我国综采放顶煤粉尘控制技术的研究与发展
【摘要】较系统地论述了我国目前综采放顶煤工作面粉尘综合治理的最新技术与成果，包括厚煤层注水技术，采煤机应用外旋双层雾流罩封尘源除尘技术，液压支架和放煤口联合自动控制喷雾降尘技术及破碎机声波雾化降尘技术等，并说明其应用及效果。根据现有降尘技术存在的问题，结合现场实际讨论其发展趋势。
1 引言
综采放顶煤采煤技术，自1984年在我国试验以来，发展迅速，现有近30个矿务局的70余个煤矿，并将其作为今后高产高效工作面发展的重点与方向。放顶煤采煤法具有高产、高效、低耗、节能等优点，从试验、采用至今，已取得很好的社会和经济效益。但也存在不足之处，主要是安全和回收率问题，如果不把这些问题解决好，会影响其发展前景。
综采放顶煤开采的安全问题之一是粉尘问题。由于综放面比普通综采增加了放煤口和放煤溜子转载点等尘源，而粉法浓度可比普通综采高几百到几千mg/m。粉尘的危害很大，引起尘矽肺病，爆炸及微细粉尘排入大气，污染大气环境，破坏生态平衡等。因此搞好综放面的粉法治理非常重要。
综放工作面的尘源主要有：采煤机割煤尘源、放煤尘源、移架尘源、放煤溜子和采煤溜子转载点尘源、破碎机尘源等。在这些尘源中，产尘量比较大的是采煤机割煤、放煤和破碎机破碎煤等尘源。由于破碎机可用机械方式罩封防止粉尘的扩散，再实施喷雾或抽尘净化等降尘，能取得较好的降尘效果。采煤机割煤和放煤尘源，一方面因随时移动无法罩封尘源，另一方面两者均处于较高速风流中，粉尘易扩散飞扬，最难控制，是治理的难点，而产尘最大的还是采煤机尘源。综放工作面尘源多，产尘强度大而不集中，因此，必须实施综合防尘技术才能有效控制粉尘，减少其危害。
2 综放工作面综合防尘技术
综放工作面综合防尘技术，主要包括减少粉尘产生、防止粉尘扩散及降除尘等，即煤层注水预湿煤体减少粉尘产生的技术、采煤机用外旋双层雾流罩封尘源的高效除尘技术、转载点及破碎机声波雾化降尘技术。
2.1 厚煤层注水预湿煤体减少粉尘产生
煤层注水是通过钻孔并借助于水的压力，将水注入即将回采的煤层中，使煤体得到预先湿润，增加煤体水分，减少采煤时粉尘产生量。煤层注水是采煤工作面基本的有效的防尘技术。其水分的增加，可减少煤矿井下、井上各个环节的粉尘产生量。煤层注水还可预防冲击地压及煤与瓦斯突出、软化顶煤减少大块煤量提高回收率、软化煤体降低载割能量及防火（加入阻化剂）降温等，是治理矿井灾害，提高工效的综合性技术措施。因此，只要条件具备应尽量采用煤层注水这种治本措施。
2.1.1 厚煤层注水渗流的机量
放顶煤开采一般都是在煤层大于5m的条件下实施的。因此，其渗流不同于薄煤层及中厚煤层。而薄及中厚煤层用二维渗流方程就能满足实际要求。对厚及特厚煤层，由于在垂直于顶底板方向上煤层厚度较大，不考虑其渗透误差较大，故须用三维渗流来描述，其方程为：
（1）
式中，H-位能与压能的和（因一般情况渗透速度较慢，动能较小，可忽略动能的影响）；
，，-导水系数张量的分量（这里设坐标轴的方向与导水系数张量的主方向一致）；
S-裂隙-孔隙的贮水系数；Q-源汇项（注水对控制体内水量的影响）；
(-沟通大裂隙与组合裂隙（孔隙）之间的水量交换，即单位时间内从大裂隙进入单位体积组合孔隙的水量；
Q1 -由死端、微孔隙水的毛细和扩散作用引起控制体内水量的变化，主要与液体及孔隙的性质有关，而与裂隙与孔隙间的压差关系不大。
其中毛细运动增加的水分为：
（2）
式中，(m -毛细运动系数，，其中为毛细运动最大的孔隙半径；
(为液体表面张力系数，(，(为液体的动力粘度，(H为液体的密度。
扩散运动增加的水分为：
（3）
式中，(k -扩散运动系数；
a-在给定时间内由一分子扩散运动使微孔隙中水分增加而充填孔隙的系数，由实验测得。它与孔隙、液体的性质有关。
因此，煤层注水湿润煤体，使水分增加，就由裂隙中渗透，组合孔隙中的压差，死端和微孔隙中的毛细和分子扩散运动几部分增加量组成。用三维渗流描述厚及特厚煤层渗流，其计算结果与实际测试结果相吻合。
2.1.2 厚及特厚煤层注水钻孔布置及封孔
厚及特厚煤层注水的钻孔布置，因煤层厚度较大，在煤层厚度方向上，如果还采用平行于底板或顶板布置一个钻孔的方式，顶部煤层就不能得到充分湿润，因此，应采用在平行于工作面的断面上布置一组扇形钻孔的方式（钻孔间为了打钻施工的方便和钻孔间不串水，应错开一较小的距离，一般为1～1.5m）。根据有无顶板巷及顶板巷的位置不同，则有：无顶板巷双向扇形钻孔布置、无顶板巷单向扇形钻孔布置、顶板巷靠工作面一边的对钻扇形钻孔布置、顶板巷在工作面中间的组合式钻孔布置。
此外，还可从以上四种钻孔布置方式中演化出多种钻孔布置。在实际应用中的选择，在有顶板巷的情况下，应优先选用在顶板巷打钻孔注水的方式，这样不仅有利于钻孔施工，不影响生产，还有利于充分湿润顶煤。若无顶板巷，应优先选用双向扇形钻孔布置。如果巷道空间不允许，最后选用单向扇形钻孔布置方式注水。
对于厚及特厚煤层的注水，其封孔与薄及中厚煤层亦有所不同，这是由其钻孔布置方式不同所决定的。封孔时应尽量用水泥砂浆或石膏水泥浆封孔，这样便于提高封孔质量。对于扇形钻孔的布置方式，由于钻孔间距较近，为防止其间串水，封孔深度最好大于10m，一般要求在10～20m之间。
煤层注水的降尘及软化顶煤的效果是显著的。若实施得好，可以使总粉尘少产生85%以上，而呼吸性粉尘就少产生40%～60%。对于以上提到的其他功能效果亦较显著。
2.2 外废双（多）层雾流罩封尘源对高效采煤同除尘
前面说过，采煤机采煤，是综放工作面产尘最大且最难控制的尘源。由于其随时移动并处于风流之中，粉尘易于扩散飞扬。目前我国采用的降尘措施有：
（1）采煤机含尘气流控制降尘技术。其特点是在采煤机摇臂、机身安装喷嘴，并在采煤机两个端头安装分流臂（上面安有喷咀），通过合理布置喷嘴的位置、角度及正确选择其流量等参数，而将采煤机粉尘引向煤壁，减少对司机的危害，其总粉尘降尘率一般为65%～82%（呼吸性粉尘降尘率较低）。
（2）采煤机高压喷雾降尘系统。是指在采煤机上布置两个或多个高压喷头，在水压高于7.5Mpa的压力下，对两个滚筒实施高压喷雾降尘，其总粉尘降尘率达85%以上（呼吸尘50%以上）。在使用中发现其有以下一些问题：第一高压水源难以解决，现在供高压水方式是在轨道巷安设高压喷雾泵，经管路到达工作面，再经电缆槽送到采煤机。第二由于水压较高（要求到达采煤机高压喷头喷雾的水压力不小于7.5Mpa，管道中的压力会更高），曲率半径大，易于损坏电缆夹及其中的其他设施。并且高压胶管的来回拖动很危险，高压水管易于破裂，造成事故。另外高压喷雾雾粒细，加之采煤机尘源处于较高速的风流中，微细水粒与呼吸尘结合后增重不够，不会马上沉降又被风流吹散蒸发，降低对呼吸性粉尘的降尘效果。
根据以上采煤机喷雾降尘技术的特点，笔者研制出了外旋双（多）层雾流罩封尘源高效除尘装置（获国家专利，其专利号为：95241746.4），用于采煤机，效果显著。此外，该装置还可用于煤矿井上、井下、冶金矿山、隧道、车站港口卸煤处、火力发电厂、水泥厂、碎石场等地的尘源除尘。
2.2.1 外旋双（多）层雾流罩封尘除尘装置的结构原理、性能及应用效果
该装置主要由动力部分、旋转体、外壳、法兰、进水接头、喷头等组成。其高效除尘原理为：当动力机构带动外层雾流进行高速旋转时，形成外层高速旋转的锥形水幕，水幕将尘源粉尘罩封住，阻止了粉尘向空气中扩散，同时内部喷嘴喷出的细雾亦高速旋转，两者的共同作用引射粉尘在罩封水幕内与细雾粒一同旋转，粉尘、雾粒相互碰撞、湿润、粘合，而将粉尘除去。传统的喷雾由于粉尘与细雾粒的碰撞机率和时间较小，某些微细粉尘，特别是呼吸性粉尘，即使被湿润了，增重不够，亦可能被风流带走，悬浮于空气中，时间长了水被蒸发而不能充分捕集呼吸性粉尘。在该装置中，由于外旋雾流和内部喷咀喷出雾粒的高速旋转的引射卷吸作用，使旋转雾流内部形成较强的负压区，被罩封的粉尘，基本不受外界风流流场的影响，粉尘可以多次与雾粒碰撞，多次增重而被捕集，因此其对呼吸性粉尘的降尘率尤为显著。
因其结构原理决定了该装置有以下特点：
（1）解决了一些尘源，特别是移动尘源，处于风流中无法用机械方式罩封，粉尘易于扩散的问题。对产尘源若能罩封，再实施降尘，一般都能取得较理想的降尘效果，其优于机械罩封之处在于：一不影响生产，二罩封范围内是负压。
（2）同样压力雾粒细（旋转多次破碎），射程远，覆盖范围大，有轴向和周围方向的双向引射，引射力强，不易被风流吹散。
（3）雾粒粒度分布范围广，符合最佳喷雾降尘理论。
（4）细雾粒与粉尘的结合物，由于在外部旋转水幕的罩封罩内，不受外部风流影响，不易蒸发。
（5）由于外层雾流及内层雾粒的高速旋转，使外层旋转喷雾所罩封范围内，形成较强负压区，粉尘不易扩散出来，同时内部水雾的旋转使粉尘与雾粒充分接触碰撞提高了降尘率。
（6）该装置体积小，质量轻，性能可靠，性能价格比优，耗水量小，但在易片帮的工作面要注意保护，以免砸坏。
其性能参数主要包括不同水压力下的流量、有效射程、最大射程、张角及旋转水幕内的负压等参数。见表1所示。
表
外旋双层雾流罩封尘源除尘装置，在采煤机上安装使用，其对总粉尘的降尘率一般达90%以上，有的高达96%，对呼吸性粉尘的降尘率达70%～80%。
2.3%20%20液压支架和放煤口设自动喷雾降尘
2.3.1%20%20自动喷雾控制阀及其喷雾系统
放煤口和移架自动喷雾，是指在液压支架上安装喷雾控制阀，当降柱和放煤时，通过支架的液压系统输送给控制阀一液压信号，控制阀水路开启实现喷雾降尘；在移架和放煤过程中继续喷雾；当升柱和关闭放煤口时，支架的液压系统又输送给控制阀一信号，关闭水路信止喷雾，从而实现放煤和移架的自动喷雾降尘。该阀是既可控制移架又可控制放煤的自动喷雾降尘装置。
2.3.2%20%20降尘效果考察
为了考察液压支架和放煤口放煤时自动喷雾控制粉尘的情况%20，分别对放煤工处，放煤口下风流7m人行道及移架下风流7m人行道处的降尘效果进行了考察，放煤及放煤口下风流7m人行道处的总粉尘降尘率达85%左右，呼吸尘降尘率达60%～70%。
2.4%20%20破碎机声波雾化降尘
声波雾化降尘装置主要由声波雾化喷嘴、隔音防尘罩、水管、压气管、阀等组成。其除尘原理是，当适当开启水阀和压气阀后，声波雾化喷嘴开始工作，由于压气驱动声波雾化喷嘴的声波发生器产生高频高能声波，在声波的作用下喷出的水雾被二次化成细雾粒，这些粒度很小。密度大的雾粒充满破碎机的整个空间，提高了雾粒与粉尘
