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掘進工作面粉塵分布規律及控降塵工藝技術試驗

文檔作者：張設計劉勇周潤金鄭彥奎文檔來源： 1．煤炭科學研究總院重慶研究院 2．山西國陽新能股份有限公司		更新日期： 2026年03月06日	點擊數：
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2010年4月 礦業安全與環保 第37卷第2期
掘進工作面粉塵分布規律及控降塵
工藝技術試驗
張設計 ，劉 勇 ，周潤金 ，鄭彥奎
(1．煤炭科學研究總院重慶研究院，重慶400037；2．山西國陽新能股份有限公司，山西陽泉~5008)
摘 要：分析了掘進工作面采用壓入式通風時的風流分布特點及粉塵分布規律，在此基礎上，針對
某些高瓦斯礦井出于安全考慮限制在掘進工作面使用電動除塵器除塵的規定，進行了高瓦斯綜掘工作
面控、降塵工藝技術試驗研究，取得了較好的降塵效果。
關鍵詞：掘進工作面；粉塵質量濃度；控塵；噴霧降塵
中圖分類號：TD714 ．4 文獻標志碼：B 文章編號：1008—4495【2010)02—0030—04
國內外實踐表明，采用長壓短抽通風除塵系統
是降低機掘工作面粉塵濃度最有效的措施之一。但
在一些高瓦斯礦井，如陽煤集團，要求必須采用壓入
式通風方式，限制在掘進工作面使用除塵器尤其是
電動除塵器實施抽塵凈化措施。因此，在這些礦井，
必須尋求高效噴霧降塵措施及其他有效的控、降塵
工藝技術途徑，以降低工作面的粉塵濃度，提高防塵
效果。
筆者從壓入式通風條件下掘進工作面的風流及
粉塵分布規律分析人手，通過控、降塵工藝技術試驗
研究，得出適合試驗條件及類似條件的掘進工作面
防塵工藝技術措施，以改善作業環境。
1 掘進工作面的粉塵分布規律
1．1 風流分布特點
掘進工作面采用壓入式通風方式時，在風流出
風口形成的射流屬末端封閉的有限貼壁射流? 。如
圖1所示，氣流射出風筒后貼著巷壁運動，由于卷吸
作用，射流斷面逐漸擴張，直至射流斷面達到最大
值，此段為射流擴張段，用 表示；然后射流斷面逐
漸減小，直至為0，此段稱為射流收縮段，用￡ 表示。
從風筒出口至射流反向的最遠距離即擴張段與收縮
段之和為射流有效射程，以￡ 表示。在巷道邊界條
件下，一般有：
L。：(4～5)S 。 (1)
式中5為巷道斷面積，m 。
收稿日期：2009—06—09；2009—09—22修訂
作者簡介：張設計(1968一)，男，陜西興平人，研究員，主
要從事煤礦粉塵防治技術的研究工作。
· 3O·
圖1 掘進工作面風流分布示意圖
一般情況下，風筒出風口距掘進工作面的最大
距離為10 m左右，處于射流有效射程范圍之內。在
此范圍內，工作面風流形成射流區、回流區以及由于
卷吸作用在射流區和回流區界面上形成的渦
流區[ 。
1．2 粉塵分布規律
根據掘進工作面壓人式通風的風流分布特點，
在掘進工作面形成3個流場分區，即射流區、回流區
和渦流區，由于各自區域的流場特性不同，因此其粉
塵濃度及粉塵分布規律也各不相同。根據質量守恒
定律及氣體流動連續性原理，建立3區粉塵不均勻
分布模型_3 J。通過求解可得出當通風時間t一∞
時，射流區、渦流區及回流區粉塵濃度：
Ⅳa=No+cq ／qo(q。+q ) (2)
Nb：N =No+c／qo (3)
式中：Ⅳa，N ，N 分別為射流區、渦流區、回流區的平
均粉塵質量濃度，mg／m ；Ⅳn為送風流中的平均粉塵
質量濃度，mg／m ；Q。，Q 分別為工作面送風量、射流
區卷吸風量，m ／rain；G為掘進作業粉塵產生強度，
2010年4月 礦業安全與環保 第37卷第2期
mr：／mIn。
令Q ／(Q。+Q )=盧， 為射流的卷吸流量比，
則：
N =No+(C／Qo)盧 (4)
與射流本身的特性和射程有關，在，J 區內射
程越大，盧越大，當Q ：Q。時，盧取最大值0．5。
從式(3)可以得出，渦流區、回流區中的粉塵分
布相對較穩定，其濃度取決于掘進作業時粉塵的產
生量、送風量及送風流中的粉塵初始濃度，其值等于
假定工作面粉塵分布均勻情況下掘進工作面的平均
粉塵質量濃度。
從式(4)可以得出，射流區粉塵濃度遠低于另
外2個區的平均粉塵濃度。其濃度的高低與 值有
關， 越大射流區粉塵濃度越高，但最大為其他2個
區平均粉塵濃度的1／2(假定送風流中的粉塵濃度
為0)。同時，在整個射流擴張區內，粉塵分布也是不
均勻的，粉塵濃度沿射流方向隨射程增加而不斷增
大，即距風筒出風口越遠，射流斷面平均粉塵濃度
越高。
從式(3)一(4)還可以看出，G和 不變，增加送
風量Q ，各區粉塵濃度都將降低。掘進作業時煤體
釋放的瓦斯量、噴霧產生的水霧量可以假定是恒定
的，則增加送風量，可以降低各區的瓦斯濃度和濕
度。但對掘進作業時的產塵強度而言，風量增加，將
導致產塵強度G增加，各區粉塵濃度可能增加。
2 試驗方法
試驗地點在陽煤集團三礦南九綜掘工作面與陽
煤集團一礦81103回風巷綜掘工作面。陽煤集團一
礦81103回風巷綜掘工作面風筒、掘進機、人員及控、
降塵設施布置見圖2。2個工作面煤質相同，其他條
件如斷面、風量、掘進機及生產工藝相似。所不同的
是，南九綜掘工作面 800 mm送風風筒布置在掘進
機司機相對一側，81103綜掘工作面 1 000 mm風筒
與掘進機位于同一側，司機處于射流區擴張段內。
圖2 試驗工作面人員、設備及控、降塵設備布置示意圖
試驗采用的控、降塵工藝技術及試驗目標是：
1)風筒出風口位置的優化。將風筒布置在掘
進機司機一側，風筒出風口位于司機后方，使司機位
置在掘進作業期問始終處于明顯的射流區擴張段
內，可有效降低司機處的粉塵濃度。合理(防塵效果
好)的出風口位置，即風筒口距工作面煤壁的距離、
風筒口距司機的距離通過現場試驗確定。
2)使用控塵簾將掘進工作面分為進風和回風
兩個相對獨立的通道，控制渦流區粉塵向射流區司
機位置擴散。
3)在掘進機搖臂處，采用高壓噴霧引射降塵器，
對滾筒實施高壓噴霧降塵。降塵器內布置的4個噴
射管及噴嘴的角度可任意調整，同時，提高噴霧壓力
至8～12 MPa，減少噴霧水量，提高霧化效果。
4)采用適當的風筒布置參數，使滾筒截割產生
的粉塵和水霧主要隨回風流運動，向司機位置擴散
較少；采用縱向控塵簾，進一步降低司機處粉塵濃
度；采用掘進機高壓外噴霧降塵措施，降低回風流粉
塵濃度，使工作面作業環境得到明顯改善，生產效率
提高。
3 控、降塵工藝技術試驗及效果分析
試驗及測試時，壓人式風簡口距幫和頂的距離，
均按81103試驗工作面作業規程要求，距側幫
500 mm左右，距頂板約300 mm。
3．1 壓入式風筒位置對司機處風流及粉塵濃度的
影響
3．1．1 壓人式風筒布置
南九綜掘工作面司機處粉塵質量濃度測定結果
與81 103回風巷綜掘工作面司機處總粉塵質量濃度
的對比情況見表1。試驗及測試時，81103回風巷綜
掘工作面機組司機處于射流區擴張段內，風筒口距
工作面煤壁6～8 m。
表1 不同的壓入式風簡位置時司機處粉塵
質量濃度測試結果 mg／m。
? 無 水 觸
由表1可以反映出，南九綜掘工作面壓入式風
筒布置在與司機相對一側，則司機正好處于回流區，
掘進作業過程中產生的粉塵、噴霧產生的水霧及有
害氣體向外排出時都要經過司機處，致使司機處原
始粉塵質量濃度高達1 296．5 mg／m ，采用水壓
8 MPa高壓噴霧降塵措施，司機處粉塵質量濃度為
362．5 mg／m ，依然較高，且司機處水霧較大，視線非
常模糊，無法看清滾筒，司機處作業環境非常惡劣。
． 31·
2010年4月 礦業安全與環保 第37卷第2期
81 103綜掘工作面將壓人式風筒布置在司機一側，且
司機處于射流區擴張段，司機處的粉塵濃度明顯降
低，司機處原始粉塵質量濃度平均為117 mg／m ，兩
者相比粉塵質量濃度降低了91％；采用水壓8 MPa
高壓噴霧降塵措施，司機處粉塵質量濃度平均為
90 mg／m ，最小為30 mg／m ，兩者相比粉塵質量濃
度降低了75．2％ ，且司機處僅有極少量水霧，極大地
改善了司機處的作業環境。
可見，將壓入式風筒布置在司機一側，且司機處
于射流區擴張段，能夠明顯降低司機處的粉塵濃度。
3．1．2 壓人式風筒口距工作面煤壁的距離
壓人式風筒口距工作面煤壁的距離太大，如超
過射流區有效射程(12．6～15．8 m)，則會在射程外
的區域形成循環渦流區，使得滾筒截割區粉塵彌漫，
不利于瓦斯、水霧的排出。若距離太小，如小于
4．5 m(150掘進機司機距工作面煤壁距離為
4．5 m)，則很容易使司機處于渦流區及回流區，不利
于改善司機處的作業環境。試驗時，風筒口距工作
面煤壁的距離為2．5 m，司機位于風筒口后方2．5 m
處緊靠風筒右側。正常掘進時，司機處風流只有一
次測出的是平行于巷道的回風風流，風速是
1．62 m／s，多數情況下無法測出較強平行于巷道中線
的回風和進風風流。分析認為，此處應同時存在有射
流卷吸風和回流風，風流較紊亂。由于司機不處于射
流區內，該處粉塵濃度較高，測定的平均總粉塵質量
濃度為544．4 mg／m ，污染嚴重。現場試驗時風筒口
前方1．5，4，6，8，10 m司機處測定的射流風速分別為
7．54，7．0，6．26，3．85，1．04 m／s，10 m處射流風速明顯
減弱。當風筒口距工作面煤壁的距離為6，8．5 m時，
司機位于風筒前方1．5，4 m處的射流擴張段內，司機
處粉塵濃度較小，平均總粉塵質量濃度分別為90，
117 mg／m ，最小分別是30，32．5 mg／m ，如表2所示。
表2 不同的壓入式風簡口距工作面煤壁距離時
司機處風速及粉塵質量濃度
注：距離數值前“一”表示司機處于風筒后側；“ ”為采用高壓噴
霧后的測定結果平均值。
通過上述對試驗數據的分析可以認為，在試驗
· 32·
工作面生產條件下，壓人式風筒口距工作面煤壁的
距離以5～10 m為宜，以6～8．5 m為最佳。
3．1．3 司機距風筒口的距離
掘進作業時，司機距工作面煤壁4．5 m(由掘進
機型號決定)。上述對試驗結果的分析認為，壓人式
風筒口距工作面煤壁的距離以5～10 m為宜，以6～
8．5 m為最佳，因此可以得出，司機位于風筒口前方
的距離以0．5～5．5 m為宜，以1．5～4 m為最佳，最
佳作業區間為2．5 m，一般機掘工作面生產條件下，
該距離相當于一個生產班的掘進進度。
3．2 縱向控塵簾控塵效果試驗
試驗時，將10 m×1．57 m的矩形風筒布縱向吊
掛在司機右側巷道中線偏左位置的頂板上，將工作
面人為分成1個進風、1個回風的2個獨立通道，目
的是防止回風流中的粉塵通過射流的卷吸作用向射
流區司機作業空間擴散。為了試驗控塵簾的控塵效
果，試驗時壓入式風簡口距工作面煤壁的距離為6～
8．5 m，使司機處于射流擴張段，分別測定使用控塵
簾前、后司機處的粉塵質量濃度，結果見表3。
表3 使用縱向控塵簾前、后司機處粉塵
質量濃度測試結果 mg／m
由表3可以看出，在相同條件下不使用控塵簾，
司機處平均總粉塵質量濃度為106．3 mg／m ，使用
控塵簾后，司機處總粉塵質量濃度最小30 mg／m ，
平均為84 mg／m ，提高率為2l％。
試驗時，在沿射流區下方巷道底板位置，大部分
情況下也存在較明顯的回風流，這部分含塵風流不
斷受到射流的卷吸作用，并流經司機處，這就是掘進
作業時，射流區司機處粉塵濃度依然不能顯著降低
直至達標的根本原因。
3．3 掘進機高壓外噴霧對降低回流區粉塵濃度的
效果
為了消除掘進作業時產生的高濃度粉塵對回流
區的污染，進行了掘進機高壓噴霧降塵試驗。采用
礦用高壓噴霧泵站對靜壓水加壓，通過高壓管路輸
送到安裝在掘進機搖臂處的高壓噴霧降塵器上；將
降塵器內4個G型高壓噴嘴組成的噴霧引射管角度
調整到噴霧能覆蓋滾筒塵源，噴霧壓力調整為
8 MPa，噴霧水量約25 L／rain。為了對比，分別對使
用高壓噴霧降塵技術措施前、后，機尾后2 m處回風
流粉塵質量濃度進行測定，結果見表4。
2010年4月 礦業安全與環保 第37卷第2期
表4 使用高壓噴霧前、后機尾后2 m處回風流
粉塵質量濃度測試結果 mg／m
不噴霧時總粉塵濃度
樣本值 平均值
8 MPa高壓噴霧時總粉塵濃度降塵效聾至／
樣本值 平均值 ％
855，790 822．5 200，140，60，115，245 152 81．5
從表4可以看出，不采取噴霧措施時，回風流平
均總粉塵質量濃度為822．5 mg／m。，采用高壓噴霧
降塵措施后，回風流平均總粉塵質量濃度降低到
152 mg／m ，降塵效率為81．5％ ，降塵效果較好。
4 結論
1)在掘進工作面采用壓人式通風條件下，工作
面形成射流區、回流區及渦流區；渦流區、回流區中
的粉塵濃度取決于掘進作業時粉塵的產生量、送風
量及送風流中的粉塵初始濃度；射流區粉塵濃度遠
低于另外2個區的平均粉塵濃度，其高低與JB值有
關， 值越大射流區粉塵濃度越高，最大為其他兩區
平均粉塵濃度的1／2。該規律同樣適用于掘進作業
時產生的其他有害物，如落煤釋放出的瓦斯、噴霧降
塵產生的水霧等。
2)根據掘進工作面粉塵分布規律，試驗采用的
控、降塵工藝技術措施，能顯著降低工作面司機位置
及回風流的粉塵濃度。將壓人式風筒布置在司機一
側，壓人式風簡口距工作面煤壁的距離以5～10 m
為宜，以6～8．5 m為最佳，使司機處于射流區擴張
段，采用縱向控塵簾及高壓噴霧降塵等綜合措施后，
司機處總粉塵質量濃度最小為30 mg／m ，平均
84 me／m ，且司機處基本上沒有水霧，回風流平均總
粉塵質量濃度由822．5 me,／m 降低到152 mg／m ，
降塵效率為81．5％ ，極大地改善了工作面的勞動
條件。
3)試驗采用的控、降塵工藝技術措施，可以在
類似條件的機掘工作面推廣使用。
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(責任編輯：呂晉英)
(上接第29頁)
6 結語
利用高速低功耗單片機sTc12LE54l2AD和單
片射頻收發芯片nRF905設計的無線瓦斯傳感器，具
有低功耗、數據傳輸距離遠、高抗干擾性和移動靈活
等特點，該無線瓦斯傳感器把井下瓦斯監測從原來
固定區域點的監測提升到了面的監測，有利于克服
礦井瓦斯監測的“盲區”，提高瓦斯監測的可靠性，具
有較好的實際應用價值。
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(責任編輯：吳自立)
· 33·

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