回坡底矿综掘工作面高效降尘技术实践

卫强强

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤矿，山西 洪洞 041600）

作为矿井五大自然灾害之一，煤尘的产生几乎贯穿于煤炭开采的各个环节。近年来，随着煤矿综合机械化掘进和开采装备的大面积推广应用，生产过程中的粉尘产生量大幅增加，粉尘浓度超标的问题日益严重。煤尘具有爆炸性，达到一定浓度时在高温下容易发生爆炸，诱发瓦斯爆炸和火灾等，同时长期在高浓度煤尘环境下工作，会导致尘肺病的发生，严重危害煤矿工人的身体健康[1-3]。因此，进行井下煤尘治理和防爆研究，对创建安全、高效、绿色矿井具有重要意义。

1 工程概况

山西霍州煤电集团回坡底煤矿11-104 工作面所采煤层为11 号煤，11-1042 巷沿11 号煤层底板掘进，巷道地面标高为+926～+724 m，井下标高为+468～+486 m。11 号煤的平均厚度为3.2 m，平均倾角为3°，顶板依次为：泥岩，3.5 m，灰黑色，含少量黄铁矿薄膜、植物化石碎屑，中夹0.3 m 煤线；粉砂岩，2.6 m，灰白色，致密，质脆，含黄铁矿及植物化石，夹薄泥岩；10 号煤，2.6 m，煤层稳定，含硫高，易自燃，中部含0～1 层不稳定夹矸；泥岩，2.3 m，深灰色，含薄膜状黄铁矿及植物化石，局部相变为泥质粉砂岩。

11 号煤的普氏系数为0.9～1.1，节理裂隙发育程度高。煤尘自燃倾向等级为Ⅱ级，类别为自燃煤层，自然发火期为82 d，煤尘火焰长度＞400 mm，有煤尘爆炸性。

11-1042 巷的断面尺寸为4800 mm×3200 mm（宽×高），采用锚网索支护。

2 喷雾降尘机理

2.1 掘进工作面煤尘来源

煤矿井下两巷的掘进是工作面回采的先期工程，煤尘产生量仅次于工作面。与工作面相比，矿井掘进工作面数量多，掘进过程工序多，尘源的分布范围广，分散度高。岩巷掘进中还会产生大量的岩尘，是导致工人尘肺病的主要原因。

11-1042 巷采用综掘机破煤掘进，按照综掘工艺分析，煤尘的主要来源有几个方面：

（1）切割煤壁

综掘机截割头对煤体产生的粉尘量是整个掘进工序中最大的，占比达80%以上。切割过程中，煤体受截齿挤压作用的影响，发生弹性变形，当截齿离开时，弹性变形恢复，在产生变形和恢复的过程中，煤体被破碎成块，从而产生大量粉尘。同时，截齿的冲击作用也促进了煤尘的产生，并且飞扬在巷道中。

（2）运输转载产尘

综掘工作面出煤过程中煤炭要经过多次转载，由于摩擦和振动的作用，进一步加大了煤块的破碎，并且在运输过程中极有可能使得静态的沉积粉尘飞扬，增加了巷道中的煤尘浓度。

（3）进风流带入

根据测试，在不采取任何净化措施的情况下，进风流中的粉尘浓度可达5 mg/m3以上。如果风速较大，含尘量可高达50 mg/m3以上。

2.2 喷雾降尘机理

喷雾能降低巷道中的粉尘浓度，主要是由于惯性、重力、静电等多种力相互作用的结果，降尘机理如图1[4-5]。

图1 喷雾降尘机理

（1）惯性作用

较小的煤尘在运动过程中遇到雾滴会改变方向，而粒径大的尘粒由于惯性作用，不能及时避开，保持原来的运动方向而与雾滴碰到一起，从而降低浓度。

（2）扩散效应

部分粒径较小的粉尘，在空气中并非沿流线运动，而是呈现不规则的布朗运动的状态。在雾滴附近，这些细小的尘粒可能与雾滴发生碰撞而停止飞扬。粒径越小，碰撞的概率越大，扩散效应越强。

3 综掘面通风系统设计

3.1 通风方式的确定

当前综掘工作面常用的通风方式有单抽出式、长抽短压、长压短抽和长抽长压式等，结合回坡底矿的实际情况，确定11-1042 巷采用长压短抽式通风。通过合理确定抽风口和压风口的位置，在巷道中形成一个出风、进风的稳定屏障。该屏障内的风流稳定，煤尘具有一定的运动速度，在保证排出掘进头煤尘的同时，减少了粉尘向风筒后巷道的扩散。风流运动如图2。

图2 长压短抽式通风的风流状态

3.2 风量匹配

为防止压入式通风和抽出式通风的共同作用范围内出现循环风，一般压入式风量为抽出式风量的120%～130%。在实际应用中，抽出式风量一般不变，而压入式风量随着距离掘进头距离的增大而减少，为此，应根据掘进头的进尺前移压入式风筒的位置。

3.3 进、出风口位置的确定

（1）压入式出风口位置

压入式出风口距离工作面迎头距离大，则除尘效果差，距离小，则容易将粉尘带入到巷道中。根据生产实践，压入式出风口的距离按公式（1）计算：

代入计算可得，出风口的距离小于19.6 m。在巷道掘进过程中应根据进尺情况及时续接风筒。

在实际生产中，综掘工作面以上三个参数的变化范围见表1。同时，保持压入总风量大于抽出式总风量的20%以上，这样，可以避免产生风流循环，降尘效果最佳。

表1 掘进头风筒口关系

4 现场应用

4.1 掘进设备布置

巷道掘进采用的EBZ200 综掘机，所用压风筒和抽风筒的直径为500 mm。压入式和抽出式风机均采用对旋轴流式，主要参数见表2。

表2 两风机主要参数

为了防止掘进过程中的煤尘随回风流进入到回风大巷中，必须将煤尘控制在掘进机前方，一般采用的是封闭掘进、全封闭除尘的方式。在掘进头布置除尘器等设备，现场设备如图3。

图3 掘进头设备布置

根据现场的实践经验，一般在掘进作业中，巷道断面中部的粉尘浓度最高，是防治的重点区域。为了方便移动作业，将抽出式通风的进风口安装在综掘机上，随掘进机前移。吸风口下端距离底板1200 mm，上段距离顶板1300 mm，距迎头的距离不得大于2500 mm。

4.2 湿式振弦除尘器

研究表明，利用专用的设备除尘是降低掘进头浓度的有效方式。近年来，湿式振弦除尘器作为强力除尘的有效设备，与传统的机械除尘、过滤除尘相比，具有占地小、移动方便、对呼尘除尘效果好等优点，得到了广泛的应用。在11-1042 巷采用KCS-225ZL 湿式振弦除尘器进行除尘，额定处理风量为250 m3/min，额定呼尘除尘效率可达90%以上，总粉尘除尘效率高于99%。

4.3 应用效果

在11-1042 巷掘进过程中，对粉尘浓度进行测试，测试结果见表3。

表3 除尘前后效果对比 （单位：mg/m3）

由表3 可知，采用综合防尘措施后，迎头和司机处的粉尘浓度有明显降低，取得了较好的效果。

5 结论

（1）综掘工作面粉尘主要来源于煤壁的切割、煤块的转载等，具有分布范围广、分散度高的特点，产生量仅次于综采工作面。

（2）喷雾能降低巷道中煤尘的浓度，主要是惯性、重力、静电、扩散等综合作用的结果，其中起主要作用的是惯性和扩散作用。

（3）11-1042 巷通过采用长压短抽式通风、全封闭除尘和湿式振弦除尘器，迎头和司机处的粉尘浓度有明显降低，最大降幅达98%，取得了较好的效果。