神角煤业2105工作面粉尘运移规律及降尘参数优化研究_杜玉春.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 随着煤炭行业生产规模的扩大和综合机械化程 度的提高，采煤工作面空间内的粉尘问题也日益严 重， 导致井下施工人员的工作环境进一步恶化， 严重 威胁井下工作人员的身体健康。 进行采煤工作面粉尘 分布规律和降尘措施的相关研究， 对于改善煤矿生产 环境， 净化工人们的作业环境， 减少采煤机械的磨损 有着重要的意义。本文以神角煤业 2105 综采工作面 为研究对象，具体的分析工作面煤尘的运移规律， 运 用遗传算法对架间喷雾降尘的参数进行优化， 为提高 井下降尘工作的效率提供一种新的方式方法。 1工程概况 山西乡宁焦煤集团神角煤业有限公司位于乡宁 县东北部约 33 公里处的台头镇神角村境内，矿井核 定生产能力 90 万 t/a， 井田面积 5.8551km2， 现主采 2 煤层， 煤层赋存稳定， 属优质主焦煤。 矿井采用斜井开 拓方式。矿井通风方式为中央并列式， 通风方法为机 械抽出式， 综采工作面采用 “U” 形通风方式。井下综 合防尘水源取自地面容量为 300m3、 800m3的静压水 池各一座， 以保证井下防尘、 静压供水水量要求； 在井 下采掘工作面、 转载点等处均设喷雾防尘装置， 并在 集中大巷、采掘两顺槽等巷道设置风流净化水幕； 井 下现布置一个 2105 综采工作面和 2101 运输顺槽、 2101 回风顺槽两个综掘工作面。 本文以 2105 工作面 的回采为工程背景， 对综采工作面粉尘的运移规律和 降尘技术展开研究。 2综采面粉尘特性实测研究 2.1综采面粉尘浓度测定方法及现场测定 通过查阅大量的文献资料[1]， 综合考虑现场测定 方便、 测量速度、 测量的准确度及对现场生产的干扰 等多方面因素，决定采用滤膜称重法对神角煤业 2105 综采面粉尘浓度进行测定，粉尘浓度测定仪主 要分为直读式和滤膜称重式， 考虑仪器长时间使用精 神角煤业 2105 工作面粉尘运移规律及降尘参数优化研究 杜 玉 春 （山西乡宁焦煤集团神角煤业有限公司 ，山西 临汾042103 ） 摘要 以神角煤业 2105 综采工作面为背景， 通过理论分析、 数值计算及现场实测等方法， 展开关于 综采面粉尘运移规律和架间降尘参数的优化研究， 结果表明 采煤机逆风和顺风割煤时工作面粉尘运 移规律基本一致， 距离滚筒截割部 10～15m的下风侧粉尘浓度达到最大 （即采煤机司机处 ） ， 工作面原 有降尘措施开启后， 降尘效率在移架处最高， 可达 80.9， 采用遗传算法对架间喷雾降尘参数优化后， 整体降尘率均达到了 95以上， 取得了良好的应用效果。 关键词 降尘 ； 现场实测 ； 综采工作面 ； 遗传方法 中图分类号 TD714.2文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0108- 04 Study on the Law of Dust Movement and the Optimization of Dustfall Parameters in 2105 Work of Shenjiao Coal Industry DU Yuchun shanxi xiangningcokingcoal group shenjiaocoal industryco., LTD. , linfen 042103 ，China Abstract Based on the 2105 fully mechanized mining face of Shenjiao Coal Industry, the theoretical research, numerical calculation and on- site measurement are used to carry out optimization research on the law of comprehensive mining flour dust migration and inter- frame dustfall parameters. The results show that shearer When the wind is blown against the wind and downwind, the dust dust migration lawis basically the same. The dust concentration on the downwind side of the roller cutting section is 10～15m ie, the driver of the coal mining machine, and the dust reduction efficiency after the original dust reduction measures are turned on. The highest in the shifting position, up to 80.9, the genetic algorithm is optimized for the inter- stand spray dust reduction parameters, the overall dust reduction rate has reached more than 95, and achieved good application results. Keywords Dustfall ; on- site measurement ; fullymechanized miningface ; genetic ; 108 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 度降低等因素，选择 AKFC92A 型粉尘采样器， 该 仪器主要由采样头和机身两部分组成， 采样头可以安 装两种。 滤膜， 分别用来测定总尘和全尘。 将粉尘采样 器放置在需要测定粉尘浓度的区域， 采样器机身内的 抽风机将空气吸入采样头， 采样头内的滤膜将粉尘吸 附， 通过测定滤膜上粉尘的质量来表征空气中粉尘的 浓度。 为准确的测定采煤工作面粉尘的浓度， 需要在采 煤工作面主要的产尘位置分别布置测尘点， 测尘点的 布置主要遵循原则 ①测点尽量布置在下风侧或者靠 近回风巷的采煤机后方；②测尘点不应过度集中， 应 在主要产尘工序附近均匀布置。 通过查阅大量的相关 文献， 决定采用距离划分法进行综采工作面粉尘浓度 测定， 测点主要布置在产尘量最大的采煤机割煤下风 侧， 距离采煤工作面较近时， 横向空间内在人行道和 溜槽道分别进行测定， 距离采煤机较近时测点适当加 密， 粉尘浓度较稳定的区域测点的密度逐渐减小。测 尘点的布置详情如图 1 所示。 由于采煤机顺风割煤和 逆风割煤时下风侧粉尘浓度差异性较大， 分别在两种 情况下进行粉尘浓度测定。 （a ）顺风割煤（b） 逆风割煤 图 12105 采煤工作面粉尘浓度测点布置详情 2.22105 工作面粉尘浓度实测结果分析 （a ）顺风割煤（b）逆风割煤 图 2采煤工作面粉尘浓度实测结果 通过对采煤机下风侧粉尘浓度的现场成定， 得到 图 2 所示的结果，测点在采煤机上风侧 5m 处时， 空 气中的粉尘基本全部来源于进风流，粉尘浓度约为 30mg m-3， 采煤机割煤产生大量的粉尘， 在采煤机中 部和后滚筒处粉尘浓度开始急剧增大， 在距离采煤机 10～15m 的下风侧粉尘浓度达到最大，采煤机后方 20m 左右的位置， 粉尘浓度逐渐趋于稳定， 横向空间 来说， 距离采煤机较近的刮板输送机道处粉尘浓度明 显大于人行道； 采煤机逆风割煤时前滚筒的粉尘浓度 增加较快， 总体而言， 顺风割煤与逆风割煤的粉尘运 移规律类似。 3 2105 综采工作面降尘参数优化 3.1原有降尘措施降尘效果实测分析 根据 2105 工作面粉尘浓度现场实测结果可知， 距离采煤机滚筒割煤处的 10～15m 为粉尘浓度最高 的区域， 该处为采煤司机工作的区域， 为了改善采煤 司机及现场工作人员的工作环境， 针对工作面各处工 作空间的粉尘浓度， 采取适当的改善措施， 在 2105 工 作面所有降尘措施开启时， 降尘措施主要有 风流净 化水幕、 采煤机及支架间喷雾等， 对 2105 工作面各处 的粉尘浓度进行现场监测， 得到图 3 所示的结果。 图 3防尘措施开启前后粉尘浓度对比 由图 3 所示的监测结果可以看出， 在风流净化水 幕、 采煤机及支架间喷雾等降尘措施开启后， 2105 采 煤工作面各处的全尘和呼吸性粉尘浓度均大幅度降 低， 粉尘的降尘效率平均基本达到 80以上， 整个工 作面内， 采煤司机处粉尘浓度最高， 降尘措施开启前， 呼吸性粉尘浓度为 208mg/m3， 降尘措施开启后， 采煤 司机处呼吸性粉尘浓度降低至 50.9mg/m3，降尘率达 到 75.5， 根据国家安监局相关指令[2]， 为对工作面采 煤机司机处、 移架处的粉尘浓度进一步降低， 确定将 架间喷雾降尘措施的参数为优化对象。 3.2架间喷雾降尘参数优化 （a ）喷雾角度及范围（b）截面示意图 图 4架间喷雾原理示意图 109 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 架间喷雾降尘技术通过将一定压力的水由出水 孔中喷出， 在空气中形成水雾， 水和空气中的粉尘结 合后形成液态颗粒群， 增大粉尘的重量， 从而提高粉 尘的沉降速度， 起到降尘的目的。喷雾降尘主要依靠 水雾对空气中粉尘的捕集作用， 根据喷头的结构及喷 水原理， 喷雾降尘器雾化角度和范围如图 4 所示。 假设架间喷雾降尘器的降尘雾化角为 α，雾化 范围的长度为 l， 支架间设置 n 个喷嘴， 喷雾前端的半 径为 r， 喷雾前端面积为 A， 根据以往的研究成果， 当 喷雾能够覆盖 1/4 空间时， 降尘效果最佳， 降尘喷雾 的面积为 Aπ-3 ■ -3 ■ nπnr2 （1 ） rltanα 2 （2 ） 通常架间喷雾系统所有的高压水水为恒压， 喷雾 液滴的直径为 DcK （1.79d- 1 ） /dp1.26（3 ） 其中 Dc为液滴直径， 单位 μm； K 为实验室比例 系数， 取 34530； P 为供水压力， 单位 kgf/cm2； D 为喷 头直径， 单位 mm； 供水压力与耗水量间关系为 Q 10-3 60 kd2p ■ （4 ） 水雾内液滴的速度视为喷出速度的 0.5 倍， 则雾 滴的速度 Um计算公式为 Um Q 2A0 100 3π kp ■ （5 ） 根据神角煤业 2105 工作面的实际情况，取工作 面风流流速为 1.2m/s，将粉尘颗粒的运动速度视为 1.2m/s， 粉尘颗粒的密度为 ρp600kg/m3， 最终可得架 间喷雾的降尘效率 η 计算公式[3～4] η1- exp 21.2207kp■-1d3p1.26nl 2357.31.79d-1π-3■n-3■πnltan α 2 （） ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 6- 998510-101.79d-1 dp221.2207kp ■ - 1p1.26 （） - 2 ] （6 ） 通过以上分析可知， 影响架间喷雾降尘效率的主 要因素有喷头个数 n、 喷嘴直径、 喷雾系统供水压力、 喷雾头喷雾角度、喷头与产尘点的距离五个因素， 由 此设计变量 Z Z[z1z2z3z4z5]T[lαpnd]T（7 ） max[Fz]fz（8 ） fz1- exp 21.2207kz3■-1z23z31.26nl 2357.31.79z4-1π-3■z4-3■πz4z1tanz2 2 （） ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 6- 998510-101.79z4-1 dp221.2207kz3 ■ - 1z51.26 （） - 2 ] （9 ） 根据式 （9 ） 给出的以降尘率最优为目标的优化函 数，采用遗传算法对架间喷雾降尘参数进行优化研 究， 通过 Matlab 中的 GA 工具箱进行计算， 最终得到 各个参数优化前后的值见表 1。 表 1架间喷雾降尘参数优化结果 根据表 1 所示的结果，对 2105 工作面架间喷雾 降尘的参数进行调整，再次进行粉尘浓度现场实测， 以落煤处、采煤机司机处和移架处的粉尘浓度为代 表， 整理后得到表 2 所示的结果。由表 2 所示的结果 可知， 对架间喷雾的参数进行优化后， 工作面粉尘浓 度再次降低， 降尘率最高的点位达到 97.16， 获得了 良好的降尘效果。 表 22105 工作面粉尘浓度测试结果 4结论和建议 本文以神角煤业 2105 综采工作面的回采为工程 背景， 主要进行关于粉尘运移规律及架间降尘参数的 优化研究， 主要结论 采煤机逆风和顺风割煤时工作 面粉尘运移规律基本一致，在距离滚筒截割部 10～15m的下风侧粉尘浓度最大（即采煤机司机处 ） ， 工作面原有降尘措施开启后，降尘效率在移架处最 高， 可达 80.9， 采用遗传方法对架间喷雾降尘参数 优化后， 整体降尘率均达到了 95以上， 取得了良好 的应用效果。 参考文献 [1] 杨嘉帅. 自动喷雾降尘系统在综采工作面的应用实践[J]. 机电工程技术,2019,48 （07） 255- 256. （下转第 113 页） 参数l/mn/个d/mmp/MPaα/效率 η/ 优化前2.131.29.95880.19 优化后2.034111.624.997.16 测点 编号 测点 （优化前 ）（优化后 ） 呼吸性粉尘 浓度 （mg/m3） 总粉尘浓度 （mg/m3） 呼吸性粉尘 浓度 （mg/m3） 总粉尘浓度 （mg/m3） 1采煤司机处24.550.95.110.9 2移架处19.722.84.77.8 3落煤处21.325.94.56.8 110 ChaoXing （上接第 110 页） [2] 聂文,刘阳昊,马骁等.风流扰动支架架间高压喷雾降尘雾 滴粒度实验[J].中国矿业大学学报,2016,45 （04） 670- 676. 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[4] 王绪友,谢华东,陈军等.综放工作面架间喷雾降尘技术优 化[J].煤炭工程,2008 （05） 50- 52. 作者简介 杜玉春 （1979-） ， 男， 山西省乡宁人， 2017 年 1 月毕业于 太原理工大学采矿工程专业， 工程师， 现任山西乡宁焦煤集 团神角煤业有限公司一通三防副总工程师。 （收稿日期 2019- 8- 23） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 图 5压裂液压力及流量 5水力压裂坚硬顶板的效果 自 8202 工作面距上覆煤柱水平距离 50～60m 起， 至推出煤柱 50m 范围内， 以中间 55 支架为例， 对工作面来压特征进行分析。 8202 工作面进入煤柱位置 16m后， 发生来压， 来 压持续步距达 19m，来压强度 40～41MPa；间隔 13m 后， 又出现一次来压， 但此次来压时间短， 强度低。 另外， 对 8202、 8203 工作面过煤柱期间支架阻力 分布特征统计发现，在支架工作阻力 9000～18000kN 区间内， 8202 工作面占比 62.18， 8203 工作面占比 80.79。可见经地面压裂后， 工作面支架的受力状态 明显改善。 可见相比于 8203 工作面，通过对紧邻煤柱下部 的硬厚岩层实施压裂， 一方面有效弱化了煤柱处的应 力集中，另一方面降低了 17.5m细砂岩层的整体性， 预防了强矿压的发生； 8202 工作面推进至煤柱影响 区时的强矿压显现步距、 次数及强度均明显降低。 6结论 1 ） 采用侏罗系采空区煤柱上下坚硬岩层协同压 裂控制技术对同忻煤矿 8202 工作面上覆坚硬顶板进 行了地面水力压裂作业， 现场实践表明， 裂缝扩展长 度达 260m， 覆盖了整个工作面长度， 相比于 8203 工 作面，地面压裂后 8202 工作面过煤柱期间强矿压显 现仅发生 1 次， 来压持续步距明显降低， 工作面支架 的受力状态明显改善。 2 ）现场实践表明，大空间采场坚硬顶板地面压 裂精准控制技术是有效控制矿井灾害的新型有效技 术手段， 为解决同类由坚硬顶板引起的煤矿灾害的防 治提供技术依据。 参考文献 [1] 李斌, 张文. 综采工作面矿压显现特征及控制技术[J]. 煤 炭科学技术, 2013 （s1） 18- 21. 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