兖矿综合机械化放顶煤工作面粉尘防治技术
综放工作面降尘问题是采掘工作面临的技术难题之一。在不采取任何降尘措施的情况下，每割1t煤通常要产生100－150g煤尘。采用滚筒内外喷雾、煤层提前注水等降尘措施后，每割1t煤的产尘量可降低到10－12g。20世纪80年代中期以前，综采面生产能力较低，生产能力一般不超过10t/min，向风流中排放的粉尘不超过100－120g/min，风流中粉尘的浓度一般不超过500mg/m3。80年代中期以后，综采（放）面实现高产高效，瞬时生产能力增至20－30t/min以上。90年代以来，我国迅速发展了综采放顶煤技术，该技术具有高产、高效、低耗的优点，但同时带来了产尘点多、产尘量大、粉尘污染严重的问题。因此，在综放工作面采煤机周围、放煤口及移设支架的下风侧，粉尘浓度常常高达1000－1200mg/m3以上。采煤工人长期处在这样条件下工作，极易患煤肺病，严重危害身体健康。高浓度粉尘恶化了矿井的工作条件，不仅降低了工人的生产效率，增加了发生各种工伤事故的机率，而且还潜存着发生煤尘爆炸的可能性，威胁矿井安全生产。
1、国内外防尘技术概况
1.1综放工作面粉尘产生机理
1.1.1粉尘的分类
在煤矿开拓、掘进、采煤、运输、提升等生产过程中产生的、并能较长时间悬浮于空气中的岩石和煤炭的细微颗粒统称为煤矿粉尘。煤矿粉尘主要包括岩尘和煤尘，形状不规则，颗粒大小分布范围很广。按矿尘颗粒的大小可分为：
（1）粗尘。直径大于40µm的粉尘，是一般筛分的最小直径，极易沉降。
（2）细尘。直径为10－40µm，在明亮的光线条件下肉眼可以看到，在静止空气中呈加速沉降。
（3）微尘。直径为0.25－10µm，用普通光学显徽镜可以观察到，在静止空气中呈等速沉降。
（4）超微粉尘。直径小于0.25µm，要用超显微镜才能观察到，可长时间悬浮于空气中，能随空气分子作布朗运动。
针对粉尘对人体的危害程度，又将煤矿粉尘分为呼吸性粉尘和非呼吸性粉尘以及全尘。呼吸性粉尘是指粒径在7µm以下的，可以进入人体呼吸系统和肺部，并会导致尘肺病变的那部分细徽尘粒。呼吸性粉尘对人体的健康危害最大，是粉尘防治工作的重点。粒径大于7µm的粉尘则是非呼吸性粉尘；呼吸性粉尘和非呼吸性粉尘之和就是全尘。
一般来说，为了考察各种降尘措施的实施效果，在科研和生产过程中均需测定呼吸性粉尘浓度和全尘浓度。
1.1.2综放工作面粉尘的来源
综放工作面粉尘的来源可分为：
（1）原始粉尘。在开采前因地质作用和地质变化等原因而生成的粉尘，存在于煤体和岩体的层理、节理和裂隙之中。
（2）矿压产尘。在开采过程中，由于采动影响，在矿压的作用下，煤层中伴随大量裂隙的出现而产生的粉尘。
（3）工艺产尘。煤体在破、装、运等过程中受碰撞、挤、压等作用而产生的粉尘。
（4）采煤机滚筒割煤产尘。这是由截齿的齿尖对煤体的巨大压应力而产生的粉尘。
在综放面开采过程中，对于强度较大的煤层，原生粉尘及矿压产尘较少.而工艺产尘和割煤产尘是粉尘的主要来源，尤其是采煤机割煤产尘，是粉尘的最主要来源。反之，对于松散煤层，原生粉尘及矿压产尘是主要尘源。鲍店煤矿综放面煤层强度系数ƒ＝3.5－4.7，强度较大，采煤机割煤产尘约占综放面总产尘量的60%-70%，而其他尘源产尘量仅占30%-40%。
1.1.3综放面粉尘的分布状况
在综放面，原生粉尘及矿压产尘主要是通过放顶煤及支架前移时释放的，多为粗尘，细尘以下颗粒占的比例较少，而且由于架间及放煤道风速较低，粉尘容易沉降，其影响范围一般在下风侧10-15m以内，超过此范围，80%-90%的粉尘已经沉降，因而，侧定支架放煤产尘和移架时架间产尘应在此范围内进行。
采煤机割煤产尘不仅量大，而且颗粒细.多为细尘及微尘，加之采煤机道的风速远高于架间及放煤道，因此采煤机产尘难于沉降，影响范围大。从前滚筒（即进风端滚筒）中心的前方3m处起，采煤机产尘开始影响风流，然后从前滚筒至后滚筒（下风流端的滚筒），风流中粉尘浓度逐渐加大，自后滚筒中心起至机后15m范围内，是采煤机产尘导致风流中粉尘浓度最大的区域，超出此范围，粉尘浓度逐渐下降。因此在测定采煤机产尘时，测点应设5－6个，以便全面掌握采煤机周围粉尘分布状况。
在综放面的回风巷口处，采煤机道、人行道（架间）、放煤道的风流合在一起，此处粉尘浓度代表了全工作面风流中粉尘平均浓度。如果割煤、放煤、移架3个主要工序距回风巷口较远（大于20m），则回风巷口处粉尘浓度一般较低，这是由于粉尘在随风前移中，大部分粗尘及一部分细尘逐渐沉降或附着于设备表面所致。
在综放面机道、人行道、放煤道，三者的风流并非是隔离的，因此割煤、放煤、移架三者产尘也是相互影响的。为了防止粉尘浓度益加，采煤机顺风割煤时放煤与移架距采煤机的距离应大于15m，逆风割煤时应大于20m.而移架与放煤两者应相距15m以上。
1.1.4滚筒采煤机产尘机理
（1）滚筒采煤机产尘原因
a截齿切割煤炭，也就是截齿从煤体上剥落煤炭的过程。在这个过程中.截齿与煤体接触处产生很大的接触应力（图4－3－1），使煤体内局部粉碎，随着截齿切割运动的进行，粉碎的范围扩大并被压实，即形成“密实核”，密实核体积受压缩，在它的周围产生挤压区、弹性变形区，并产生裂纹，当裂纹扩散到边界，大块煤崩落，同时密实核溢散，煤尘以一定速度溢出。在滚筒割煤的整个过程中，这个过程反复进行，煤尘连续产出。
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b在螺旋叶片运煤过程中，螺旋叶片与剥落下的煤炭相互碰撞，被粉碎成大小不等的各种碎块，这些碎块均按一定比例（比例大小与煤的性质有关），粉尘也随之按比例产生。
c螺旋叶片装煤时，叶片尾端对煤炭的抛射作用、叶片与煤炭的相互摩擦作用也将产生部分粉尘，同时煤尘随煤炭的抛出将会在空气中扬起，漂浮于空气中。
（2）影响煤尘产出量的主要因素
采煤机割煤时不产尘是不可能的，但正确处理各产尘因素，采取适当技术措施，产尘量是会减少的。
a截齿的形式、数量、几何参数和磨钝程度是主要因素。实验证明，大型镐型齿可以减少煤尘。近来研究的盘形滚刀也可减少煤尘产出率。滚筒上配置的截齿愈少，煤尘产量愈少。采用锋利的截齿割煤时，大块剥落的煤炭增加，密实核减小，产生的煤尘就相对减少。
b螺旋滚筒参数也是影响产尘量的重要因素。首先是运动参数，即滚筒转速和牵引速度。降低滚筒转速是减少煤尘的主要措施之一。目前，中厚煤层采煤机滚筒转速大多降至40r/min以下，有的甚至不到30r/min。增大牵引速度，提高了煤的块度，也增大了采煤机的生产率，在采煤机电动机功率和运输系统能满足要求的情况下，截煤时的牵引速度目前可达10m/min左右，这就大大减少了煤尘产出比例。螺旋滚筒的结构参数对大块煤的产出比例和煤尘的产出率都有很大影响，要视矿山地质条件和煤岩性质而定。一般情况下，割脆性煤时，滚简截齿的截距可以增大，密度可以减小，从而可使产尘量减少；而对于韧性煤以及截割阻抗大的煤，滚筒上截齿排列密度必须增大，导致产尘量增加。
（3）采煤机采煤过程中产尘量与煤层的性质、煤层厚度、煤层中含水量等因素有关。
1.2国外综采面降尘技术
1.2.1文丘里管高压水吸尘技术
图4－3－2所示为德国研制的文丘里管高压水吸尘技术示意图。在滚筒螺旋叶片内加工出\”V\“形孔道，其内装上文丘里管，管内装有喷嘴，当20MPa的高压水通过喷嘴时，喷嘴喷出的水雾在文丘里管内形成负压，含尘气流被吸入，粉尘与水雾在管内快速而充分地结合、湿润，喷出管后极易沉降，达到降尘的目的。而从文丘里喷射管内喷出的水雾、空气、湿尘的混合气雾流又起到普通外喷雾的作用，达到二次降尘的目的，同时也冷却了截齿、湿润了煤岩。试验证明，文丘里管高压水雾吸尘的降尘效果优于滚筒高压水雾内喷雾的降尘效果。
1.2.2采煤机吸尘滚筒
近年来，德国和英国分别研制出了采煤机吸尘滚筒。图4－3－3为德国研制的采煤机吸尘滚筒剖面图，图4－3－4为英国研制吸尘滚筒立体图。两者原理和结构基本相同，只是德国吸尘滚筒水压高达20MPa左右，而英国为l0MPa左右。
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以英国吸尘滚简为例，工作原理如下：
在滚筒筒毂内装有若干集尘管，当来自中心管的高压水进入工作面煤壁侧喷水圈后，经若干喷嘴向集尘管喷射，将产生与之成比例的气流，在集尘管的进口从截割区吸入含有煤尘的空气。含尘空气被净化后，排放到滚筒的采空侧一端，然后借助于安装在采煤机滚筒的采空侧一端上的一块折流板，使雾、气流再返回截割区进行二次降尘。图4－3－4为一中等直径的吸尘滚筒示意图，滚筒内装有9根集尘管，管径l00mm，每秒可吸入含尘空气1－7m3，耐磨的锥形喷嘴在l0MPa压力下每分钟可喷射60L水。实验表明，70%的风流可循环使用，但有0.5m3/s的新鲜空气可以进入吸尘滚筒，以稀释瓦斯。对于直径为lm左右的滚筒，可采用较扁的矩形断面集尘管。在直径为1.5m以上的滚筒内可装16个尘管（管径为l00mm），以加大流入截割区的风流速度，以便在产生煤尘多和瓦斯涌出量大的工作面加大除尘风量。采用16根集尘管时，风流可超过3m3/s。
吸尘滚筒为产尘量高的工作面提供了一种新的解决途径。吸尘滚筒最大的优势表现在切割断层，即牵引速度低时，由于此时进入滚筒的破碎煤较少，截割区的空气阻力相对较小，从而增大了含尘空气的收集率。吸尘滚筒与普通内喷雾滚筒相比，割煤期间空气中煤尘含量可减少40%-80%（在耗水量相近的条件下），发生摩擦起火的次数也大大下降。吸尘滚筒所需高压水由装在采煤机上或布置在工作面巷道内的高压水泵提供。
1.2.3综采工作面排尘技术
传统的外喷雾逆风喷雾方式，使操作司机常处于高浓度粉尘条件下工作。对此，美国矿业局进行了大量的实验与研究，研制出了滚筒采煤机新型外喷雾净化装置。这种新型外喷雾装置的基本原理是采用顺风引射排尘的方式，将滚筒采煤机割煤时产生的高浓度含尘气流引向沿煤壁流动，阻止割煤时产生的粉尘向采煤机司机工作位置扩散，使含尘气流和新鲜风流分道运行，克服了传统外喷雾系统逆风喷雾时所产生的涡流效应。这种新型外喷雾净化装置对含尘气流的控制和净化如图4－3－5所示。它比逆风喷雾方式在操作司机位置的粉尘浓度低50%左右，在美国已广泛推广使用。
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滚筒采煤机新型外喷雾净化装置主要有引射分流部分、抑制含尘气流并净化部分和跟踪净化部分组成，各部分的结构、名称及作用分述如下。
（1）引射分流部分。包括分流臂及臂上安装的1－5号喷嘴及采煤机上安装的6－9号喷嘴。通过引射风流的作用，把工作面的风流分成沿煤壁和人行道两部分，沿煤壁风流捕集并携带采煤机滚筒割煤时产生的粉尘，使其沿煤壁运动，在外喷雾水的作用下将部分粉尘沉降下来，并使输送机内的煤表面得到湿润。
（2）抑制含尘气流并净化部分。包括采煤机箱体上安装的10－12号喷嘴，通过此部分的作用，进一步控制含尘气流继续沿煤壁流动，抑制其向人行道扩散，加强对含尘气流的净化并对煤壁进行湿润，阻止吸附于煤壁上的粉尘重新飞扬。
（3）跟踪净化部分。包括采煤机后端面上安装的13、14号2个喷嘴。通过此部分的作用，对沿煤壁携带粉尘的风流进一步进行净化，包括对由机体下面空间流过的含尘气流的净化，控制采煤机回风侧滚筒割煤时产生粉尘的飞扬，并对运输的煤炭进行喷雾，阻止运输过程中二次尘源的产生。
美国煤矿井下长壁综采面采用多巷布置，即上、下顺槽至少各布置3条，因此可设专门排尘巷道，其内既无人也无设备，尽管粉尘并未降下来，但对人员无危害，对矿井不构成威胁。在工作面内，为了配合排尘技术，采煤机采用单向顺风割煤，使跟机作业人员均处在新鲜风流中工作。
1.2.4喷吸结合降尘技术
喷吸结合降尘法是20世纪80年代前苏联国家煤矿机械设计院与马凯耶夫煤矿技术安全研究所提出的。喷吸结合降尘法的基本原理如图4－3－6所示。在采煤机3上的2个螺旋滚简（1和5）之间安设了数组喷嘴40在采煤机的侧面固定有护板2，护板2从采煤机上表面伸向顶板。前滚筒1通过之后，由工作面煤壁、滚筒新割出的煤台上表面以及护板2围成一个通道。此时喷嘴4向图示方向喷射水雾，上述通道内的含尘空气被喷吸器吸入，粉尘被湿润后部分沉淀下来，粉尘与空气的混合物由喷吸器管道向采煤机的后滚简5喷去，因此又将后滚筒产生的煤尘降下。采煤机反向截煤时，喷吸器反向喷射。经分析并由试验证明，当采煤机顺着风流方向牵引截煤时，喷吸器的降尘效果比在逆风流方向牵引截煤时差。但在这种情况下，采煤机司机和移架工人是在新鲜风流处工作。喷吸结合降尘装置能将综采面风流中含尘量降低70％一80％。
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为保证对含尘空气的抽吸效果，在工作面风速为4m/s的条件下，喷吸器的吸风量应为100m3/min。喷吸器的实际给风量与喷嘴数量、喷嘴型号以及水压有关。当水压为1.6－2.8MPa，耗水量为27－55L/min时，采用1－2个圆锥型喷嘴（喷嘴直径为2.2－5mm）就可以保证100m3/min以上供风量。
1.3国内综放面常用降尘方法
1.3.1降尘措施分类
按照国内综放面粉尘防治技术机理的不同，大体可将综放面防尘技术措施分为减尘、降尘、排尘、除尘和个体防护（阻尘）措施5类。
（1）减尘措施：a煤层注水；b采空区及巷道灌水；c选择适宜的放煤方法和放煤参数，改进放煤工艺；d改进采煤机切割机构及选择合理截割参数。
（2）降尘措施：a采煤机内外喷雾；b架间及放煤口自动喷雾；c运输设备转载点及装载点喷雾洒水；d防尘用水中添加湿润剂；e喷雾泡沫降尘；f喷雾水幕净化风流。
（3）排尘措施：a综放面采用W型、E型通风系统或U型顺流（下行）通风系统，选择最佳排尘风速；b隔尘措施，例如采煤机安设纵向隔尘帘幕、回风巷切口风帘、破碎机密封罩等。
（4）除尘措施：包括干式捕尘器、湿式除尘器、过滤式除尘器等。
（5）个体防护：如工人戴防尘口罩、防尘面罩、防尘矿帽等。
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