8 m特大采高工作面粉尘综合防控技术研究及应用

2021-09-08张设计

矿业安全与环保 2021年4期

黎志，马威，张设计，陈芳

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

大采高综采是煤炭生产集约化、高效、安全发展的必然趋势，作为重要方法已被广泛应用于厚煤层的高效开采，但大采高综采采场空间内粉尘污染问题愈加严重，亦成为现代化矿井健康开采面临的主要问题[1-4]。大采高综采工作面由于配备了功率大、截深大、产煤量大的机械设备，与普通综采工作面相比其产尘量更高[5-6]。大采高综采工作面宽阔的采场空间内风流流动更加紊乱，大型综采设备的存在使得粉尘扩散运移规律难以确定，传统的防尘工艺与技术难以取得较好的效果[7-11]。

目前，神东煤炭集团已成功实现8 m特大采高综采，但针对此类特大采高综采工作面粉尘防控技术的研究尚属空白，缺乏相关防控理论与成功经验，亟需开展大采高综采工作面粉尘综合防控技术研究。笔者以神东补连塔特大采高综采工作面为研究背景，开展相关探索性研究与应用试验，以期为类似条件下的粉尘综合防治提供参考。

1 特大采高综采工作面粉尘分布特征

1.1 工作面概况及存在的问题

神东补连塔煤矿12513综采工作面最大采高为8 m，选用SL1000/6659型采煤机，液压支架移架步距为865 mm，工作面平均风速为1.2 m/s。

工作面采用传统粉尘防治措施，存在问题如下：①现有措施以水基喷雾为主，防尘效果不佳，覆盖范围有限；②采煤机采用大尺寸滚筒(直径4 m)割煤及无规律阵发性片帮垮落产尘强度大，机身附近粉尘浓度高，难以实现粉尘从源头集中治理；③降柱移架频率高，落尘在人行道飘散距离远，尘源距离作业人员较近、影响时间较长，且存在岩尘，危害增大；④工作面采场空间大，采场上部空间的呼吸性粉尘浓度高，悬浮时间长，极难捕集治理。

1.2 风速分布特点

监测了整个综采工作面内的风速，得到综采工作面风速分布曲线，如图1所示。

图1 综采工作面风速分布图

测点对应刮板输送机、电缆槽和支架行人侧，测点高度与支架行人侧呼吸带高度一致，其中横坐标为测点与工作面进风巷端头的距离，纵坐标为风速。横坐标14～28 m位置因有阻挡，部分无实测数据。

综采工作面风速特征：①刮板输送机上方风速>电缆槽上方风速>支架行人侧风速，3处的平均风速分别为1.383、0.883、0.515 m/s；②受采煤机机身影响，刮板输送机上方风速先下降后上升(16～30 m区域为采煤机范围)；在靠近机尾区域风速有明显增高的趋势，最高风速为2.200 m/s；③电缆槽上方风速基本无变化;④支架行人侧的风速在采煤机前后45 m范围内出现了先升高后下降的趋势，最高风速为1.300 m/s，明显高于其上风侧进口风速0.932 m/s。

分析工作面断面空间内设备布置情况可知，仅有液压支架立柱绕流对风流分布有影响。依据风流分布的连续性，得到工作面切面风速分布曲线,如图2所示。

图2 综采工作面切面风速分布

在电缆槽区域和支架行人侧区域存在风速的不连续情况，据此可将风流流场分为溜槽区域(包括电缆槽区域和刮板输送机区域)和支架行人侧区域。

1.3 粉尘分布特点

采用滤膜称重法测试了顺风割煤与逆风割煤两种不同作业顺序下，5个测点的呼吸性粉尘浓度，计算得到平均粉尘浓度及不同来源粉尘浓度，如图3所示。

图3 不同工序、不同测点位置的粉尘浓度测试结果

由图3可知，粉尘分3种来源：进风粉尘、割煤产尘、移架产尘。降柱移架下风侧5 m位置平均粉尘浓度最高，主要来自移架产尘；由5个测点位置粉尘来源可知，割煤产尘和移架产尘量占比达62%～98%，是粉尘的主要来源。

2 特大采高综采工作面粉尘治理方法

割煤产尘尘源随采煤机移动，具有连续性，主要影响范围包括采煤机上风侧5 m及其下风侧区域。该尘源受采煤机机身阻挡滞留在其上风侧，并向人行侧扩散。移架产尘来自降柱移架过程，因其过程时间为15～20 s，近似认为具有阵发性；液压支架间隙(<0.1 m)远小于工作面长度(327.8 m)，近似认为移架产尘会产生2条具有平行特征的产尘线。

2.1 割煤产尘的治理方法

对于采煤机割煤产尘常采用采煤机尘源智能跟踪喷雾降尘技术、含尘气流控制技术等进行防治，对滚筒及尘源实现包络，能降低粉尘的飞扬能力，但无法阻隔粉尘的扩散路径。对于采煤机割煤滚筒破煤产尘及滚筒扬尘，因传统随机喷雾射程短、覆盖范围有限，拟开发远射程、低耗水型气水喷雾，增强对滚筒割煤区域粉尘的控制。由于大采高综采工作面可利用空间的增大及12513综采工作面对喷雾用水的严格控制，通过对吸尘滚筒的研究[12-14]，拟采用通风除尘的方式对积聚在采煤机上风侧端头向支架行人侧扩散的粉尘进行治理，减少粉尘扩散；对运移至工作面作业点后方的高位浮游粉尘，采用捕尘网的方式会影响采煤机割煤作业，因此，拟采用通风除尘的方式集中抽吸，加速含尘气流的净化和运移。

2.2 移架产尘的治理方法

液压支架降柱移架的粉尘治理方法主要以喷雾降尘为主，如顶板预湿喷雾、架间喷雾等，但喷雾降尘易增大作业环境湿度，现场应用极易受限。根据粉尘可自由沉降的机理，采取措施阻断粉尘沉降路径，控制粉尘扩散空间可有效治理粉尘。因液压支架最大工作高度可达8 m，工作面内首先保证行人及运料的空间，其多余的空间可布置控尘收尘装置进行架间落尘治理(一般采高工作面空间仅能满足行人及运料)，确保粉尘不扩散至作业人员区域。

2.3 综合治理方法

基于割煤产尘和移架产尘的治理方法，形成的总体方案布置如图4所示： ①研究远射程气水喷雾技术及装置，使其具有低耗水、抑尘、控尘特点，实现快速湿润破碎煤体，从源头抑尘，阻隔污染区；②研究随机抽尘净化技术及装备，实现源头高效抽尘净化；③开发支架封闭控尘收尘装置，实现降柱移架封闭接尘收尘，治理高位落尘，避免粉尘扩散；④研究支架高位负压除尘微雾净化技术及装备，治理支架顶部悬浮的呼吸性粉尘。

1—远射程气水喷雾装置；2—机载除尘装置；3—支架封闭控尘装置；4—负压除尘微雾净化装置。

3 特大采高综采工作面粉尘防控技术研究

3.1 远射程低耗水型气水喷雾技术

研究表明：喷雾雾粒粒径不大于粉尘粒径时其捕尘效果最佳，现有减小喷雾平均粒径的途径主要包括提高喷雾压力和空气雾化[15]。同等条件下，提高喷雾压力必然会增加喷雾流量，不利于喷雾用水量控制，为此设计并采用具有空气雾化方式的气水喷雾器。依据空气雾化的混合方式，喷嘴结构设计为内混式，气水喷雾器结构如图5所示。

图5 气水喷雾器结构示意图

根据文献[15]，喷嘴(喷雾出口)直径d1、雾化介质出口(进气端口)直径d2、气水混合室喷出孔径d3、气水混合室直径D3、气水混合室长度L3的计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

L3=(2～6)D3

(5)

(6)

V3=(qml/ρl+qmav2)/(qml+qma)

(7)

式中：S1、S2、S3为喷嘴、空气、混合室出口截面面积，m2；qml、qma为水、空气流率，kg/s；u1、u2、u3为喷雾、空气、混合室出口流量系数，u1取0.2～0.4，u2和u3取0.87～0.25β(β为压缩空气临界压力比，取0.528)；Δp为喷雾绝对压力p1与混合室临界压力p3之差，MPa；ρl为水的密度，kg/m3；φη为临界界面流量计算系数，压缩空气取0.484；v2为空气流速，m/s；V3为混合室混合气比容，m3/kg；n为雾化介质喷出口孔数；n3为混合室喷出口孔数。

初步选取qml=0.017、0.033、0.050 kg/s，Δp=0.3 MPa，ρl=1 000 kg/m3，u1=0.3，n=n3=2，计算确定气水喷雾器的喷嘴直径d1为1.5、2.0、2.5 mm。结合雾化介质出口直径d2的计算结果，设计并加工了6种不同型号的气水喷雾器。试验结果表明：水压在0.4 MPa时，气水喷雾器的射程与气压(0.1～1.0 MPa)呈正相关关系，为满足射程8 m的需要，选用V型气水喷雾器。在其气压为0.6 MPa时，其耗水量为2.5 L/min，耗气量为118 L/min。气水喷雾器射程随气压的变化曲线如图6所示。

图6 气水喷雾器射程随气压的变化曲线

结合降柱移架液压动力压差变化的特点，设计了气水联动控制阀，以实现喷雾的自动控制；将气水喷雾器固定在液压支架顶梁下表面，实现气水喷雾雾流对采煤机割煤范围全覆盖，控制割煤及垮落产尘的扩散。远射程低耗水型气水喷雾装置如图7 所示。

图7 远射程低耗水型气水喷雾装置示意图

3.2 采煤机随机抽尘净化技术

研究表明：对采煤机上风侧端头含尘风流的控制可有效地降低采煤机司机位置及采煤机下风侧 10 m 处的粉尘浓度[16-17]。现有的含尘风流控制装置以喷雾为主，受装备及喷雾压力的影响较大，降尘效果有限；结合大采高综采工作面采场空间较大的特点，采用通风除尘的方式，将设备布置在采煤机机身上，随机移动。主要设备为采煤机机载除尘器，设计过程中重点考虑了处理风量、除尘器吸尘口的合理位置等。

3.2.1 处理风量

电缆夹区域风速变化不大，风流受采煤机机身阻挡后向支架行人侧增加的风量即为采煤机机载除尘器的设计处理风量。风流的扩散示意图如图8 所示。

图8 风流受阻挡向支架行人侧扩散示意图

采煤机机载除尘器设计处理风量按式(8)计算：

ΔQ=kΔvA

(8)

式中：ΔQ为支架行人侧风量增量，m3/s；k为备用系数，取1.5；Δv为支架行人侧风速增量，m/s，支架行人侧风速增量按0.368 m/s计算；A为液压支架过风断面积，按ZY21000/36.5/80D型支架支撑高度8 m计算，其过风断面积为5 m2。

计算得到除尘器处理风量ΔQ=2.76 m3/s，实际设计为3 m3/s。

3.2.2 除尘器吸尘口合理位置

简化工作面实际情况，建立150.0 m×6.8 m×8.0 m模型，模拟不同吸风量情况下除尘器吸尘口与底板的不同距离，通过计算除尘器吸尘口捕捉粉尘颗粒数(trap)和追踪模拟粉尘颗粒的追踪数(tracked)的比值来表征粉尘捕集率[18]。采煤机机载除尘器数值模型如图9所示，数值计算结果见表1。

图9 采煤机机载除尘器数值模型

表1 机载除尘器粉尘捕集率数值计算结果

将除尘器吸尘口布置在采煤机上风侧摇臂根部位置，处理风量为180 m3/min、距离底板1.65 m时针对采煤机割煤垮落产生粉尘的捕集效率高于95%。综合考虑采煤机的可利用空间结构及现有防爆电机型号及尺寸，设计并研制了一种采煤机机载除尘器，以单电机双叶轮风机作为动力。测试结果表明，风机静压为700 Pa时，风量为180 m3/min；处理风量为150 m3/min，风机静压为1 237 Pa，呼吸性粉尘除尘率为95.1%。将机载除尘器安装在采煤机机身上风侧，除尘器吸尘口布置在距底板1.6 m处，其结构如图10所示。

图10 机载除尘器结构

3.3 液压支架封闭控尘技术

液压支架支护表现的是动态过程，支架顶梁反复地挤压垮落带破碎的煤岩体，支架移动期间将破碎煤岩体从架间缝隙挤落。液压支架封闭控尘装置的设计主要考虑位移补偿能力及捕尘能力。

液压支架向前迈步与邻架不同步，移架步距为865 mm，设计支架封闭控尘装置应具有一定的位移补偿能力；在适应移架步距的情况下，考察装置的捕尘能力。共提出3种方案，如表2所示。

表2 液压支架封闭控尘装置位移补偿能力方案对比

通过表2方案对比，确定了滑移式封闭接尘槽的设计方案，支架封闭控尘装置设计如图11 所示。

(a)移架前 (b)移架后

经测试与改进优化，通过对滑轨长度、导尘槽结构、连接方式等进行研究，设计了一种滑移式封闭控尘装置,如图12所示。该装置可实现液压支架移动过程的自动补位，基本覆盖液压支架行人侧区域，其封闭长度为1.8～2.5 m。

(a)移架前 (b)移架后

3.4 工作面高位浮游粉尘治理技术

12513综采工作面中上部空间存在大量浮游粉尘，难以沉降。基于呼吸性粉尘沿采场上部空间的扩散特点，国内外尚缺乏相关的技术研究成果。借鉴雾炮除尘的方式，采取抽尘净化与风送微雾除尘方法。设计了一种负压抽尘净化装置并带有风送式喷雾的除尘器——负压除尘微雾净化装置，如图13所示。

图13 负压除尘微雾净化装置结构图

该装置以电动机驱动的叶轮为动力，在进风端抽吸含尘气流，含尘气流经过滤装置，出风端用于喷雾扩散。试验结果表明，当工作阻力为1 000 Pa时该装置的处理风量为120 m3/min，射程为30～40 m，安装布置于支架顶梁，可高效地处理大采高综采工作面上部空间的浮游粉尘。

4 粉尘综合防控技术现场应用

在12513综采工作面对远射程低耗水型气水喷雾器、采煤机随机抽尘净化装置、液压支架封闭控尘装置、负压除尘微雾净化装置等4种降尘设施进行现场应用试验。现场布置效果如图14所示。

(a)气水喷雾器 (b)随机抽尘净化装置

当采煤机正常割煤，无降柱移架时，开启了8组气水喷雾器，采煤机上、下风侧各4组，气压为 0.6 MPa，耗气量为960 L/min，水压为0.4 MPa，耗水量为20 L/min。测试了大采高综采工作面含尘风流控制与净化技术的降尘效果；在同种工况下，测试了使用采煤机机载除尘器前后采煤机下风侧司机处和采煤机机身下风侧15～20 m处的支架行人侧的呼吸性粉尘浓度及降尘效率；当采煤机不工作时，在降柱移架下风侧5 m处的支架行人侧呼吸带高度位置测试了使用液压支架封闭控尘装置的降尘效率；在距负压除尘微雾净化装置上风侧 50 m 处，采煤机割煤作业时，测试了负压除尘微雾净化装置进出风口前后2 m、对应支架人行道呼吸带高度的粉尘浓度，测试结果如表3所示。

表3 应用4种降尘设施的降尘测试结果

由表3可知：应用4种降尘设施的降尘效率为43%～92%，降尘效果差异较大。主要原因是液压支架封闭控尘装置直接作用于支架行人侧区域，降尘效率高达92%；其他3种降尘设施布置于溜槽区域，降尘效率受到一定影响，不能完全体现综合降尘效果。为此布置4个支架行人侧呼吸带高度测点，测点1位于支架封闭控尘装置下风侧5 m处，即采煤机上风侧滚筒对应的司机位置；测点2布置于采煤机下风侧滚筒对应的司机位置；测点3布置于采煤机机身下风侧15～20 m位置；测点4布置于回风巷距工作面10～15 m位置。综合降尘粉尘浓度测试结果见表4。