圣天宝地清城矿厚煤层综放工作面降尘技术应用

付向东

(山西圣天宝地清城煤矿有限公司，山西 阳泉 045000)

粉尘是主要的空气污染物之一，长期吸入大量粉尘，尤其是呼吸性粉尘、PM2.5等细微粒径的粉尘颗粒极容易在支气管、肺泡等呼吸系统内部沉积，粉尘颗粒进入下呼吸系统后就很难排出，可能会造成肺部的纤维化，最终引发尘肺病——我国第一大职业病。据统计，目前我国尘肺病患者累计约80万人，每年新增约1.5万人，高浓度煤尘还容易造成粉尘爆炸，其威力远高于瓦斯爆炸。煤矿采煤面是矿井最大的产尘源之一。近年来随着煤炭需求量增加，厚煤层逐渐被开发出来，放顶煤和一次采全高等采煤方法，由于煤体破裂高度增加，粉尘危害更加严重，因此需要对厚煤层综采面粉尘防治进行详细研究。

1 15107采煤面概况

圣天宝地清城煤矿位于山西省阳泉市西北方向，年产量150万t。15107采煤面位于第15号煤层，煤层平均厚度为7.2 m，平均倾向8°，工作面东部和西部分别是已经开采完毕的15105工作面和15109工作面，南部是15号煤的采区巷道，上部没有采空区。工作面走向长度为855 m，倾斜长度为148 m，工作面开采面积为126 540 m2，可采储量为112万t。

工作面利用MG200/500-WD型采煤机割煤，前后滚筒分别位于上方和下方，割煤深度为600 mm，在采煤面两端斜切进刀，进刀区段长度为40 m，如图1所示：(a)步骤为采煤机割至工作面溜头(尾)后，停机调换滚筒上下位置，随机拉架和推溜暂停，采煤机反向斜切进刀；(b)步骤为采煤机反向斜切进刀后，随机拉架、推溜和收后溜，停机调换滚筒上下位置，割至工作面溜头(尾)扫掉三角煤；(c)步骤为割至溜头(尾)后，停机调换滚筒上下位置；反向至进刀处暂停；(d)步骤为前移溜头(尾)，并拉架推溜至采煤机后3～5 m处，采煤机正常割煤至溜尾(头)。

图1 采煤机斜切进刀方式

2 15107综放面产尘特性分析

煤尘的产生其实是大尺寸煤体破碎变成多个小尺寸煤体碎块的过程。对于15107采煤面，其平均采高为2.5 m，煤层平均厚度为7.2 m，此外还有4.7 m厚度的煤层通过放顶掉落开采，因此该工作面产尘位置主要有以下几点：

1) 采煤机双滚筒截割产尘。滚筒割煤时，主要依靠滚筒上固定的多个截齿与煤体相互碰撞使其破碎实现割煤效果。煤体因截齿侵入受挤压、剪切等作用，从整体的大尺寸煤壁破碎成小尺寸碎煤块，期间产生大量粉尘。截齿侵入煤体时，煤体与齿尖接触的地方所受压力最大，形成密实核(即粉化核)，当压力超过煤体的强度极限后，煤体发生破碎，密实核积聚的能量在破碎瞬间释放出来，内部的高密度粉化核被抛向空中形成粉尘。煤体内部原生、次生裂隙中也可能含有大量粉尘，破碎后也会暴露在空气中随风流移动。另外，由于该工作面采用放顶煤技术，因此煤体稳定性相对较差，易受采动影响，因此采煤机割煤时很容易出现距滚筒较远处煤壁大面积跨落的现象，煤体掉落至底板后碰撞冲击产生大量扬尘。

2) 放顶落煤产尘。煤体在支架后方掉落时相互碰撞，产生大量粉尘。由于该空间内空气流速较低，产生的粉尘通常沉积在煤体表面，当放煤口打开后，大量碎煤体涌入随胶带机向巷道中运移，此时受工作面风流影响，胶带机上煤流中的沉积粉尘将被扬起，污染巷道内的空气。

3) 移架产尘。该工作面放顶煤开采过程中，采煤机割煤厚度占煤层平均厚度的34.74%，其余煤体受重力自然下落，因此受采动影响，顶部未被截割的煤体坚硬程度和整体性很差，极易破碎。液压支架的作用则是用高压力向上支撑顶部破碎的煤体，在此过程中，顶部煤体受强烈挤压作用破碎产生粉尘。当采煤机向前割煤时，支架需要跟随移动，此时支架与顶部煤体之间滑动摩擦，移动到位后再次向上挤压支撑。可以看出，支架移动过程中将伴随大量煤体碎块破碎产尘，相邻两台支架间出现缝隙，粉尘会从缝隙中掉落，随人行道气流向回风侧运移污染整条巷道。

4) 转载点产尘。转载点处为具有高度差的两段胶带机，碎煤体从上胶带向下胶带转运时，大量煤流在掉落点相互碰撞，极易造成破碎产尘以及沉积粉尘二次飞扬。

3 综合降尘技术应用效果测定

3.1 降尘技术应用

根据前文对产尘特性的分析可以看出，圣天宝地清城矿15107采煤面主要粉尘点为采煤机滚筒割煤产尘、支架移架落尘、胶带转载点扬尘等，因此需要对这些产尘点分别采取有效的降尘措施。

针对采煤机双滚筒割煤产尘采用负压二次大流量喷雾降尘技术，既能够喷射大流量水雾润湿粉尘，又能够吸入含尘气流，使其再次润湿沉降，如图2所示。从正面视角来看，负压二次喷雾装置喷射角度随滚筒一同移动，保证喷雾能够全覆盖割煤产尘区域。喷雾压力为5 MPa，使雾滴能够喷射至较远位置润湿远端煤体，防止远端煤壁跨落时产生粉尘。从俯视视角来看，喷射装置安装在摇臂旋转电机上，这样既能够保证喷射角度与滚筒保持一致，又能有效避免掉落的煤体碎块砸到喷射装置。

由于支架移架过程中有大量粉尘从顶部缝隙中掉落，因此在支架顶部安装向两侧喷射水雾的负压二次喷雾降尘装置，吸尘口位于喷雾中部，其中位于支架前侧的喷雾朝中部和下部喷射，位于后侧的喷雾朝支架下方喷射，如图3所示。

图2 采煤机负压二次大流量喷雾降尘装置示意

图3 液压支架架间负压二次喷雾降尘装置示意

为了治理胶带机运输过程中产生的二次扬尘，在工作面两端安设针对采煤空间的全断面捕尘水幕帘，捕尘网固定在支架侧方，能够随支架一同移动。同时在距离回风巷与工作面交界处2 m的位置布置全断面捕尘水幕帘，如图4所示。

图4 全断面水幕帘示意

3.2 降尘效果分析

我国对煤矿井下粉尘治理工作十分重视，出台了一系列相关标准规定。根据《煤矿井下粉尘综合防治技术规范》等标准中对测尘点的规定，在采煤机下风向10 m处、回风巷水幕帘后方3 m处设置测尘点，同时测量该地点的总粉尘和呼吸性粉尘浓度，测定仪器采用CCZ-1000型直读式测尘仪。测尘结果如表1所示。除尘率按照公式(1)计算。

(1)

式中：μ为除尘率，%；c1为没有降尘措施时的粉尘浓度，mg/m3；c2为采用综合降尘措施后的粉尘浓度，mg/m3。

表1 各测尘点粉尘浓度

根据表1中的测尘数据可以看出，采用了综合降尘措施以后，采煤机下风侧10 m处的全尘平均浓度从1 157.6 mg/m3降低至164.7 mg/m3，呼吸性粉尘平均浓度从411.9 mg/m3降低至65.7 mg/m3，降幅分别为85.8%和84%(即除尘率)。回风巷水幕帘后方3 m处全尘浓度从380.8 mg/m3降低至35.9 mg/m3，呼吸性粉尘浓度从194.5 mg/m3降低至20.9 mg/m3，除尘率分别为90.6%和89.3%.粉尘治理效果较好。

4 结 语

1) 综放工作面粉尘主要产自采煤机滚筒割煤、支架移架、放顶煤破碎、胶带输送煤流、转载点转运等5处，需要综合治理才能实现较好的降尘效果。

2) 利用以负压二次降尘为基础的降尘技术以后，采煤机下风侧10 m处的全尘和呼尘平均降尘率分别为85.8%和84%，回风巷水幕帘后方3 m处全尘和呼吸性平均除尘率分别为90.6%和89.3%.