煤矿综掘工作面与综放工作面的除尘进展
摘要:
随着高产高效矿井的发展，矿井粉尘的产生量也越来越大，其中综合机械化掘进工作面和综放工作面是煤矿产尘量最多的尘源。本文主要介绍了适用于掘进工作面的新型风幕集尘系统和综放工作面的喷雾除尘技术。
关键词:
煤尘；掘进工作面；综放工作面；新型风幕集尘系统；喷雾除尘
1 煤矿粉尘的特性危害
煤矿采掘作业中会产生很多的微小煤尘和岩屑微尘，两者构成了煤矿井下粉尘的主要成分。通常说来其特性和危害有：
a . 气中漂浮的过程中，外表包围有一圈空气膜，这样会阻碍粉尘之间或者粉
和空气中微小水滴之间的相关作用，会使原本的沉降过程难以进行。
b. 随着粉尘分散度的增加，吸附在其表面的氧分子会逐渐增多，氧化过程加快。
c. 岩屑微尘中的二氧化硅，由于具有较大的比表面积，因此很容易沉入煤矿工人的肺泡中，产生尘肺病。
d. 刚刚产生粉尘较之已经进入到通风系统的粉尘带有更多的电量，可能引起粉尘在作业场所的爆炸或者燃烧；如果粉尘浓度过高时，还会影响机械设备的运作，加速设备老化速度，影响精密仪器正常使用。
煤尘是影响煤矿安全生产的一大灾害。近年来，随着矿井开采强度和煤矿机械化程度的不断提交，煤矿井下的采煤、掘进、运输等各项生产过程中粉尘产生量也急剧增加，特别是可吸入性粉尘浓度大幅增加，其中综合机械化掘进工作面(综掘面) 和综放工作面是煤矿产尘量最多的尘源。粉尘对人的眼睛、耳、皮肤、消化系统、呼吸系统都会产生很大程度的伤害，特别是对人的呼吸系统，如果工人长期工作在粉尘含量超标的环境中，极易得尘肺病，在我国尘肺病仍是最严重的职业病，且发病周期在缩短；煤尘爆炸可以摧毁煤矿设施，引起火灾并释放大量有害气体，威胁职工生命。因此如何尽量消除煤尘、控制煤尘浓度，已成为煤矿急需解决的一大问题。
2 综掘面风幕集尘系统
2.1背景介绍
综掘面的粉尘浓度一般可高达1000~3000mg/m3，且分散度高。其中粒径
除尘措施，试验表明喷雾洒水对呼吸性粉尘的除尘效率约为30% ~50%，而采用除尘设备对呼吸性粉尘的除尘效率一般可达75% ~90%以上，但是在掘进面端头作业附近的粉尘确难以控制，除尘效果很差，严重地影响煤矿职工健康与安全。因此，研制高效、实用的除尘设备是煤矿防尘技术的主要发展方向之一。
在粉尘的治理中，最终要降低2个指标，即降低工作环境粉尘的全尘浓度与可呼吸性粉尘的浓度。而目前煤矿综掘面粉尘全尘治理很困难，对可呼吸性粉尘治理难度更大。首要问题、也是关键的问题，就是在实际治理粉尘中，工作环境的集尘效率过低。由于集尘不利，所以除尘也就达不到目的，大量粉尘在工作环境溢散，而可呼吸性粉就更严重，在我们国家的煤矿综掘面绝大多数全尘浓度都超标，而可呼性粉尘就更加严重超标。为此，经过大量的理论和实验研究，研制了适用于掘进工作面的新型风幕集尘系统。
2.2 除尘原理
所谓集尘主要是指控制空气中的飘尘及可呼吸性粉尘。正如前述，综掘产尘源从宏观上看，只是沿巷道轴线移动的点，发尘点的4周6个面的三维空间，其中只有1个面与自由空间相通，即与巷道相通，也是粉尘向巷道逸散的唯一自由面，并且这个通道口综掘机本身就占据了较大的空间或断面，所剩的自由面就更小了。所以集尘方案主要任务就是控制住这一范围的断面，控制粉尘通过，显然这一阻截断面应设在司机的前方。而这一位置一般距综掘面端头3~5 m之处。
空气幕是使空气以一定的风速从条缝风口射出而形成的隔断气幕，当出风长边与短边比10：1时，称为条缝射流。综掘面风幕集尘系统就是利用空气幕将尘源与工作环境隔开。将空气幕安装于司机前方的综掘机上，这样就能够做到不影响人员的作业、通行及观察，所配套压风系统也与综掘机同步运行。当综掘机工作时，启动风幕系统，风幕射流卷吸周围空气射向周边壁面，这样该风幕即封住了自由面，通过产生合理的流场风速及合理的风量，控制粉尘不向巷道扩散。
在风幕封住尘源后，将含尘气流抽入除尘设备，配合采用长压短抽通风除尘系统完成含尘气流除尘净化过程，除尘后的净化风流由配套风机排到巷道，并保持原掘进供风系统，从而达到有效集尘除尘目的。
2.3综掘面风幕集尘系统组成
综掘面风幕集尘系统主要由压风系统组成。压风系统主要有:风幕设备(由射流腔与射流箱同体组成) ，另外有伸缩风筒、柔性接头及高压风机。
综掘面风幕集尘系统主要特点:
ａ．风幕射流设备整体设计呈三角形，U 型射流腔与射流箱构成一体，所占据的空间可达最小。 ｂ．将空气幕安装于司机前方的综掘机上，便于司机观察，不影响机体的三维移动与司机操作。 ｃ．射流箱内加装导流板，可使射流缝隙保持一致的风速，不仅阻力较小，而且可以实现多级、多段调节与控制射流的方向与风速的大小。
ｄ．所配套压风系统也与综掘机同步运行，操作简单，运行方便。
2. ４风幕集尘原理——射流理论
流体从一个狭长的孔口或一条缝隙中射出，射到无限空间的静止流体中，这种射流可作为平面射流来处理，射流从窄缝射出后，在出口端面的速度分布是一致的。空气射出时，与周围空气之间存在速度不连续的间断面。间断面一般受到不可避免的干扰，失去稳定而产生漩涡。漩涡卷吸周围空气进入射流，同时不断移动、变形、分裂产生紊动，其影响逐渐向内外两侧发展，形成内外两个
自由紊动的混合层，由于动量的横向传递，卷吸进入的空气取得动量而随同原来射出的空气向前流动，原来空气失去动量而降低速度，在混合层中形成一定的速度梯度，出现剪应力。射流以一定的初速度均匀从喷口射出，由于卷吸与周围空气参合，在离开喷口一段距离后，保持出口速度的射流核心区就消失了，周围空气不断被卷吸进射流范围内，射流的边界和断面不断扩大，随着射流的流量沿射程的不断增加，射流速度不断减小。射流与周围流体的掺混自边缘透渐向中心发展。经过一定距离发展到射流中心，自此以后射流的全断面上都发展成紊流，由孔口边界开始向外扩展的参混区称为剪切层或混合层，其中心部分未受参混的影响，仍保持出口流速的区域称为射流的势流核。可把射流分成两段，初始段和主体段，从射流出口至射流核末端的距离称为射流的初始段。紊流充分发展以后的射流称为射流的主体段，由于射流的纵向远大于横向尺度，可应用边界层理论分析。
风幕射流设备整体设计呈三角形是可行的，U 型射流腔与射流箱构成一体，所占具的空间可达最小。射流箱内加装导流板是必要的，可使射流缝隙保持一致的风速，该设计高度较小，占据空间较小，可保证设备通风断面较宽，实现了多段多级调节功能。通过地面工业试验，从用最小能量损失，获得较大的射流速度等方面考虑，风幕集尘系统的出口缝隙宽度在10~15 mm，效果较好。通过实验风幕射流出口风速达18 m/s以上，对于4 m高的巷道，到达顶板风速迅速衰减后仍能达到3 m/s以上，这个速度基本上可阻挡空中飘溢的粉尘。
3 综放工作面粉尘防治新技术及应用
３. １背景介绍
目前国内外煤矿广泛采用的除尘技术主要有煤层注水、喷雾除尘、通风除尘等。煤层注水是综放工作面最重要的除尘措施，回采前预先在煤层中打若干钻孔，通过钻孔注入压力水，使其渗入煤体内部，增加煤的水分和尘粒间的黏着力，使之失去飞扬能力。该除尘技术的缺点是设备复杂、耗水量大、工程量大、投入大、存在封孔工艺及注水方法和设备上的难题，除尘效率低。喷除尘通过喷雾器实现，将水雾化成微细水滴喷射于空气中，与浮尘碰撞接触，尘粒被水捕捉而附于水滴上或者湿润的尘粒互相凝集成大颗粒，从而加速其沉降，使之尽快变为落尘。喷雾除尘因具有设备简单、造价低、维修少、管理工作量小而成为主要的除尘措施。通风除尘是利用风流稀释和排出作业点悬浮粉尘、防止其过量积聚的有效除尘措施，但该方法除尘效率低，易造成二次污染。
综放工作面除尘需根据粉尘产生机理及分布规律采取相应的除尘设备及措施。由于综放工作面的工作特点是空间狭窄、环境恶劣和不停移动，故选择喷雾方式来沉降粉尘是最简单易行的方法，也是目前主要的防尘措施。
3. ２喷雾除尘机理
粉尘在流体中随空气流线运动，同时由于受到空气分子的碰撞作用和自身的重力作用作不规则的布朗运动。水雾粒径越小，在空气中的分布越均匀，除尘率越高。喷雾除尘通过喷雾器实现，将水雾化成微细水滴喷射于空气中，与浮尘碰撞接触，尘粒被水捕捉而附于水滴上或者湿润的尘粒互相凝集成大颗粒，从而加速其沉降，使之尽快变为落尘。喷雾除尘因具有设备简单、造价低、维修少、管理工作量小而成为主要的除尘措施。
喷雾洒水是将压力水通过喷雾器 （又称喷嘴），一定的流量在特定的压力下，通过旋转或冲击，使水流雾化成细微的水滴喷射于空气中，它的捕尘作用有：
ａ．在雾体作用范围内，高速流动的水滴与浮尘碰撞接触后，尘粒被湿润，在重力作用下下沉；
ｂ．高速流动的雾体将其周围的含尘空气吸引到雾体内湿润下沉；
ｃ．将已沉落的尘粒湿润粘结，使之不易飞扬。
3. ３ 采煤机喷雾除尘
采煤机移动工作决定了工作面煤尘浓度分布的不均匀性。综放工作面任一位置的煤尘浓度都将随采煤机的位置变化而在时间和空间上不断变化，因此，煤尘治理难度大。目前，采煤机内外喷雾除尘系统是直接降低综放工作面产尘量的最关键装置。
采煤机的喷雾除尘系统分为内喷雾和外喷雾两种方式。采用内喷雾方式时，水由安装在截割滚筒上的喷嘴直接向截齿的切割点喷射，形成“湿式截割”；采用外喷雾方式时，水由安装在截割部的固定箱、摇臂或挡煤板上的喷嘴喷出，形成水雾覆盖尘源，从而使粉尘湿润沉降。从实施采煤机内喷雾方式的实际情况看，内喷雾常因所用水质较差、喷嘴结构抗污染性能差、喷雾水压偏低而经常失去作用，致使粉尘飞扬，同时也限制了内喷雾除尘系统的使用时限。为了更好地利用内喷雾方式，可采用由山西潞安矿业(集团) 有限责任公司武文庆设计的新型喷嘴，该喷嘴由喷嘴体、喷嘴芯和芯体压盖组成，喷嘴芯与喷嘴体间隙配合，容易取出，清洗方便，从而延长喷嘴的使用寿命，适用于恶劣工作环境。喷嘴芯是喷嘴优劣的关键部件，其形状结构设计主要考虑雾化性能及抗堵塞性能，故采用双头导流折返形状(类似于X 形状) 的旋流叶片。
外喷雾方式能够有效阻挡粉尘向采煤机司机和人行道扩散，降低粉尘浓度。传统的外喷雾方式往往采用逆风喷雾，不仅除尘效果欠佳，而且当双滚筒采煤机逆风割煤时，由于风流受到采煤机的阻碍、前滚筒高速旋转和逆风喷雾的原因，往往在采煤机前端产生强烈的涡流，致使大量的高浓度含尘气流扩散到采煤机司机作业空间，给司机和下风流作业区的人员造成严重危害。为有效利用外喷雾方式，可在机组摇臂上设置水管，安装雾化喷嘴，同时可在综放工作面增设喷雾泵，利用压风和水的共同作用，增强雾化效果，提高雾流的射程。此外，在工作面进水管路上安装管道过滤器，以避免喷嘴堵塞。
3. ４移架和放煤口喷雾除尘
支架在降柱、前移和升柱过程中产生大量的粉尘，而且由于通风断面小、风速大，使得来自采空区的矿尘量增加。移架产尘量大小受直接顶板条件的影响较大，若直接顶板破碎，则产尘量将增加。液压支架移架产尘时间极短，产尘部位主要是在液压支架前半部，由于处在工作面采场主风流中，产生的粉尘在风流作用下极易扩散。
综放工作面的平均粉尘浓度要高出综采工作面约30%，尘害相当严重。放煤口放煤产尘主要发生在放煤作业的初始阶段，产尘部位在液压支架后部刮板输送机处; 与支架前部风流相比，支架后部因受到支架零部件阻碍而变小，但在刮板输送机处有一较宽阔的连通空间，未被沉降的粉尘易随风流沿该通道向下风邻架扩散。
具有喷雾系统的自移式液压支架在降架和移架过程中，移架工操作地点的空气含尘量可降低80%以上。如兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿综放工作面采用液压支架移架和放煤自动喷雾技术，取得了良好的降尘效果。未使用喷雾系统时，移架司机处煤尘浓度平均为286.7 mg/m3，喷雾时平均为54.3 mg/m3，降尘率为81.1%; 放煤时放煤口处煤尘浓度在未喷雾时平均为265.0 mg/m3，喷雾时平均为41.8 mg/m3，降尘率为84.2%。
3. ５转载点、破碎机喷雾除尘
转载机-破碎机通常是下平巷内的主要产尘点，也是综放工作面进风流被污染的主要原因。碎煤
和粉尘由各个转载点由上往下滚落，细小粉尘受空气阻力和巷道风流的作用会悬浮起来飞扬在空中，并且随风流扩散，产生局部煤尘飞扬。各个转载点落煤是不容忽视的产尘环节，尤其是输送设备均安设在进风巷道，直接影响整个工作面的风流清洁和作业人员的身体健康。
为了改善和治理转载点处的粉尘作业环境，山西潞安矿业(集团) 有限责任公司常村煤矿针N3采区，在所有工作面煤流系统的每一个转载点都安设了KPZ 型矿用自动喷雾装置。该装置由主机、电动球阀、输送机工作状态传感器(有触控传感器、转动传感器、红外探测传感器、振动传感器等供用户选择) 等组成。其工作原理:当输送机运输物料时，传感器接收物料运动信号，并将该信号传递给主机，主机处理信号令电动球阀打开，形成水幕，实现防尘灭尘。
3. ６水幕捕尘网
水幕捕尘网采用槽钢可调框架网片结构，框架固定于巷道顶、帮的锚索或金属网上，可根据巷道高度和宽度变化。飞扬的煤尘经过捕尘网时，在吸附粘连的作用下，大部分煤尘黏附于网片上。同时，在净化水幕雾流的作用下，一部分煤尘未经捕尘网就已经被雾流捕捉，一些吸附在捕尘网上的煤尘被喷雾水流冲刷落地，具有明显的捕尘效果。
此外，水幕捕尘网利用不同规格的槽钢套和贯销进行可伸缩调节; 网架可用角钢固定在槽钢框架上，根据巷道布置情况预留出管路、风筒和电缆通道，根据巷道行车类型设置出可自行关闭的行车、行人网门; 滤网片固定在角钢架上，滤网的孔径可根据巷道风量和粉尘浓度大小选择在8~20目范围内，从而保证最大限度地捕截粉尘，且不大量增加巷道风阻。山西潞安矿业(集团) 有限责任公司常村煤矿充分利用水幕捕尘网的优点，针对N3采区的实际情况，在综放工作面的运料巷距工作面30 m 处的水幕下风流处设置水幕捕尘网，距水幕50 ~100 cm。随着工作面的推进，向外移动水幕和捕尘网，降尘效率达到80%，效果显著。
常村煤矿通过采用采煤机喷雾除尘、移架和放煤口喷雾除尘、转载点和破碎机喷雾除尘、水幕捕尘网等措施，降尘效率高达80%以上，粉尘治理取得了明显的效果。喷雾除尘技术的全面实施能有效地降低粉尘浓度，改善矿工的井下作业环境，保障作业人员的身体健康和煤矿的安全生产。
参考文献：
[1] 程卫民, 刘 伟, 聂 文, 等. 煤矿采掘工作面粉尘防治技术及其发展趋势[J]. 山东科技大学学报（自然科学版）, 2010, 29(4)：77~82.
[2] 龙正文. 浅谈煤矿采掘工作中粉尘的危害和治理[J]. 城市建设理论研究, 2011(16)：190.
[3]寇砾文, 蒋曙光, 王兰云, 等. 综放工作面喷雾除尘技术及其应用[J]. 工矿自动化, 2011(1):75~78.
[4]马 恒, 刘 剑, 李 伟. 综掘面集尘除尘技术[J].煤矿安全, 2009（5）:12~14, 18.
[5]蔡 农. 掘进工作面风水喷雾除尘技术的研究与应用[J]. 能源技术与管理, 2008(1):59~61.