经坊煤业3-605综放工作面粉尘分布规律实测研究

2024-04-10王林冲

煤 2024年4期

王林冲

(山西省长治经坊煤业有限公司,山西长治 047100)

1 工程概况

经坊煤业3-605工作面相对位置:西侧邻近3-607工作面(未掘),北侧邻近井田边界,南侧与六采区西翼轨道、回风巷相连通,工作面东侧为3-603工作面采空区。工作面开采3号煤层,均厚6.21 m.该工作面切眼沿倾向布置,两巷沿走向布置,工作面沿走向方向推进,回采巷道均沿煤层底板掘进施工。3-605综采工作面的服务年限为7个月。工作面煤层瓦斯含量2.65 m3/t,回采期间瓦斯绝对涌出量0.52 m3/min,煤尘具有爆炸性,属于Ⅲ级不易自燃煤层,本工作面采用U型通风方式。根据《煤矿安全规程》第645条规定要求:孔隙率小于4%的煤层不需煤层注水;结合山西省煤炭工业厅综合测试中心出具的煤层孔隙率检测报告:3-605综采工作面孔隙率为2.70%～3.62%(小于4%),不进行煤层注水。

3-605工作面防尘设施:①在回采工作面的各个转载点和胶带机头应设置降尘喷雾设施。采煤机作业时,应使用内、外喷雾装置和架间喷雾等构成的综合防尘系统。采煤机内喷雾压力不得低于2 MPa,外喷雾压力不得低于4 MPa.液压支架和放顶煤工作面的放煤口必须安装喷雾装置。在降柱、移架或放煤时,必须同步喷洒。此外,破碎机也必须安装防尘罩。②巷道设有前后溜、转载点和胶带机头共6处。在每个前后溜、转载点和胶带机头上,需要安装1套合金影射喷雾设施。③根据3-605回采地质说明书,该工作面两巷道的巷道长度为1 765.2 m,辅巷长度为119.4 m,应设置38个三通洒水阀门。④3-605回采工作面距离运输巷进风口、回风巷道回风口30～50 m处,需要安装1道LKDPWZ-10型全断面风水联动净化水幕。在距离工作面30 m内,需要安装两道LKDPWZ-10型全断面风水联动净化水幕。这两道水幕之间的间距不得大于10 m.⑤3-605回采工作面回风巷距离超前支护75 m范围内,需要安装1道防尘网。防尘网要求与巷道断面一致。在防尘网往工作面方向2 m处,需要安装1道喷雾设施。为了掌握经坊煤业综放开采工作面粉尘分布规律,进行了3-605工作面的粉尘质量浓度实测研究。通过这项研究,得出了工作面风流分布和粉尘的基本运动规律,为设计粉尘的防治方案提供了可靠的依据。

2 工作面风流规律实测研究

为了研究煤尘在气流场中的力学特性、运动特征和质量浓度分布,有必要准确把握工作面上气流分布的规律。井下风流从综采工作面进风段到工作面回风巷入口的流动过程会受到液压支架、采煤机、刮板输送机、人流等多种因素的影响。因此,气流的状态,包括它的方向和风速,可以有不同程度的变化,因此,根据各操作过程的具体情况布置风速测点是很重要的。为了解决这些问题,提出了两个测点布局要求。首先,由于工作面气流从进风口一侧吹向回风道一侧,且采煤机相对于进、出口,位于工作面中部,因此应布置在滚筒、采煤机、下风侧的迎风侧。其次,工作面上下区域会受到支撑盘、支撑底座、人流等因素的影响。因此,风速测点的布置应分为上下两部分。上风向测点距底板1.8 m,下风向测点距底板1 m.根据这些要求,确定了采煤机迎风侧(前滚筒附近10 m)、采煤机前滚筒、采煤机位置、采煤机后滚筒、采煤机下风侧(后滚筒附近10 m)5个测点。此外,为了综合分析综采工作面气流分布规律,在行人通道、中部槽和煤壁3个不同空间位置测量风速,测风点布置详情如图1(a)所示。本次实测采用JFY-2 型矿用本安型通风参数检测仪[1]。

图1 测风点布置及测试结果

通过对现场实测数据进行整理汇总,绘制出各测试位置风速实测值,如图1(b)、(c)所示。根据实测数据和折线图分析,可以得出经坊煤业3-605综放工作面空气流动分布的一般规律,当新鲜空气流入采煤工作面时,由于工作面空间的限制、液压支架和采煤机等障碍物的存在,空气流动在其他区域被阻塞,导致工作面内空气流动呈现大致的“单峰”形状分布,此外,由于采煤机滚筒截割会产生螺旋流场,因此导致采煤机机身处的风速最大,向两侧逐渐减小。在空间位置上,液压支架人行通道处的风速达到最大,其次是中部槽和靠近煤壁的位置。当风流通过采煤机下风侧10 m后,风速基本稳定。

3 工作面粉尘分散度分析

主要工序划分法测尘主要是为了了解综采工作面各主要作业工序的产尘规律及质量浓度分布,为后面的降尘研究提供理论基础,并且为粉尘颗粒群的分散度分布提供了现场数据支持[2-3]。设计测点布置详情如图2(a)所示。针对煤矿工作面的粉尘分散度研究实际是粉尘颗粒及颗粒群的粒径粒度研究。粉尘的分散度表示粉尘的破碎程度,主要是一定粒径内的粉尘含量与粉尘总量的比值。煤矿工作面粉尘分散的研究实际上是对粉尘颗粒和颗粒群粒度分布的研究。一般来说,尘埃颗粒的形状不规则,需要特殊的测量值来表示它们的直径。本实验采用Stokes公式计算和表示粒径,在高倍显微镜下观察滤膜载玻片上的粉尘颗粒。Rise-3022职业卫生粉尘分散测试仪将传统的显微观察方法与现代数字自动成像技术相结合。采用Rise-3022型职业卫生粉尘分散测试仪对3-605工作面主要工序粉尘分散进行了测量,测试结果见图2(b)。

图2 粉尘分散度测试方法及结果

由经坊煤业3-605工作面原始粉尘质量浓度数据及折线图可知,5 μm以下粉尘(可呼吸性粉尘)的累积分布顺序为:装载机区(72.33%)>回风巷道(72.07%)>落煤区(69.12%)>破碎区(67.12%)>移煤区(66.51%)>多工序区(66.33%)>采煤机操作区(66.04%)>前扬尘区(64.77%)。粒径小于5 μm的粉尘占68.03%,说明综采工作面工作空间一半以上的粉尘为可呼吸性粉尘,可被人体呼吸系统主动吸入,并可能进入肺部,对工人造成生理和心理上的双重伤害。从累积呼吸性粉尘量来看,对装车、落煤等产生呼吸性粉尘量较大的工序,应采取有针对性的降尘防治措施。

4 工作面粉尘分布规律研究

4.1 工作面原始粉尘质量浓度实测研究

根据相关规范要求并查阅相关文献资料[4],从测试结果准确性、测点方法经济合理性等多个角度综合考虑后,选择滤膜称重法来测量经坊煤业3-605工作面的粉尘质量浓度。使用AKFC-92A 型粉尘采样器采样,使用精度为万分之一的电子分析天平进行滤膜粉尘质量的测定。

采用距离划分法测量综采工作面粉尘质量浓度,可掌握采煤机下风侧粉尘质量浓度的变化情况,为降尘措施的优化提供现场数据支撑,其具体的测点布置情况如图3(a)、(b)所示。根据现场实测数据绘制图3(c)、(d),综合分析可得到工作面粉尘运移规律。

图3 工作面作业空间粉尘质量浓度实测结果

1) 顺风、逆风割煤条件下,采煤机上风侧5 m处粉尘质量浓度相对较低,在风流作用下,采煤机产生的粉尘主要向下风侧弥散,上风侧粉尘主要为进风流携带的粉尘,质量浓度为30 mg/m3左右。

2) 滚筒割煤、落煤时产生大量粉尘,随风流快速弥散至人行道和刮板输送机道,在下风侧10 m左右达到峰值,顺风割煤时峰值为364.9 mg/m3,逆风割煤时峰值为355.8 mg/m3,粉尘质量浓度峰值无明显差异。

3) 在采煤机下风侧10～20 m期间粉尘质量浓度快速减小,在下风侧40 m以上位置粉尘质量浓度基本保持恒定,刮板输送机道内粉尘质量浓度略高于人行道内,顺风割煤与逆风割煤条件下无明显差异。

4.2 降尘措施开启后工作面粉尘质量浓度实测

为考察经坊煤业3-506工作面综合降尘措施的除尘效果,在工作面降尘方式全部开启的情况下进行粉尘质量浓度测试,通过现场测试得到降尘措施开启前后各工序处粉尘质量浓度及降尘效率曲线,如图4所示。根据图4(a)可知,在无降尘措施条件下,采煤机司机处粉尘质量浓度最高,全尘质量浓度达236.4 mg/m3,呼尘质量浓度达到204.1 mg/m3;在全部降尘措施开启情况下,各测点处的粉尘质量浓度均显著降低。根据图4(b)可知,采煤机落煤处降尘效率最高,全尘降尘率达到89.05%,呼尘降尘率达到89.05%,破碎机及转载机处降尘效率最低;司机处全尘和呼尘的质量浓度相对最大,呼尘质量浓度29.8 mg/m3,全尘质量浓度为50.9 mg/m3,总体而言,综合降尘措施除尘效果整体良好。