罗 兵

（霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿，山西 霍州 031400）

引言

综采法的广泛应用满足了行业对煤炭能源的需求，但也导致了生产现场粉尘产量的急剧增加[1]。据研究，综采工作面粉尘产量占矿山总产量的60%～80%[2]。采煤工作面部分区域粉尘质量浓度超过3 000 mg/m3，远远超过国家卫生标准。

目前，煤层注水润湿技术、喷雾抑尘和通风抑尘是综采工作面防治粉尘污染的主要措施[3]。Hu 等人对瓦斯抽采钻孔注水技术进行了研究，探讨了注水量、注水速率、煤层含水率和煤尘量之间的关系。此外，Dung 等人对煤层的应用效果进行了评价，对同一煤层不同工作面注水技术进行了试验研究。然而，煤层注水技术存在钻井难度大、定向钻井难度大、注水工艺设备复杂等缺点[4]。

鉴于目前的除尘现状，考虑到经济性、实用性、易用性等因素，具有高度针对性的除尘技术已成为发展趋势[5]。因此，本文以降低粉尘浓度极高的采煤机驾驶员工作区粉尘浓度为研究重点，创新性地开发了面向综采工作面的带除尘风机的有针对性风幕降尘技术。

1 风幕除尘技术对气流运动的影响

1.1 应用除尘技术前的气流场

由图1 可以看出，进风口下游70 m 区域内气流场相对稳定，风速在1.5 m/s 左右。由于超前支架的影响，气流受到干扰，进风口转角风速超过2 m/s。随着进风角气流方向的改变，超前支护完井区下游5 m区域内气流状态混乱，风流率较高。

图1 风速数据前应用降尘技术

不推进支护区内巷道规则、宽。在煤壁和液压支架受阻的情况下，气流场能量损失逐渐增大，气流速率降低;此外，巷道的风速下降到0.5 m/s，人行道下降到0.15 m/s。回风角迎风侧50 m 区域的气流返回到采煤区，采煤区风速逐渐增大，回风角风速增大到2.6 m/s。不推进支援区总体风速呈现先减小后增大的趋势。在回风角下游40 m 区域，由于先进支架、分级装载机和破碎机的存在，气流运动受到干扰，风速变化较大，设备上方风速超过2 m/s 之后，气流场逐渐稳定，在出风口附近风速在1.6 m/s 左右有轻微波动。

1.2 应用除尘技术后的气流场

通过模拟，确定了采用除尘技术后的气流场状况，并与未采用除尘技术时的气流场状况进行了比较。从而确定了该工艺对气流场的影响。

应用抑尘技术前后综采工作面风流总体变化不大;进风口的风速也在1.5 m/s 左右，进风口转角的人行通道的风速在2 m/s 以上。如图2 所示，回风道的气流流动也基本相似。两者相差较大的区域是前进支援区。在除尘技术应用之前，采煤机附近的风速不超过1.2 m/s。然而，在该技术应用后，可以清楚地发现，两者之间形成了一个三角形的高风速区采煤机机身和巷道，风速超过2 m/s，与周围气流有较大的速度梯度差。

图2 风速数据后应用降尘技术

通过对比降尘技术应用前后采煤机附近的气流场，详细阐明了风机对综采工作面气流的影响。气流的流动状态用箭头表示，箭头的方向表示气流的流动方向，颜色表示风速。

除尘技术应用后，在风机出风口后方形成了高速气流，风速超过2 m/s。由于高速气流与周围气流之间存在较大的速度梯度差，高速气流场在流动过程中不断发生变化，其速度逐渐减小，流动横截面积逐渐增大。

2 风幕除尘技术在减少环境粉尘污染方面的有效性

2.1 综采工作面应用降尘技术前后粉尘浓度的总体变化

如图3 所示，应用除尘技术后，粉尘质量浓度在3 000 mg/m3以上的区域附近的沙尘含量大大降低，沙尘质量浓度迅速下降到1 000 mg/m3，降低了超前支护区粉尘质量浓度。驾驶员主要活动区域呼吸区粉尘质量浓度约为200 mg/m3。因此，风幕下风侧的粉尘质量浓度迅速增加到1 000 mg/m3。采煤机前辊的粉尘质量浓度仍在3 000 mg/m3以上，但高浓度区长度减小到5 m，前滚筒下风侧10 m 后的粉尘质量浓度不超过1 300 mg/m3，100 m 后降至750 mg/m3以下。回风道里的粉尘质量浓度不超过600 mg/m3。总体而言，粉尘控制技术的应用降低了综采工作面总粉尘浓度，使得井下环境得到改善。

图3 应用除尘技术前后人行道呼吸区的粉尘浓度数据

2.2 应用该技术前后超前支护区粉尘浓度的变化

通过对比两组粉尘浓度数据可知，风机将采煤机驾驶员工作区域的粉尘质量浓度降低到200 mg/m3，而原粉尘质量浓度超过2 000 mg/m3，有的地方粉尘质量浓度超过3 000 mg/m3。由此可见，粉尘控制技术显著降低了采煤机驾驶员工作区域的粉尘浓度，大大提高了环境质量。

总体而言，应用风幕降尘技术降低了综采工作面粉尘浓度，特别是采煤机驾驶员工作区域粉尘浓度明显降低，有效净化了驾驶员工作环境，在一定程度上改善了综采工作面整体工作环境。

2.3 现场测量

在模拟结果的基础上，在现场安装除尘风机，测量粉尘浓度。

为了验证技术的除尘效果，考虑尘埃在煤炭工人他们的鼻子和嘴的高度，测量点安排在人行道的呼吸带的高度推进支持区域，其他代表区域。

如图4 所示，模拟结果与实测结果产生的粉尘浓度特性非常相似，相对误差在12%以内，说明模拟结果较为准确，与现场实际情况基本一致。

图4 比较了粉尘浓度的实测值和模拟值

从下页表1 可以看出，在应用该技术之前，采煤机驾驶员工作区域巷道内粉尘质量浓度超过2 150 mg/m3。应用后，除推进支护外，各测点的治尘率均超过40%。采煤机驾驶员区粉尘控制率最高（高于90%），粉尘质量浓度小于210 mg/m3。其他测点平均治尘率为45.33%。

表1 粉尘控制技术的粉尘污染控制和防治效果

3 结论

1）应用抑尘技术前后，综采工作面(超前支护区除外)的气流场变化较小。采煤区总体风速呈现先减小后增大的特征。该技术应用后，在超前支护区形成了高速气流场，采煤机与巷道之间形成了三角形气幕。

2）本技术应用前采煤机驾驶员工作区域粉尘质量浓度超过2 100 mg/m3，采煤机前辊下风侧巷道70 m区域粉尘质量浓度不低于1 700 mg/m3。降尘技术应用后，采煤机驾驶员工作区域的粉尘质量浓度降低到200 mg/m3左右，采煤机前滚轮下风侧巷道60 m的面积粉尘质量浓度不超过1 300 mg/m3。现场测量结果与模拟结果基本一致。除超前支护外，各测点粉尘治愈率均在40%以上，采煤机驾驶员工作区域粉尘治愈率在90%以上。