大采高综采工作面降尘技术研究与应用_张欢.pdf

1102023 年第 5 期收稿日期 2022-11-07作者简介 张欢（1984），男，山西太原人，2013 年毕业于辽宁工程技术大学土木工程系煤矿建设专业，采煤助理工程师，现从事井下工资定额工作。大采高综采工作面降尘技术研究与应用 张 欢（山西焦煤西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 古交 030205）摘 要 为解决大采高综采工作面粉尘浓度高问题，结合现场实际情况从降尘方法、降尘用水（加入除尘剂）等方面提出综合降尘技术方案。采煤工作面液压支架安装跟机降尘装置、采煤机增设高压引射降尘装置并在喷雾用水中增加 C&C-1 除尘剂，提高降尘效果。现场应用后，各测点全尘、呼吸性粉尘浓度降幅均分别超过 69.7%、80.5%，人行横道内全尘、呼吸性粉尘浓度分别在 123 mg/m3、36 mg/m3以内，粉尘治理效果明显。关键词 厚煤层；大采高工作面；粉尘治理；喷雾降尘中图分类号 TD714+.4 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.036Research and Application of Dust Reduction Technology in Fully Mechanized Mining Face with Large Mining HeightZhang Huan(Malan Mine of Shanxi Coking Coal Xishan Coal Electricity Co.,Ltd.,Shanxi Gujiao 030205)Abstract:In order to solve the problem of high dust concentration in large mining height fully mechanized mining face,a comprehensive dust reduction technology scheme is proposed based on the on-site actual situation,including dust reduction method and water used for dust reduction(with the addition of dust removal agents).The hydraulic support of the coal mining working face is installed with a machine following dust reduction device,the coal mining machine is added with a high-pressure jet dust reduction device,and C&C-1 dust removal agent is added in the spray water to improve the dust reduction effect.After on-site application,the concentrations of total dust and respiratory dust at each measuring point decreased by more than 69.7%and 80.5%,respectively.The concentrations of total dust and respiratory dust in the pedestrian crossing were within 123 mg/m3 and 36 mg/m3,respectively,indicating significant dust control effects.Key words:thick coal seam;large mining height working face;dust administer;spray dust reduction张 欢：大采高综采工作面降尘技术研究与应用 张 欢：大采高综采工作面降尘技术研究与应用 大采高综采工作面具有作业空间大、产尘量高及开采强度大等特点，单一的降尘技术难以实现粉尘高效治理。针对马兰矿 28309 采煤工作面采用大采高综采工艺，研究分析工作面粉尘产生特点，提出综合降尘技术方案，进一步改善现场作业环境。1 工程概况28309大采高综采工作面位于北三下组煤采区，两巷开口于北三下组煤轨道下山，工作面皮带巷走向长 740 m，轨道巷长 713 m，切眼长 197 m。两巷均开口于北三下组煤轨道下山，轨道巷西北侧间隔 20.5 m 为 28307 采空区，皮带巷东南侧间隔 18.5 m 为 28311 采空区。28309 大采高综采工作面采用“U”型通风系统，使用的主要综采设备包括有MG500/1140-GWD 采煤机、SGZ-900/1050 刮板输送机、ZY8000-25/50D 液压支架等。28309 大采高综采工作面所采煤层为石炭系太原组 8 号煤层，属近水平至缓倾斜稳定可采厚煤层，煤厚均值4.22 m，煤层结构简单，含1层稳定夹矸（厚度 0.040.15 m），煤层普氏硬度 2.1。8 号煤层顶板以泥灰岩、砂岩、粉砂岩及粉砂质泥岩为主。2 采煤工艺及粉尘扩散特点 2.1 采煤工艺一般综采工作面仅在逆风时割顶煤、顺风时扫底煤，往返一次割 1 刀。28309 大采高综采工作面1112023 年第 5 期张 欢：大采高综采工作面降尘技术研究与应用 张 欢：大采高综采工作面降尘技术研究与应用 采用 MG500/1140-GWD 采煤机，具体割煤工艺为：双滚筒采煤机割煤、装煤可弯曲刮板运输机、转载机、可伸缩胶带运输机联合运煤液压支架支护顶板推移运输机采空区顶板垮落；端头斜切进刀双向割煤，往返一次进两刀（两个循环），单循环进尺0.8 m，采煤机在割煤过程中，跟顶跟底回采；采用本架操作、追机移架方式拉架，拉架以滞后采煤机后滚筒 35 个架为准，拉移步距为 0.8 m，支架要接顶严实，初撑压力不小于 24 MPa。具体采煤工作面采煤机割煤示意图如图 1。（a）顺风流割煤（b）逆风流割煤图 1 采面采煤机割煤示意图2.2 粉尘扩散特点 为掌握 28309 大采高综采工作面回采期间粉尘扩散规律，在人行道一侧布置测点对粉尘（呼吸性粉尘、全尘）浓度进行测试，具体测点布置如图 2。为获取较为精准的测试数据，整个测试分 2 个阶段：1）首先暂停采煤机割煤，仅进行降柱移架操作，同时安排多人测定工作区粉尘浓度；2）暂停支架移架，安排多人同时测量采煤机顺风、逆风割煤时工作区粉尘浓度。由于呼吸性粉尘对人体伤害较为明显，为此重点描述呼吸性粉尘分布情况。采煤工作面呼吸性粉尘浓度测量结果如图 3。图 2 测点布置示意图（m）从图 3 中看出：1）液压支架降架移架为单一产尘源时，在降架移架产尘点下风侧 5 m 位置处呼吸性粉尘浓度最高，最大为 90.37 mg/m3。随着与产尘点距离增加，呼吸性粉尘浓度呈不断降低趋势，产尘点下风侧 40 m 位置呼吸性粉尘浓度降至 20 mg/m3，随风流进入到回风巷内。2）顺风割煤时，采煤机割煤为唯一粉尘源时人行横道位置呼吸性粉尘浓度最高为 116.8 mg/m3，与机尾相距 10 m 位置采煤机割煤与液压支架降柱移架共同作业时呼吸性粉尘浓度最高，具体为 203.8 mg/m3；逆风割煤时，采煤机割煤为唯一粉尘源时人行横道位置呼吸性粉尘浓度最高为 71.5 mg/m3，在采煤机中部位置采煤机割煤与液压支架降柱移架共同作业时呼吸性粉尘浓度最高，具体为 118.3 mg/m3。3）采面顺风、逆风割煤时呼吸性粉尘浓度最高分别为 203.8 mg/m3、116.8 mg/m3，降柱移柱引起的呼吸性粉尘浓度为 90.37 mg/m3，占比分别为44.34%、76.4%。（a）顺风割煤 （b）逆风割煤图 3 采面呼吸性粉尘浓度测量结果3 采煤工作面综合降尘技术28309 大采高综采工作面回采期间主要产尘点为采煤机割煤、液压支架降柱移架，采用注水方式增加煤层含水率可从根本上降低采面粉尘产生量，但是需安排专人施工钻孔、注水，存在注水工程量大的问题。同时，由于煤层厚度较大，低压注水效果不佳，高压注水时又容易导致顶板破碎，给后续顶板管理带来不利影响。由于 28309 大采高综采工作面直接顶为承载能力较差的泥灰岩，为确保顶板稳定，采用低压方式进行注水，但是注水效果不佳。为实现采面高效降尘，研究提出在原有注水降尘措施基础上，综合使用液压支架跟机降尘+采煤1122023 年第 5 期机高压引射降尘进行喷雾降尘，通过除尘剂水力自动添加装置 CR-2 在喷雾水中增加 C&C-1 除尘剂，提高喷雾降尘效果。具体除尘剂水力自动添加装置CR-2 技术参数见表 1，除尘剂技术规格见表 2。表 1 除尘剂水力自动添加装置 CR-2 技术参数制剂容量/L压力/MPa外观尺寸/mm整机质量/kg动力源3040 3.8540560950 108水力驱动表 2 除尘剂技术规格外观无色半粘稠液体密度/（kg/m3）稍高于 1000可燃性无环境亲和性生态制剂、可完全降解、无毒最佳添加比例/%0.020.1pH 值783.1 液压支架跟机降尘液压支架跟机降尘是通过液压支架向下喷雾，从而形成覆盖采煤机割煤滚筒的水幕，降低采煤机割煤期间以及液压支架降架移柱期间粉尘产生量。具体采用的喷雾除尘装置结构如图 4，设备包括有高压水源、主控制箱、红外接收器、红外发射器、通信电缆、高压水管等。图 4 液压支架跟机降尘装置结构（m）红外发射装置随采煤机布置、红外接收装置则布置在液压支架上，当红外接收装置接收到信号后将信号传输给主控制器，主控制器通过控制电磁阀实现自动跟机喷雾。在液压支架降柱移动时，则通过手动方式开启下风侧邻近的 23 架液压支架上喷雾系统，从而减少降柱移架期间粉尘外溢量。3.2 采煤机高压引射降尘在采煤机上增设高压引射除尘器，主要组成包括有引射装置、保护箱、高压喷嘴以及管路系统等，具体结构如图 5。将高压引射除尘器采用 4 个 M24螺栓分别固定到采煤机前、后摇臂上，增设的高压引射除尘器不会给采煤机正常割煤带来影响；管路系统则通过电缆夹连接至采煤机上，实现不间断供水。图 5 煤机高压引射降尘装置结构示意图高压水经高压喷嘴喷射出后，除尘器内形成负压区，含尘气流会进入到除尘器内进行处理并随高压水喷射出；高压水形成的喷雾射流会在采煤机割煤滚筒周边形成均匀水幕，与采煤机机载喷雾系统相互配合减少粉尘外溢量。3.3 综合降尘效果分析在 28309 大采高综采工作面进风巷、回风巷内均布置有净化水幕，在采面内布置有架间湿式捕尘网，通过在喷雾水中增加 C&C-1 除尘剂，在采面内增设液压支架跟机降尘装置以及采煤机高压引射降尘后，可进一步增加采面降尘能力。具体在 28309大采高综采工作面采煤机下风侧 15 m、移架点下风侧 15 m、30 m 位置布置 3 个测点，对综合降尘技术应用前后粉尘浓度进行测定，具体结果见表 3。从表 3 看出，采用综合降尘技术后各测点全尘、呼吸性粉尘降尘率分别超过 69.7%、80.5%，取得较为显著的粉尘治理效果。表 3 综合降尘技术应用前后粉尘浓度测定结果测点位置应用前粉尘浓度/（mg/m3）应用后粉尘浓度/（mg/m3）降尘率/%全尘呼吸性粉尘全尘呼吸性粉尘全尘呼吸性粉尘采煤机司机位置3801851153669.7 80.5 移架点下风侧 15 m4212071232570.8 87.9 移架点下风侧 30 m351153911774.1 88.9 4 结语大采高综采工作面机械化水平及开采强度等均较高，粉尘产生量较大。虽然采取采煤机机载喷雾、防尘水幕等方式降尘，但采面内粉尘浓度仍较高。采煤机在顺风割煤、逆风割煤时人行横道内呼吸性粉尘浓度最高分别为 203.8 mg/m3、116.8 mg/m3。（下转第 119 页）1192023 年第 5 期李 超：综放工作面采空区瓦斯高位钻孔抽采技术研究李 超：综放工作面采空区瓦斯高位钻孔抽采技术研究4.2 高位钻孔抽采效果分析3502 工作面高位钻孔投入使用后，记录抽采总量并计算其占瓦斯总涌出量的比例，具体结果如图5（a）。工作面瓦斯总涌出量均值为 4.95 m3/min，高位钻孔抽采瓦斯纯量为 0.384.13 m3/min，平均为 2.37 m3/min，抽采率为 8.97%79.55%，平均为47.87%。图 5（b）所示结果为上隅角瓦斯浓度随工作面回采进程的变化规律，上隅角瓦斯浓度为0.21%0.36%，瓦斯浓度始终保持在 0.5%以下，满足规范的要求。综上可知，高位钻孔布置方案抽采效果显著，为工作面的高效生产提供保障。（a）钻孔抽采量和抽采率 （b）上隅角瓦斯浓度图 5 钻孔抽采瓦斯及上隅角瓦斯浓度变化曲线5 结论1）开展 3502 工作面后方采空区钻孔窥视研究，得出冒落带高度 18 m、裂隙带发育高度 1843 m。2）通过 FLUENT 数值模拟研究，确定高位钻孔与巷道顶板垂直距离的合理范围为 2027 m，与巷道轴线水平距离的合理范围为 1525 m。3）3502 工作面采用高位钻孔抽采工艺后，平均抽采纯量 2.37 m3/min，平均抽采率 47.87%，上隅角瓦斯浓度始终保持在0.5%以下，抽采效果良好，保障了工作面的安全高效生产。【参考文献】1 陈春春，吴正海.基于顶板“三带”特征的扇形高位钻孔治理上隅角瓦斯技术 J.能源技术与管理，2022，47（02）：49-50.2 崔鹏飞，陈向军.大采高工作面采空区“三带”高度判定研究 J.煤，2022，31（03）：8-13+72.3 姚美红.综采工作面瓦斯综合治理技术应用 J.山东煤炭科技，2022，40（01）：112-115.4 杨程轲.鹿台山矿 2205 综采工作面煤层瓦斯抽采技术J.山东煤炭科技，2021，39（09）：112-114.为继续改善采面环境、降低粉尘浓度，在现有降尘技术基础上提出综合使用液压支架跟机降尘+采煤机高压引射降尘进行喷雾降尘，并通过除尘剂水力自动添加装置CR-2在喷雾水中增加C&C-1除尘剂，提高喷雾降尘效果。在 28309 大采高综采工作面现场应用后，采面全尘、呼吸性粉尘降尘率分别超过69.7%、80.5%，取得较为显著的降尘效果。【参考文献】1 穆素生.新元矿综采面产尘特性和降尘技术研究J.煤，2022，31（10）：63-65.2 付向东.圣天宝地清城矿厚煤层综放工作面降尘技术应用 J.煤，2022，31（04）：43-45.3 李新龙，王海涛.首山一矿综采面活性磁化水喷雾降尘技术研究 J.煤炭工程，2022，54（03）：95-98.4 郭奋超，李腾龙，马威，等.大采高工作面高压喷雾降尘技术研究及应用 J.矿业安全与环保，2021，48（05）：92-95.【参考文献】1 史波波，李光美.细水雾灭火系统在矿井火灾方面的应用综述 J.煤炭技术，2010，29（03）：123-125.2 程宗泽，李奔锋.分布式光纤感温报警系统在矿井火灾的监测研究 J.煤矿机电，2013（05）：45-48.3 马红伟.煤矿火灾的危害及防治措施 J.内蒙古煤炭经济，2018（14）：115-116.4 安敬鱼，牛会永，邓军，等.矿井火灾原因综合分析及防治技术 J.矿业工程研究，2015，30（03）：40-44.5 王鹏飞.矿井火灾智能消防系统集成模型研究 J.当代化工研究，2020（13）：78-79.（上接第 112 页）（上接第 115 页）