摘要 煤矿综采放顶煤工作面开采强度大、产尘尘源多、粉尘浓度高，因而对尘毒的治理难度大。为此，提出了治理的总体思路、防治方案并在几十个煤矿综采放项煤工作面推广，取得了很好的效果。
关键词 综采放项煤工作面 粉尘综合防治
1 前言
综采放顶煤是我国80年代初从国外引进的一种新的采煤方法。由于它具有高产、高效、低耗等一系列优点，近十年来，在我国得到了较迅速的推广，成为实现我国煤矿高产、高效的主要途径之一。但这种采煤方法由于开采强度大、产尘尘源多、多尘量可高达（2000-5000）mg/m3，因而对尘毒的防治难度大。在生产中，由于高浓度粉尘使作业场所的劳动卫生条件急剧恶化，严重地制约了这种采煤方法的推广应用。“八・五”期间，为解决上述问题，煤炭科学研究总院重庆分院承担并完成了煤炭部下达的“治理综放面高浓度粉尘危害”的重点课题。现将本课题研究所提出的总体思路、具体防治方案及应用情况作一简要介绍。
2 综放面高浓度粉尘防治的总体思路
综放工作面采煤机采煤和液压支架移架均是移动性尘源，工作面直流通风，风流流场难以控制（风速每秒高达2m），工作面空间狭小且有变化，还有片帮冒顶等不利因素的影响，条件十分恶劣。防治该作业场所的粉尘，考虑了上述条件后，提出了治本和治标两手抓的总体思路：一是减少粉尘的产生；二是要针对不同尘源的特点，采取防治措施。
3 综放面粉尘防治的技术方案及效果
3.1 综放工作面煤层注水
煤层注水是国内外公认的减少粉尘产生的较好技术措施，尤其是对综采放顶煤工作面，还具有软化煤体（f>3的硬煤），减少跨落煤中的大块，提高煤炭回收率的作用。但是，将一般在普通综采面应用的煤层注水技术，应用在综采放顶煤的厚煤层中，则达不到湿润顶煤的作用，因此，对注水工艺必须作适当的改进；再者，对孔隙率较低的难注水煤层，在工作面原始应力带注水，水难以注入煤体，不容易达到理想要求，必须对注水工艺进行改进。
为了使综放面厚煤层中顶层煤炭得到较好的湿润，采用了双向扇形铝孔布置（工业性试验中利用了原基本原顶部煤中所掘的巷道）和三巷钻孔（如图1）长钻孔静压注水的方式。
由于在试验工作面上煤的自然孔隙率仅为2.76%，透水性系数仅为0.01536，属难注水煤层，在原始应力区注水是难以取得较理想的注水效果的。因此，决定在工作面的动压区利用矿山压力所致的次生裂隙进行煤层注水。根据试验工作面矿山压力观测及顶板位移规律资料的分析，回风巷在靠工作面一端60m左右范围内，进风巷靠工作面35m左右范围内，受矿压及顶板位移影响，煤层中存在较发育的次生裂隙，煤层的渗透性大大提高，并可降低注水压力。决定注水区域在距工作面(35-40)m开始注水，距工作面(5-6)m停止注水，注水时间约8天。注水系统主要由注水流量表、分流器、高压阀门、注水管、封孔器等组成。注水中有关注水的一些参数分别由以下公式确定。
单孔注水量由（1）确定
Q=KLBhγ( (1)
式中，Q―单孔注水量，m3；K―注水系数，取K=1.1；L―钻孔长度，m；B―钻孔间距，m；h―钻孔范围内应湿润的煤层厚度，m；γ―煤的密度，t/m3；δ―吨煤注水量，m3/t，取δ=0.025m3/t。通过计算，回风巷上孔注水量Qs=127m3，每个下孔注水量Qx=104m3，进风巷每个钻孔注水量Qj=166m3。
注水压力按（2）式确定
（1.2-1.5）Pw<=Px<=0.75Pf (2)
式中，Px―煤层注水压力，MPa；Pw―煤层瓦斯压力，MPa；Pf―上覆岩层压力及煤层剪切强度之和，MPa。试验矿井鲍店煤矿防尘用水静压在（3.0-40.)MPa之间，能满足上述要求。
注水时间按（3）式进行计算
T=（D-d）/i （3）
式中，T―总注水时间，d；D―开始注水时钻孔距工作面距离，35m；d―结束注水时钻孔距工作面距离，5m；i―工作面日推进度，按设计，取i=3.6m/d。通过计算，T=8.3d。
单孔注水流量按（4）式计算
q=1000Q/1440T (4)
式中，q―单孔流水量，l/min。通过计算，回风巷上孔qs=11l/min，下孔qx=9l/min，进风巷钻孔qj=14l/min。工作面注水后煤的实际水份增量达到了（1.4-1.8）%，注水量增量一般大于是%即有较好的防尘效果。
3.2 采煤机径向雾屏及液压支架探梁辅助喷雾降尘
采煤机割煤过程是综放工作面的主要产尘尘源，约占综采放顶煤工作面产生总粉尘的60%。采煤机处于综放工作面主风流中，采煤机滚筒割煤产生的粉尘极易随风流向人行道方向扩散，污染作业环境。为此，在滚筒摇臂靠人行道一侧设一组构成一弧形的喷嘴组，当喷雾时，在滚筒靠人行道一侧形成一道径向喷雾屏障。同时，在液压支架探梁上设喷嘴，在采煤机部位开启这些喷嘴进行喷雾，在采煤机上方形成第二道喷雾屏障。此外，在采煤机两个端头各设两个喷嘴，在采煤过程中，作为第二道雾屏的延伸，起到控尘降尘的作用。（图2）这两道喷雾屏障既可防止粉尘向人行道方向扩散，又可以起到降尘的作用。为了使采煤机径向雾屏及液压支架探梁辅助喷雾降尘设施达到较好的控尘、降尘目的，除了喷嘴要合理布置外，采灯机径向雾屏选用了NPB―1型喷嘴，采煤机WPB型空心锥形喷嘴，支架探梁辅助喷雾选用了SD304型实心锥形喷嘴。
此外，在采煤机喷雾降尘的设计中，还需对喷雾降尘使煤水分的增加量进行估算，以避免由于水份增量过大使煤的水分超标而影响经济效益（水分超标，售价将降一个等级）。设采煤机喷雾水压力为1.5MPa时，喷雾用水量为Qs1，则
Qs1=2（n1+n(1）q1+n2q2+n3q3=284.0l/min (5)
式中，n1―采煤机一个滚筒内喷嘴数，n1=48；n(1―采煤机一个滚筒摇臂雾屏喷嘴数，n(1=9；n2―采煤机端头外喷嘴数，n2=4；n3―支架探梁辅助喷嘴数，n3=5；q1―NPB-1型喷嘴在水压为1.5MPa时的流量，q1=2.1l/min；q2―WPB型喷嘴在水压为1.5MPa时的流量，q2=5.6l/min；q3―SD304型喷嘴在水压为1.5MPa时的流量，q3=4.4l/min。
采煤机单位时间采煤量按（6）式计算
Q1=HBVqρ=10.2t/min （6）
式中，Q1―每分钟的割煤量，t；H―采煤高度，H=2.8m；Vq―割煤时的平均牵引速度，Vq=4.0m；B―滚筒的截深，B=0.65m；ρ―煤的实体密度，ρ=1.4t/m3。
采煤机割煤过程中，因喷雾而造成水分增量可按（7）式计算
WZ1=Qs1(1-k)10Q1%=2.37% (3)
式中，WZ1―每吨煤增加水分的重量百分比；k―喷雾水浸入底板等的损失系数，取k=0.15。
煤的平均原始水分为2.5%左右，从水分的增量看，上述采煤机喷雾降尘设计方案的喷雾水分量不会使煤的水分含量超标。经实施上述方案，采煤机司机处平均降尘率达到了82.6%；采煤机下风（10-15）m处平均降尘率达到81.7%。
3.3 液压支架移架和放煤自动喷雾降尘
液压支架移架和放煤是综放工作面的两个主要产尘尘源，约占综放面粉尘产出量的30%左右，亦是综放工作面防尘的重点之一。
液压支架移架产尘的特点是，只在移架作业（降柱、拉架、升柱）过程中产尘，产尘时间极短；产尘部位主要在液压支架架间，尤其在液压支架前半部，处在工作面采场主风流中，产生的粉尘在风流作用下极易扩散。放煤口放煤产尘的特点是，主要在放煤作业时产尘，尤其在放煤初始阶段产尘量大；产尘部位在液压支架后部刮板运输机处；支架后部由于受到支柱、四连杆、高压软管等支架零部件阻碍与支架前部主风流相比风速较小，但在后部刮板输送机处有一较宽阔的连通空间，放煤时产生的粉尘如未被沉降，易随风流沿此通道向下风邻架扩散。
根据液压支架移架、放煤产尘的特点，在设计方案中，有针对性地采取以下技术措施：第一，设计一种自动喷雾控制阀，使液压支架移架和放煤的喷雾降法与操纵液压支架动作的液压系统联动，实现自动喷雾降尘，即实现作业产尘时自动喷雾降尘，移架和放煤结束自动停止喷雾降尘；第二，在喷雾系统中增加一个组合五通阀，可以实现本架移架自动喷雾下风邻架同时自动喷雾，使得下风邻架扩散的粉尘被第二次喷雾降尘，可提高喷雾降尘效果；第三，设计磁化喷嘴，使水磁化，改善水雾的物理特性，提高水雾对粉尘的捕获能力。
为了简化喷雾降尘的管路系统，还设计并研制了一种两功能的自动喷雾控制阀。该阀属国内首创，试验成功后申报了专利（专利号为ZL95242892．x）；磁化喷嘴经实验室测试，水经其磁化后，水的表面张力可以降低（1.96-4.47）%；水的蒸发率提高了0.2%左右，这都有利于水雾捕获粉尘。液压支架喷雾降尘，喷头安装位置如图3所示。其喷雾系统如图4所示。
上述技术措施经过工业性试验，取得了很好的效果，喷雾系统管路得到了简化，下风邻架同时喷雾能够实现；液压支架移架降尘率达到了81%；放煤口放煤降尘率达到了84.2%。
3.4 破碎机降尘，采用将尘源密闭、压气喷雾控尘降尘的方法，喷雾水压力2.0MPa，压缩空气压力为0.4MPa，喷雾水流量为7.9l/min，也取得了较好的降尘效果，降尘率为85.1%。转载点采用电磁阀控制的自动喷雾降尘，水压为2.0MPa，选用WPB喷嘴，喷嘴流量为6.2l/min，每个转载点设两个喷嘴。据两个转载点实测降尘效果是：放煤刮板输送机转载点为81.5%，采煤刮板输送机转载点为81%。
4 结论 针对煤矿综采放顶煤工作面产尘的具体原因，采取标本兼治的思路是正确的。针对不同尘源的特点，应用不同的技术措施和综合防治的方法是行之有效的，取得了很好的防治效果，为用常规措施难以奏效的综放工作面粉尘防治技术提供了一套有效解决办法，并有所创新，把我国煤矿防尘技术提高到了一个新的水平。该套技术已在几十个煤矿综采放顶煤工作面推广使用。