粉尘，现为降低回采期间的粉尘，优化回采作业环境，特进行粉尘防治技术分析。

2 喷雾洒水防尘机理

采煤工作面的粉尘主要来源于采煤机割煤作业时，采煤机的持续割煤作业在工作面区域形成了移动的粉尘产生源头，故为若要控制工作面内的粉尘含量，需对采煤机割煤作业时的粉尘进行有效防止。工作面回采过程中的产生的粉尘，一般其粒径均在0.3μm 以下，在风流作用下粉尘会很容易被带走，被风流吹起的粉尘呈布朗运动，由于粉尘自身的质量和粒径均较小，故其具有很强的扩散能力，但粉尘在风流运动中会很容易与其他的物体相碰撞而沉降，粉尘惯性碰撞原理如图 1（a）所示，图中（b）为质量为 m 的粒子偏离流线后与液滴发生碰撞的最远轨迹。若含尘气流中存在着一液滴，气流线会在也低的位置处发生偏移，气流中的粉尘由于密度较大，其在运动惯性的作用下便会朝着液滴（捕集体）方面移动，粉尘中所有质量不小于m 颗粒均会与液滴之间发生碰撞而被液滴捕捉[1-2]，具体液滴捕尘机理如图1 所示。

图1 粉尘惯性碰撞和液滴捕尘机理示意图

回采工作面喷雾洒水技术是通过洒水将粉尘与水雾颗粒间出现凝结而发生沉降，因此水雾喷洒的除尘效果主要取决于粉尘颗粒与水雾颗粒间的凝结效率。当仅采用移动速度恒定、不带电的水雾颗粒进行捕尘时，其对直径>10μm 的粉尘具有较高的捕尘效率，但其对颗粒为直径<10μm 的粉尘捕尘效率较低，即对呼吸性粉尘的降尘效率较低；当采用带电的水雾颗粒进行降尘时，由于静电对尘粒静电的吸引，能够使得水雾颗粒的集尘效率得到有效的改善。

根据相关研究表明[3- 4]，通过提高单颗粒水雾的带电量能够显著的提高其捕尘效率，水雾电荷比与注水压力之间的关系曲线如图2 所示，从图2 中能够看出，在喷雾水压力在10MPa 的范围内，电荷数会随着喷雾水压力的增大而逐渐增大，基于此可知采用提高喷雾水压力的方式能够提高水雾电荷比，进而提高喷雾洒水的降尘效率。

基于上述分析，结合3218 工作面特征，确定工作面采用高压喷雾洒水系统进行防尘，设置喷雾水压力为 6～7MPa。

3 防尘方案与效果

3.1 喷雾除尘系统

本次3218 工作面喷雾除尘系统主要包括滚筒采煤机机身喷雾除尘系统、滚筒喷雾除尘系统和液压支架喷雾除尘系统。具体各个系统的参数如下：

1）采煤机身喷雾除尘系统。

采煤机喷雾系统的主要作用为在割煤作业前，通过喷雾洒水对煤壁进行预先湿润，以此在粉尘的源头位置对粉尘的产生进行抑制，3218 工作面采煤机身的处安设高压电介雾化喷嘴，设置喷雾压力为6～7MPa，喷嘴间距500mm，喷雾系统的喷角为35°，喷雾系统在该间距和喷角下能够覆盖整体采煤机，具体采煤机喷雾系统如图3 所示。

图3 采煤机喷雾系统示意图

2）滚筒喷雾除尘系统。

本次滚筒处安设三级水幕，通过三级喷雾系统对粉尘进行拦截和润湿，设置喷水压力为6～7MPa，以充分使得空气中的粉尘与水滴进行接触，进而使得湿润后的粉尘与其余的粉尘相接触，逐渐形成粉尘颗粒团，最终使得粉尘在重力中的作用下沉淀，具体三级水幕和喷嘴效果如图4 所示。

图4 三级水幕和高压喷水示意图

通过采煤机滚筒上的安设粉尘浓度传感器，设置在采煤机割煤作业时若粉尘浓度超过2mg/m3时，便自动启动一级喷涂防尘喷嘴，当粉尘浓度超过3mg/m3时，在一级喷嘴运行的情况下，启动二级除尘喷嘴，以此形成二级防尘水幕，当采煤机作业时，粉尘浓度大于4mg/m3时，设置自动启动三级喷雾系统，形成三级防尘水幕，若通过喷雾系统将粉尘浓度降低至2mg/m3以下时，便自动关闭一二三级除尘喷嘴。

3）液压支架喷雾除尘系统。

工作面采煤机割煤作业后，存在一部分割煤作业产生的粉尘会随着风流传播至回采工作面作业位置处，现为治理该部分区域的粉尘，通过在液压支架的铰接梁和前探梁处安设喷嘴，设置每天液压支架均安设高压喷嘴，即设置液压支架处喷嘴的间距为1.3m，支架除尘喷雾系统安设在采煤前方3m的位置处，设置喷水压力为6～7MPa。在工作面回采过程中，若出现工作面区域粉尘浓度过大现象时，此时通过粉尘浓度传感器将其粉尘浓度数据传递至PLC 控制器上，进而通过控制器对液压支架的喷雾范围进行增大，以此保障除尘效率的最大化。

3.2 效果分析

3218 工作面回采期间，进行喷雾系统采用前后工作面区域粉尘浓度的测定作业，根据测试作业能够得出不同位置处全尘和呼吸性粉尘的浓度数据，具体工作面喷雾系统采用前后粉尘浓度的数据如表1 所示。

通过分析表1 中的数据可知，在工作面采用了喷雾系统后，降尘效果显著，工作面各个区域处与未采用降尘系统前相比，降尘率平均约为65.4%。据此可知，3218 工作面在采煤机身喷雾除尘系统、滚筒喷雾除尘系统和液压支架喷雾除尘系统下，有效解决了工作面回采期间粉尘含量高的问题，优化了回采作业环境。

表1 3218 工作面喷雾洒水防尘系统使用前后粉尘浓度分布

4 结 论

根据3218 综采工作面的具体地质条件，通过具体分析喷雾洒水防尘机理，确定工作面采用高压喷雾洒水降尘技术进行粉尘防治，结合工作面情况，具体进行采煤机身喷雾除尘系统、滚筒喷雾除尘系统和液压支架喷雾除尘系统设计。根据工作面采用喷雾除尘系统前后的粉尘浓度测试，得出3218工作面喷雾洒水降尘系统降尘效果显著，优化了工作面回采作业环境。