范敬丰

(山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048000)

1 工程概况

山西兰花科创玉溪煤矿1301工作面位于3号煤层一盘区，工作面开采3号煤层，煤层厚度在5.12～7.20 m，平均5.85 m，平均倾角为8°，煤层内含有1层夹矸，平均厚度为0.28 m，3号煤坚固性系数f=0.45～1.09，煤层不易自燃，煤尘无爆炸危险性，煤层直接顶岩层为泥岩，直接顶为泥岩，平均厚度2.4 m，基本顶为中粒砂岩，平均厚度5.3 m，直接底为泥岩，平均厚度为1.5 m，基本底为砂质泥岩，平均厚度8.3 m；工作面采用大采高一次采全高采煤方法，循环进度0.6 m，通风方式采用“两进三回”，由于3号煤层属于松软破碎煤层，在工作面回采过程中会产生大量的粉尘，为优化回采作业环境，现进行工作面粉尘分布规律的分析及喷雾降尘技术的设计与应用。

2 粉尘分布规律

为充分掌握1301工作面回采作业时工作面粉尘分布规律，首先需掌握工作面风流场的分布规律，现采用现场测试的方式在工作面走向方向上设置13组测点，在进行测点布置时，在工作面进风巷开始向着回风巷方向每隔5个液压支架划分为1个单元，在工作面面长方向上共计设置13个单元，在每个单元内布置1组测点，1组测点包括2个测试位置，分别位于支架人行侧和溜槽的位置，具体工作面测风点位置如图1所示。

图1 1301工作面测风点布置位置示意

根据测试结果及对测试数据的处理，能够绘制出工作面的风量变化图，如图2所示。

图2 工作面风量变化曲线

分析图2可知，由工作面进风巷向回风巷方向，随着距离的增大，工作面内的风量呈现出先减小后增大的趋势，且在工作面进风口和回风口的附近区域变化较小，在工作面中部区域风量的变化相对较为平缓，出现这种现象的主要原因为沿着工作面的面推进方向，采空区存在漏风现象，导致工作面内的总风量会不断减小，当到工作面的某一点后漏入采空区的风流汇入工作面的总风流中，进而又会出现风量增大的现象，工作面内的风量整体呈现为U型分布。

现为全面掌握工作面粉尘分布规律，在工作面内设置16个粉尘浓度测试点，每个测点分别对支架人行道和溜子道进行粉尘浓度的测试，粉尘浓度测试分别在采煤机顺风割煤和逆风割煤时进行，测试仪器采用CCD1000-FB便携式电脑粉尘仪[1-2]，具体粉尘浓度测试点布置，如图3所示。

图3 粉尘浓度测试点布置位置示意

工作面在顺风割煤时和逆风割煤时，滚筒周围区域的粉尘浓度分布曲线如图4所示。

图4 工作面粉尘浓度分布曲线

分析图4(a)可知，工作面在进行顺风割煤时，后滚筒区域的粉尘浓度分布如下：在溜槽的顺风方向上，随着风流的扩散作用，截割产生的粉尘逐渐扩散，进而使得粉尘的浓度逐渐升高，其中粉尘浓度最大的区域为230 mg/m3，在工作面风流方向上粉尘在风流作用下逐渐向采空区扩散，在采煤机司机位置处，粉尘浓度在200 mg/m3，随后粉尘浓度逐渐下降并趋于稳定，在液压支架人行道内粉尘浓度的变化趋势基本相同，但该位置区域粉尘浓度相对较低，且粉尘具有一定的停滞；顺风割煤前滚筒区域粉尘浓度如下：在溜槽内，采煤机截割产生的粉尘开始逐渐降低，当进入滚筒中部区域粉尘浓度最低，随着在滚筒中部靠后的位置处时，粉尘浓度又呈现出逐渐升高的趋势，并在滚筒后方3 m的位置处粉尘浓度达到最大值，为370 mg/m3；在支架人行道内的粉尘浓度分布规律基本也呈现为该种变化特征。

分析图4(b)可知，沿着风流的方向，从采煤机后滚筒向前滚筒的测尘区域内，粉尘浓度呈现为增大的趋势，该点与工作面顺风割煤下的粉尘浓度分布规律类似，但其与顺风割煤下粉尘浓度的差别为逆风割煤下粉尘会产生剧烈的变化，其中粉尘浓度审稿较快的区域为前滚筒，且逆风割煤下前滚筒的粉尘浓度高于后滚筒的粉尘浓度，后滚筒的粉尘浓度略小于前滚筒的粉尘浓度。

综合上述分析可知，采煤机区域粉尘浓度分布无论在顺风割煤和逆风割煤下分布规律大致相似，均呈现为粉尘浓度现逐渐升高，随后小幅降低后再逐渐上升，最后区域平稳，另外结合风量分布和粉尘浓度测试结果可知，工作面内在刚进入采煤机区域时的粉尘浓度较大，在采煤机中部，粉尘浓度又呈现出一定幅度的降低，最后在后滚筒区域粉尘浓度又逐渐升高，最后达到稳定，另外根据支架人行道的粉尘分布可知，在采煤机摇臂与刮板输送机之间粉尘浓度也较高。

3 喷雾降尘技术

3.1 喷雾系统设计

基于上述工作面粉尘浓度分布规律的测试结果可知，工作面粉尘高浓度区域主要分布在采煤机前方、滚筒处和采煤机摇臂与刮板输送机之间，据此工作面的喷雾降尘系统便主要针对这三个区域，现通过合理的布置喷嘴，实现气水喷雾对该三个区域的有效覆盖。

本次喷雾降尘系统的喷嘴采用具有压气雾化的喷嘴，该类喷嘴产生的水雾颗粒在7～50 μm之间，根据众多试验研究结果表明[3-4]，该类喷嘴能够产生的雾化角在40～50°，本次喷雾系统采用的水压在0.2～0.3 MPa，气压在0.388～0.602 MPa之间，水雾的粒径可控制在15～35 μm的范围内。基于喷雾降尘重点覆盖区域，分别在采煤机滚筒前方、滚筒处和采煤机摇臂与刮板输送机间进行喷嘴的设计，具体设计参数如下：

1) 滚筒前方：采煤机滚筒前方至治理工作面粉尘沉降的关键，为实现喷嘴可对滚筒全部包裹，根据滚筒前方喷雾覆盖范围进行计算[5]，计算原理图如图5所示。

图5 滚筒前方喷雾覆盖范围示意

计算公式如下：

(1)

式中：σ为滚筒前方喷雾覆盖角，°；R为滚筒半径；α为单个喷嘴的覆盖角，h为滚筒厚度；L为采煤机摇臂的长度，l为喷雾安设位置距采煤机主体边缘的距离；结合1301工作面条件，计算得出滚筒前方单个喷雾的覆盖角大于单个喷嘴的覆盖角，据此在该区域设置一排两个喷嘴进行降尘。

2) 滚筒处喷雾设计：滚筒处喷嘴设置时，其喷嘴的安设角度、仰角等参数计算原理如图6所示。

图6 采煤机滚筒区域喷嘴安装参数计算示意

计算公式如下[6]：

(2)

式中：β为喷嘴的安装角度，°；θ为喷嘴的仰角，°；ξ为喷嘴与滚筒外侧面间的夹角，°；基于工作面条件计算得出若要覆盖整个滚筒区域，此时需要求喷嘴的纵向覆盖角度和横向覆盖角度分别为θ和ξ，而单个喷嘴雾化角无法实现，故而在该区域布置两排喷嘴，每排布置两个喷嘴，以达到覆盖滚筒的目的。

3) 采煤机摇臂与刮板输送机间：基于本次使用喷嘴的雾化角在30～40°之间，设计在圆弧上均匀布置4个喷嘴，角度分别为0°、30°、60°和90°，另外考虑到0°喷嘴下方还存在一个产尘点，故而设计在0°下方增加一个喷嘴。

基于上述设计，通过3D建模，得出工作面喷雾系统的布置形式，如图7所示。

图7 喷雾系统喷嘴布置形式示意

3.2 效果分析

为验证喷雾降尘系统的应用效果，在粉尘浓度分布现场测点的布置位置，在喷雾系统实施后，再进行粉尘浓度的测试作业，得出工作面顺风割煤和逆风割煤时溜槽与支架人行道侧的降尘率，现选取1号、3号、8号、10号、14号5个点具体分析，测点的降尘率如表1。

表1 工作面采用喷雾系统后的降尘率

分析表1可知，工作面采用喷雾降尘系统后，溜槽道和支架人行道的粉尘浓度均大幅下降，其中在工作面顺风割煤时，支架人行道降尘率在60%～85%；溜槽道的降尘率在70%～78%；逆风割煤时，支架人行道的降尘率在48%～71%，溜槽道的降尘率在42%～59%，降尘效果显著。

4 结 语

根据1301工作面的赋存特征及开采条件，通过工作面粉尘浓度现场测试的方式得出工作面粉尘高浓度区域主要分布在采煤机前方、滚筒处和采煤机摇臂与刮板输送机之间，基于粉尘浓度分布规律，进行喷雾系统的设计，在喷雾系统实施后，通过粉尘浓度测试得出，喷雾降尘效果显著，优化了回采作业环境。