兗礦綜合機械化放頂煤工作麵粉塵防治技術
綜放工作麵降塵問題是采掘工作麵臨的技術難題之一。在不采取任何降塵措施的情況下，每割1t煤通常要產生100－150g煤塵。采用滾筒內外噴霧、煤層提前注水等降塵措施後，每割1t煤的產塵量可降低到10－12g。20世紀80年代中期以前，綜采麵生產能力較低，生產能力一般不超過10t/min，向風流中排放的粉塵不超過100－120g/min，風流中粉塵的濃度一般不超過500mg/m3。80年代中期以後，綜采（放）麵實現高產高效，瞬時生產能力增至20－30t/min以上。90年代以來，我國迅速發展了綜采放頂煤技術，該技術具有高產、高效、低耗的優點，但同時帶來了產塵點多、產塵量大、粉塵汙染嚴重的問題。因此，在綜放工作麵采煤機周圍、放煤口及移設支架的下風側，粉塵濃度常常高達1000－1200mg/m3以上。采煤工人長期處在這樣條件下工作，極易患煤肺病，嚴重危害身體健康。高濃度粉塵惡化了礦井的工作條件，不僅降低了工人的生產效率，增加了發生各種工傷02manbetx.com
的機率，而且還潛存著發生煤塵爆炸的可能性，威脅礦井安全生產。
1、國內外防塵技術概況
1.1綜放工作麵粉塵產生機理
1.1.1粉塵的分類
在煤礦開拓、掘進、采煤、運輸、提升等生產過程中產生的、並能較長時間懸浮於空氣中的岩石和煤炭的細微顆粒統稱為煤礦粉塵。煤礦粉塵主要包括岩塵和煤塵，形狀不規則，顆粒大小分布範圍很廣。按礦塵顆粒的大小可分為：
(1)粗塵。直徑大於40µm的粉塵，是一般篩分的最小直徑，極易沉降。
(2)細塵。直徑為10－40µm,在明亮的光線條件下肉眼可以看到，在靜止空氣中呈加速沉降。
(3)微塵。直徑為0.25－10µm，用普通光學顯徽鏡可以觀察到，在靜止空氣中呈等速沉降。
(4)超微粉塵。直徑小於0.25µm，要用超顯微鏡才能觀察到，可長時間懸浮於空氣中，能隨空氣分子作布朗運動。
針對粉塵對人體的危害程度，又將煤礦粉塵分為呼吸性粉塵和非呼吸性粉塵以及全塵。呼吸性粉塵是指粒徑在7µm以下的，可以進入人體呼吸係統和肺部，並會導致塵肺病變的那部分細徽塵粒。呼吸性粉塵對人體的健康危害最大，是粉塵防治工作的重點。粒徑大於7µm的粉塵則是非呼吸性粉塵；呼吸性粉塵和非呼吸性粉塵之和就是全塵。
一般來說，為了考察各種降塵措施的實施效果，在科研和生產過程中均需測定呼吸性粉塵濃度和全塵濃度。
1.1.2綜放工作麵粉塵的來源
綜放工作麵粉塵的來源可分為：
(1)原始粉塵。在開采前因地質作用和地質變化等原因而生成的粉塵，存在於煤體和岩體的層理、節理和裂隙之中。
(2)礦壓產塵。在開采過程中，由於采動影響，在礦壓的作用下，煤層中伴隨大量裂隙的出現而產生的粉塵。
(3)工藝產塵。煤體在破、裝、運等過程中受碰撞、擠、壓等作用而產生的粉塵。
(4)采煤機滾筒割煤產塵。這是由截齒的齒尖對煤體的巨大壓應力而產生的粉塵。
在綜放麵開采過程中，對於強度較大的煤層，原生粉塵及礦壓產塵較少．而工藝產塵和割煤產塵是粉塵的主要來源，尤其是采煤機割煤產塵，是粉塵的最主要來源。反之，對於鬆散煤層，原生粉塵及礦壓產塵是主要塵源。鮑店煤礦綜放麵煤層強度係數ƒ＝3.5－4.7，強度較大，采煤機割煤產塵約占綜放麵總產塵量的60%-70%，而其他塵源產塵量僅占30%-40%。
1.1.3綜放麵粉塵的分布狀況
在綜放麵，原生粉塵及礦壓產塵主要是通過放頂煤及支架前移時釋放的，多為粗塵，細塵以下顆粒占的比例較少，而且由於架間及放煤道風速較低，粉塵容易沉降，其影響範圍一般在下風側10-15m以內，超過此範圍，80%-90%的粉塵已經沉降，因而，側定支架放煤產塵和移架時架間產塵應在此範圍內進行。
采煤機割煤產塵不僅量大，而且顆粒細．多為細塵及微塵，加之采煤機道的風速遠高於架間及放煤道，因此采煤機產塵難於沉降，影響範圍大。從前滾筒（即進風端滾筒）中心的前方3m處起，采煤機產塵開始影響風流，然後從前滾筒至後滾筒（下風流端的滾筒），風流中粉塵濃度逐漸加大，自後滾筒中心起至機後15m範圍內，是采煤機產塵導致風流中粉塵濃度最大的區域，超出此範圍，粉塵濃度逐漸下降。因此在測定采煤機產塵時，測點應設5－6個，以便全麵掌握采煤機周圍粉塵分布狀況。
在綜放麵的回風巷口處，采煤機道、人行道（架間）、放煤道的風流合在一起，此處粉塵濃度代表了全工作麵風流中粉塵平均濃度。如果割煤、放煤、移架3個主要工序距回風巷口較遠（大於20m），則回風巷口處粉塵濃度一般較低，這是由於粉塵在隨風前移中，大部分粗塵及一部分細塵逐漸沉降或附著於設備表麵所致。
在綜放麵機道、人行道、放煤道，三者的風流並非是隔離的，因此割煤、放煤、移架三者產塵也是相互影響的。為了防止粉塵濃度益加，采煤機順風割煤時放煤與移架距采煤機的距離應大於15m，逆風割煤時應大於20m．而移架與放煤兩者應相距15m以上。
1.1.4滾筒采煤機產塵機理
(1)滾筒采煤機產塵原因
a截齒切割煤炭，也就是截齒從煤體上剝落煤炭的過程。在這個過程中．截齒與煤體接觸處產生很大的接觸應力（圖4－3－1)，使煤體內局部粉碎，隨著截齒切割運動的進行，粉碎的範圍擴大並被壓實，即形成“密實核”，密實核體積受壓縮，在它的周圍產生擠壓區、彈性變形區，並產生裂紋，當裂紋擴散到邊界，大塊煤崩落，同時密實核溢散，煤塵以一定速度溢出。在滾筒割煤的整個過程中，這個過程反複進行，煤塵連續產出。
b在螺旋葉片運煤過程中，螺旋葉片與剝落下的煤炭相互碰撞，被粉碎成大小不等的各種碎塊，這些碎塊均按一定比例（比例大小與煤的性質有關），粉塵也隨之按比例產生。
c螺旋葉片裝煤時，葉片尾端對煤炭的拋射作用、葉片與煤炭的相互摩擦作用也將產生部分粉塵，同時煤塵隨煤炭的拋出將會在空氣中揚起，漂浮於空氣中。
(2)影響煤塵產出量的主要因素
采煤機割煤時不產塵是不可能的，但正確處理各產塵因素，采取適當技術措施，產塵量是會減少的。
a截齒的形式、數量、幾何參數和磨鈍程度是主要因素。實驗證明，大型鎬型齒可以減少煤塵。近來研究的盤形滾刀也可減少煤塵產出率。滾筒上配置的截齒愈少，煤塵產量愈少。采用鋒利的截齒割煤時，大塊剝落的煤炭增加，密實核減小，產生的煤塵就相對減少。
b螺旋滾筒參數也是影響產塵量的重要因素。首先是運動參數，即滾筒轉速和牽引速度。降低滾筒轉速是減少煤塵的主要措施之一。目前，中厚煤層采煤機滾筒轉速大多降至40r/min以下，有的甚至不到30r/min.增大牽引速度，提高了煤的塊度，也增大了采煤機的生產率，在采煤機電動機功率和運輸係統能滿足要求的情況下，截煤時的牽引速度目前可達10m/min左右，這就大大減少了煤塵產出比例。螺旋滾筒的結構參數對大塊煤的產出比例和煤塵的產出率都有很大影響，要視礦山地質條件和煤岩性質而定。一般情況下，割脆性煤時，滾簡截齒的截距可以增大，密度可以減小，從而可使產塵量減少；而對於韌性煤以及截割阻抗大的煤，滾筒上截齒排列密度必須增大，導致產塵量增加。
(3)采煤機采煤過程中產塵量與煤層的性質、煤層厚度、煤層中含水量等因素有關。
1.2國外綜采麵降塵技術
1.2.1文丘裏管高壓水吸塵技術
圖4－3－2所示為德國研製的文丘裏管高壓水吸塵技術示意圖。在滾筒螺旋葉片內加工出"V"形孔道，其內裝上文丘裏管，管內裝有噴嘴，當20MPa的高壓水通過噴嘴時，噴嘴噴出的水霧在文丘裏管內形成負壓，含塵氣流被吸入，粉塵與水霧在管內快速而充分地結合、濕潤，噴出管後極易沉降，達到降塵的目的。而從文丘裏噴射管內噴出的水霧、空氣、濕塵的混合氣霧流又起到普通外噴霧的作用，達到二次降塵的目的，同時也冷卻了截齒、濕潤了煤岩。試驗證明，文丘裏管高壓水霧吸塵的降塵效果優於滾筒高壓水霧內噴霧的降塵效果。
1.2.2采煤機吸塵滾筒
近年來，德國和英國分別研製出了采煤機吸塵滾筒。圖4－3－3為德國研製的采煤機吸塵滾筒剖麵圖，圖4－3－4為英國研製吸塵滾筒立體圖。兩者原理和結構基本相同，隻是德國吸塵滾筒水壓高達20MPa左右，而英國為l0MPa左右。
以英國吸塵滾簡為例，工作原理如下：
在滾筒筒轂內裝有若幹集塵管，當來自中心管的高壓水進入工作麵煤壁側噴水圈後，經若幹噴嘴向集塵管噴射，將產生與之成比例的氣流，在集塵管的進口從截割區吸入含有煤塵的空氣。含塵空氣被淨化後，排放到滾筒的采空側一端，然後借助於安裝在采煤機滾筒的采空側一端上的一塊折流板，使霧、氣流再返回截割區進行二次降塵。圖4－3－4為一中等直徑的吸塵滾筒示意圖，滾筒內裝有9根集塵管，管徑l00mm，每秒可吸入含塵空氣1－7m3，耐磨的錐形噴嘴在l0MPa壓力下每分鍾可噴射60L水。實驗表明，70%的風流可循環使用，但有0.5m3／s的新鮮空氣可以進入吸塵滾筒，以稀釋瓦斯。對於直徑為lm左右的滾筒，可采用較扁的矩形斷麵集塵管。在直徑為1.5m以上的滾筒內可裝16個塵管（管徑為l00mm），以加大流入截割區的風流速度，以便在產生煤塵多和瓦斯湧出量大的工作麵加大除塵風量。采用16根集塵管時，風流可超過3m3／s。
吸塵滾筒為產塵量高的工作麵提供了一種新的解決途徑。吸塵滾筒最大的優勢表現在切割斷層，即牽引速度低時，由於此時進入滾筒的破碎煤較少，截割區的空氣阻力相對較小，從而增大了含塵空氣的收集率。吸塵滾筒與普通內噴霧滾筒相比，割煤期間空氣中煤塵含量可減少40%-80%（在耗水量相近的條件下），發生摩擦起火的次數也大大下降。吸塵滾筒所需高壓水由裝在采煤機上或布置在工作麵巷道內的高壓水泵提供。
1.2.3綜采工作麵排塵技術
傳統的外噴霧逆風噴霧方式，使操作司機常處於高濃度粉塵條件下工作。對此，美國礦業局進行了大量的實驗與研究，研製出了滾筒采煤機新型外噴霧淨化裝置。這種新型外噴霧裝置的基本原理是采用順風引射排塵的方式，將滾筒采煤機割煤時產生的高濃度含塵氣流引向沿煤壁流動，阻止割煤時產生的粉塵向采煤機司機工作位置擴散，使含塵氣流和新鮮風流分道運行，克服了傳統外噴霧係統逆風噴霧時所產生的渦流效應。這種新型外噴霧淨化裝置對含塵氣流的控製和淨化如圖4－3－5所示。它比逆風噴霧方式在操作司機位置的粉塵濃度低50%左右，在美國已廣泛推廣使用。
滾筒采煤機新型外噴霧淨化裝置主要有引射分流部分、抑製含塵氣流並淨化部分和跟蹤淨化部分組成，各部分的結構、名稱及作用分述如下。
（1）引射分流部分。包括分流臂及臂上安裝的1－5號噴嘴及采煤機上安裝的6－9號噴嘴。通過引射風流的作用，把工作麵的風流分成沿煤壁和人行道兩部分，沿煤壁風流捕集並攜帶采煤機滾筒割煤時產生的粉塵，使其沿煤壁運動，在外噴霧水的作用下將部分粉塵沉降下來，並使輸送機內的煤表麵得到濕潤。
（2）抑製含塵氣流並淨化部分。包括采煤機箱體上安裝的10－12號噴嘴，通過此部分的作用，進一步控製含塵氣流繼續沿煤壁流動，抑製其向人行道擴散，加強對含塵氣流的淨化並對煤壁進行濕潤，阻止吸附於煤壁上的粉塵重新飛揚。
（3）跟蹤淨化部分。包括采煤機後端麵上安裝的13、14號2個噴嘴。通過此部分的作用，對沿煤壁攜帶粉塵的風流進一步進行淨化，包括對由機體下麵空間流過的含塵氣流的淨化，控製采煤機回風側滾筒割煤時產生粉塵的飛揚，並對運輸的煤炭進行噴霧，阻止運輸過程中二次塵源的產生。
美國煤礦井下長壁綜采麵采用多巷布置，即上、下順槽至少各布置3條，因此可設專門排塵巷道，其內既無人也無設備，盡管粉塵並未降下來，但對人員無危害，對礦井不構成威脅。在工作麵內，為了配合排塵技術，采煤機采用單向順風割煤，使跟機作業人員均處在新鮮風流中工作。
1.2.4噴吸結合降塵技術
噴吸結合降塵法是20世紀80年代前蘇聯國家煤礦機械設計院與馬凱耶夫煤礦技術安全研究所提出的。噴吸結合降塵法的基本原理如圖4－3－6所示。在采煤機3上的2個螺旋滾簡（1和5)之間安設了數組噴嘴40在采煤機的側麵固定有護板2,護板2從采煤機上表麵伸向頂板。前滾筒1通過之後，由工作麵煤壁、滾筒新割出的煤台上表麵以及護板2圍成一個通道。此時噴嘴4向圖示方向噴射水霧，上述通道內的含塵空氣被噴吸器吸入，粉塵被濕潤後部分沉澱下來，粉塵與空氣的混合物由噴吸器管道向采煤機的後滾簡5噴去，因此又將後滾筒產生的煤塵降下。采煤機反向截煤時，噴吸器反向噴射。經03manbetx
並由試驗證明，當采煤機順著風流方向牽引截煤時，噴吸器的降塵效果比在逆風流方向牽引截煤時差。但在這種情況下，采煤機司機和移架工人是在新鮮風流處工作。噴吸結合降塵裝置能將綜采麵風流中含塵量降低70％一80％。
為保證對含塵空氣的抽吸效果，在工作麵風速為4m/s的條件下，噴吸器的吸風量應為100m3/min。噴吸器的實際給風量與噴嘴數量、噴嘴型號以及水壓有關。當水壓為1.6－2.8MPa,耗水量為27－55L/min時，采用1－2個圓錐型噴嘴（噴嘴直徑為2.2－5mm)就可以保證100m3／min以上供風量。
1.3國內綜放麵常用降塵方法
1.3.1降塵措施分類
按照國內綜放麵粉塵防治技術機理的不同，大體可將綜放麵防塵技術措施分為減塵、降塵、排塵、除塵和個體防護（阻塵）措施5類。
(1)減塵措施：a煤層注水；b采空區及巷道灌水；c選擇適宜的放煤方法和放煤參數，改進放煤工藝；d改進采煤機切割機構及選擇合理截割參數。
(2)降塵措施：a采煤機內外噴霧；b架間及放煤口自動噴霧；c運輸設備轉載點及裝載點噴霧灑水；d防塵用水中添加濕潤劑；e噴霧泡沫降塵；f噴霧水幕淨化風流。
(3)排塵措施：a綜放麵采用W型、E型通風係統或U型順流（下行）通風係統，選擇最佳排塵風速；b隔塵措施，例如采煤機安設縱向隔塵簾幕、回風巷切口風簾、破碎機密封罩等。
(4)除塵措施：包括幹式捕塵器、濕式除塵器、過濾式除塵器等。
(5)個體防護：如工人戴防塵口罩、防塵麵罩、防塵礦帽等。
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