毛晓勇

（山西焦煤霍州煤电吕梁山公司店坪矿井，山西 方山 033102）

1 工程概况

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿9-205 工作面位于830 水平南翼，东与830 水平南翼轨道巷相通，西至井田边界，南为实体煤，北与9-2072 巷相邻（间隔251 m）。9#煤上部主要可采煤层为5#煤层，工作面上部对应5#煤为实体煤，9#煤层均厚2.9 m，含有两到三层夹矸，夹矸多为砂质泥岩，厚度为0.2～0.45 m，煤层倾角1°～5°，属于近水平煤层，煤层顶板为砂岩，底板为砂质泥岩。9-2052 巷主要担负着9-205 回采工作面的运输、回风、行人等任务，同时留巷为9-203 工作面服务。该巷道沿9#煤层顶板掘进，巷道断面为矩形，净宽×净高=5.0 m×3.1 m，支护方式采用锚网梁、锚索联合支护。

根据矿井地质资料知9#煤层硬度系数f=3，煤层节理裂隙发育程度为中等发育，掘进工作面瓦斯绝对和相对涌出量分别为2.45 m3/min 和0.76 m3/t，煤尘爆炸指数为19.79%，具有爆炸危险性。9-2052巷采用综掘机进行掘进作业，采用压入式风筒进行通风。为优化巷道掘进工作面的作业环境，进一步降低粉尘浓度，需对工作面粉尘运移规律进行分析，以便采取相应的粉尘治理技术措施。

2 粉尘运移规律

综掘机在进行掘进作业时会产生大量的煤尘和岩尘，产尘的主要作业环节包括机械打眼、火药爆破、截割机截煤、摩擦振动及入风流中含有的浮游态的粉尘。现为充分掌握9-2052 巷掘进工作面掘进作业时的粉尘浓度，采用《工作场所空气中有害物质检测的采样规范》中推荐测试方法进行掘进工作面粉尘浓度的测试，测试方法采用滤膜计重测尘法，该方法采样点粉尘浓度G 的计算公式如下：

式中：W1、W2分别为滤膜采样前和采样后的质量，mg；T 为采样时间，h；Q 为采样流量，m3/h。

9-2052 巷掘进工作面粉尘采样点布置如图1。在井下掘进工作面进行采样点粉尘浓度测试时，每个采样点进行三组粉尘浓度的测试，取三次测试的平均值作为该采样点粉尘浓度的数据。

图1 掘进工作面粉尘采样点布置图

在进行现场测试时，测点布置在距离巷道底板1.5 m 的位置处，采样时分别在掘进机自带喷雾和不自带喷雾两种情况下进行。根据测试结果能够得出综掘工作面粉尘浓度的测试结果见表1、表2。

基于表1 和表2 中的数据可绘制出掘进工作面在喷雾和不喷雾状态下的粉尘浓度分布曲线图，如图2。

表1 综掘工作面喷雾状态下粉尘浓度数据表

表2 综掘工作面不喷雾状态下粉尘浓度数据表

图2 掘进机喷雾和不喷雾状态下粉尘浓度分布曲线图

分析表1、表2 和图2 可知，掘进机在喷雾状态下的粉尘浓度明显比不喷雾状态下低。在距掘进工作面0～10 m 的范围内，掘进机喷雾状态下的全尘浓度平均比不喷雾状态下的浓度低500 mg/m3，呼尘浓度平均低150 mg/m3；当测点距掘进工作面距离大于10 m 时，此时两种状态下的粉尘浓度基本相等；当测点距离掘进工作面50 m 后，呼尘浓度基本为零，此时全尘浓度同样很低。

另外从图中能够看出，粉尘浓度最大值的位置并非出现在掘进工作面尘源点附近，综掘工作面风流下方10 m 范围内的粉尘浓度为掘进工作面的最大值，当距离综掘工作面的距离大于10 m 时，粉尘浓度开始大幅降低。出现这种现象的主要原因为掘进工作面中的风流会对掘进作业产生的粉尘起到一定的推动作业，进而导致尘源点产生的粉尘会在风流的作用下滑移一段距离后才会沉降，进而出现了尘源点附近的粉尘浓度并非掘进巷道内粉尘浓度最大值的现象。

3 高压喷雾降尘技术

3.1 降尘方案

基于9-2052 巷掘进工作面的地质条件，结合上述掘进工作面粉尘分布规律，现分别设计腰部以上和腰部以下切割位置降尘方式，具体如下：

（1）腰部以上切割位置降尘方式。根据相关研究表明，在掘进工作面进行掘进作业时，掘进作业产生的粉尘量占到粉尘总量的70%[1-2]，进一步掘进作业时产尘又以落煤煤尘和切割头运动产生的煤尘为主。当喷雾压力达到10 MPa、流量40 L/min、雾化颗粒为150～200 μm 时，喷嘴的安装应主要针对落尘区，在掘进机下喷头组开启的状态下进行掘进作业，降尘率可达到70%。具体腰部以上切割位置降尘方式如图3。该种降尘主要通过喷嘴喷出的水雾颗粒，使喷雾颗粒与粉尘颗粒之间产生碰撞，进而实现对粉尘颗粒的包裹，以此捕获空气中的粉尘。

图3 腰部以上切割位置降尘方式示意图

（2）腰部以下切割位置降尘方式。掘进作业时，在掘进机腰部以下区域产尘量达到掘进工作面产尘总量的20%，且粉尘主要以扬尘为主。相关研究表明[3-4]，当喷嘴的安装角度主要针对扬尘区域、喷雾流量为15 L/min、喷雾雾化粒径为100～150 μm 时，通过开启上喷嘴达到90%的降尘率。该种降尘方式同样是利用水雾作为载体，在喷雾射程范围内，能够使得绝大多数水粒在煤壁上附着。具体该种降尘方式如图4。

图4 腰部以下切割位置降尘方式示意图

（3）高压喷嘴的选择。为防止喷嘴出现堵塞现象，根据目前现有的喷嘴类型，确定本次选择采用螺旋牙水芯喷嘴。喷嘴的雾化原理为压力—离心—二次雾化，产生的水雾形状为旋转实心圆锥形，可实现喷雾喷出的水雾分布均匀、雾细和荷电雾粒多的优点[5-6]。

（4）高压雾化泵的选择。本次喷雾系统喷雾泵采用柱塞泵，泵机压力值为12.5 MPa，标称值流量为63 L/min。

综合上述降尘技术参数，确定在掘进机上安装两套功率为4 kW 的高压降尘系统，共计布置8 个喷嘴，4 个喷嘴为一组，每套降尘系统上分别设置1 组喷嘴，喷嘴直径为1 mm。高压降尘系统采用粉尘传感器进行高压喷雾的启停作业。高压喷雾降尘系统布置示意图如图5。

图5 高压喷雾降尘系统布置示意图

3.2 效果分析

为分析高压喷雾系统实施的效果，在综掘机司机位置处设置粉尘浓度测试点，通过粉尘浓度测定仪分别测定喷雾降尘系统实施前后的全尘及呼尘浓度，根据监测结果得出如表3 的对比数据。

表3 高压喷雾降尘技术实施前后粉尘浓度对比

分析表3 可知，9-2052 巷掘进工作面未采用高压喷雾系统时，掘进工作面的全尘和呼尘的浓度均较大，在喷雾系统实施后，在综掘机司机处全尘和呼尘的平均降低率均在80%以上，降尘效果显著。

4 结论

根据9-2052 巷掘进工作面的具体地质条件，采用现场实测的方式进行掘进工作面粉尘运移规律的分析，结合粉尘运移规律分析结果进行喷雾降尘方案设计，确定喷雾系统由掘进机腰部以上和腰部以下切割位置降尘方式组成。根据测试喷雾降尘技术实施前后工作面的粉尘浓度可知，高压喷雾降尘技术实施后，掘进工作面全尘和呼尘均大幅降低，降尘效果显著。