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掘进工作面粉尘分布规律及控降尘工艺技术试验

文档作者：张设计刘勇周润金郑彦奎文档来源： 1．煤炭科学研究总院重庆研究院 2．山西国阳新能股份有限公司		更新日期： 2026年03月06日	点击数：
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2010年4月 矿业安全与环保 第37卷第2期
掘进工作面粉尘分布规律及控降尘
工艺技术试验
张设计 ，刘 勇 ，周润金 ，郑彦奎
(1．煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆400037；2．山西国阳新能股份有限公司，山西阳泉~5008)
摘 要：分析了掘进工作面采用压入式通风时的风流分布特点及粉尘分布规律，在此基础上，针对
某些高瓦斯矿井出于安全考虑限制在掘进工作面使用电动除尘器除尘的规定，进行了高瓦斯综掘工作
面控、降尘工艺技术试验研究，取得了较好的降尘效果。
关键词：掘进工作面；粉尘质量浓度；控尘；喷雾降尘
中图分类号：TD714 ．4 文献标志码：B 文章编号：1008—4495【2010)02—0030—04
国内外实践表明，采用长压短抽通风除尘系统
是降低机掘工作面粉尘浓度最有效的措施之一。但
在一些高瓦斯矿井，如阳煤集团，要求必须采用压入
式通风方式，限制在掘进工作面使用除尘器尤其是
电动除尘器实施抽尘净化措施。因此，在这些矿井，
必须寻求高效喷雾降尘措施及其他有效的控、降尘
工艺技术途径，以降低工作面的粉尘浓度，提高防尘
效果。
笔者从压入式通风条件下掘进工作面的风流及
粉尘分布规律分析人手，通过控、降尘工艺技术试验
研究，得出适合试验条件及类似条件的掘进工作面
防尘工艺技术措施，以改善作业环境。
1 掘进工作面的粉尘分布规律
1．1 风流分布特点
掘进工作面采用压入式通风方式时，在风流出
风口形成的射流属末端封闭的有限贴壁射流⋯ 。如
图1所示，气流射出风筒后贴着巷壁运动，由于卷吸
作用，射流断面逐渐扩张，直至射流断面达到最大
值，此段为射流扩张段，用 表示；然后射流断面逐
渐减小，直至为0，此段称为射流收缩段，用￡ 表示。
从风筒出口至射流反向的最远距离即扩张段与收缩
段之和为射流有效射程，以￡ 表示。在巷道边界条
件下，一般有：
L。：(4～5)S 。 (1)
式中5为巷道断面积，m 。
收稿日期：2009—06—09；2009—09—22修订
作者简介：张设计(1968一)，男，陕西兴平人，研究员，主
要从事煤矿粉尘防治技术的研究工作。
· 3O·
图1 掘进工作面风流分布示意图
一般情况下，风筒出风口距掘进工作面的最大
距离为10 m左右，处于射流有效射程范围之内。在
此范围内，工作面风流形成射流区、回流区以及由于
卷吸作用在射流区和回流区界面上形成的涡
流区[ 。
1．2 粉尘分布规律
根据掘进工作面压人式通风的风流分布特点，
在掘进工作面形成3个流场分区，即射流区、回流区
和涡流区，由于各自区域的流场特性不同，因此其粉
尘浓度及粉尘分布规律也各不相同。根据质量守恒
定律及气体流动连续性原理，建立3区粉尘不均匀
分布模型_3 J。通过求解可得出当通风时间t一∞
时，射流区、涡流区及回流区粉尘浓度：
Ⅳa=No+cq ／qo(q。+q ) (2)
Nb：N =No+c／qo (3)
式中：Ⅳa，N ，N 分别为射流区、涡流区、回流区的平
均粉尘质量浓度，mg／m ；Ⅳn为送风流中的平均粉尘
质量浓度，mg／m ；Q。，Q 分别为工作面送风量、射流
区卷吸风量，m ／rain；G为掘进作业粉尘产生强度，
2010年4月 矿业安全与环保 第37卷第2期
mr：／mIn。
令Q ／(Q。+Q )=卢， 为射流的卷吸流量比，
则：
N =No+(C／Qo)卢 (4)
与射流本身的特性和射程有关，在，J 区内射
程越大，卢越大，当Q ：Q。时，卢取最大值0．5。
从式(3)可以得出，涡流区、回流区中的粉尘分
布相对较稳定，其浓度取决于掘进作业时粉尘的产
生量、送风量及送风流中的粉尘初始浓度，其值等于
假定工作面粉尘分布均匀情况下掘进工作面的平均
粉尘质量浓度。
从式(4)可以得出，射流区粉尘浓度远低于另
外2个区的平均粉尘浓度。其浓度的高低与 值有
关， 越大射流区粉尘浓度越高，但最大为其他2个
区平均粉尘浓度的1／2(假定送风流中的粉尘浓度
为0)。同时，在整个射流扩张区内，粉尘分布也是不
均匀的，粉尘浓度沿射流方向随射程增加而不断增
大，即距风筒出风口越远，射流断面平均粉尘浓度
越高。
从式(3)一(4)还可以看出，G和 不变，增加送
风量Q ，各区粉尘浓度都将降低。掘进作业时煤体
释放的瓦斯量、喷雾产生的水雾量可以假定是恒定
的，则增加送风量，可以降低各区的瓦斯浓度和湿
度。但对掘进作业时的产尘强度而言，风量增加，将
导致产尘强度G增加，各区粉尘浓度可能增加。
2 试验方法
试验地点在阳煤集团三矿南九综掘工作面与阳
煤集团一矿81103回风巷综掘工作面。阳煤集团一
矿81103回风巷综掘工作面风筒、掘进机、人员及控、
降尘设施布置见图2。2个工作面煤质相同，其他条
件如断面、风量、掘进机及生产工艺相似。所不同的
是，南九综掘工作面 800 mm送风风筒布置在掘进
机司机相对一侧，81103综掘工作面 1 000 mm风筒
与掘进机位于同一侧，司机处于射流区扩张段内。
图2 试验工作面人员、设备及控、降尘设备布置示意图
试验采用的控、降尘工艺技术及试验目标是：
1)风筒出风口位置的优化。将风筒布置在掘
进机司机一侧，风筒出风口位于司机后方，使司机位
置在掘进作业期问始终处于明显的射流区扩张段
内，可有效降低司机处的粉尘浓度。合理(防尘效果
好)的出风口位置，即风筒口距工作面煤壁的距离、
风筒口距司机的距离通过现场试验确定。
2)使用控尘帘将掘进工作面分为进风和回风
两个相对独立的通道，控制涡流区粉尘向射流区司
机位置扩散。
3)在掘进机摇臂处，采用高压喷雾引射降尘器，
对滚筒实施高压喷雾降尘。降尘器内布置的4个喷
射管及喷嘴的角度可任意调整，同时，提高喷雾压力
至8～12 MPa，减少喷雾水量，提高雾化效果。
4)采用适当的风筒布置参数，使滚筒截割产生
的粉尘和水雾主要随回风流运动，向司机位置扩散
较少；采用纵向控尘帘，进一步降低司机处粉尘浓
度；采用掘进机高压外喷雾降尘措施，降低回风流粉
尘浓度，使工作面作业环境得到明显改善，生产效率
提高。
3 控、降尘工艺技术试验及效果分析
试验及测试时，压人式风简口距帮和顶的距离，
均按81103试验工作面作业规程要求，距侧帮
500 mm左右，距顶板约300 mm。
3．1 压入式风筒位置对司机处风流及粉尘浓度的
影响
3．1．1 压人式风筒布置
南九综掘工作面司机处粉尘质量浓度测定结果
与81 103回风巷综掘工作面司机处总粉尘质量浓度
的对比情况见表1。试验及测试时，81103回风巷综
掘工作面机组司机处于射流区扩张段内，风筒口距
工作面煤壁6～8 m。
表1 不同的压入式风简位置时司机处粉尘
质量浓度测试结果 mg／m。
⋯ 无 水 触
由表1可以反映出，南九综掘工作面压入式风
筒布置在与司机相对一侧，则司机正好处于回流区，
掘进作业过程中产生的粉尘、喷雾产生的水雾及有
害气体向外排出时都要经过司机处，致使司机处原
始粉尘质量浓度高达1 296．5 mg／m ，采用水压
8 MPa高压喷雾降尘措施，司机处粉尘质量浓度为
362．5 mg／m ，依然较高，且司机处水雾较大，视线非
常模糊，无法看清滚筒，司机处作业环境非常恶劣。
． 31·
2010年4月 矿业安全与环保 第37卷第2期
81 103综掘工作面将压人式风筒布置在司机一侧，且
司机处于射流区扩张段，司机处的粉尘浓度明显降
低，司机处原始粉尘质量浓度平均为117 mg／m ，两
者相比粉尘质量浓度降低了91％；采用水压8 MPa
高压喷雾降尘措施，司机处粉尘质量浓度平均为
90 mg／m ，最小为30 mg／m ，两者相比粉尘质量浓
度降低了75．2％ ，且司机处仅有极少量水雾，极大地
改善了司机处的作业环境。
可见，将压入式风筒布置在司机一侧，且司机处
于射流区扩张段，能够明显降低司机处的粉尘浓度。
3．1．2 压人式风筒口距工作面煤壁的距离
压人式风筒口距工作面煤壁的距离太大，如超
过射流区有效射程(12．6～15．8 m)，则会在射程外
的区域形成循环涡流区，使得滚筒截割区粉尘弥漫，
不利于瓦斯、水雾的排出。若距离太小，如小于
4．5 m(150掘进机司机距工作面煤壁距离为
4．5 m)，则很容易使司机处于涡流区及回流区，不利
于改善司机处的作业环境。试验时，风筒口距工作
面煤壁的距离为2．5 m，司机位于风筒口后方2．5 m
处紧靠风筒右侧。正常掘进时，司机处风流只有一
次测出的是平行于巷道的回风风流，风速是
1．62 m／s，多数情况下无法测出较强平行于巷道中线
的回风和进风风流。分析认为，此处应同时存在有射
流卷吸风和回流风，风流较紊乱。由于司机不处于射
流区内，该处粉尘浓度较高，测定的平均总粉尘质量
浓度为544．4 mg／m ，污染严重。现场试验时风筒口
前方1．5，4，6，8，10 m司机处测定的射流风速分别为
7．54，7．0，6．26，3．85，1．04 m／s，10 m处射流风速明显
减弱。当风筒口距工作面煤壁的距离为6，8．5 m时，
司机位于风筒前方1．5，4 m处的射流扩张段内，司机
处粉尘浓度较小，平均总粉尘质量浓度分别为90，
117 mg／m ，最小分别是30，32．5 mg／m ，如表2所示。
表2 不同的压入式风简口距工作面煤壁距离时
司机处风速及粉尘质量浓度
注：距离数值前“一”表示司机处于风筒后侧；“ ”为采用高压喷
雾后的测定结果平均值。
通过上述对试验数据的分析可以认为，在试验
· 32·
工作面生产条件下，压人式风筒口距工作面煤壁的
距离以5～10 m为宜，以6～8．5 m为最佳。
3．1．3 司机距风筒口的距离
掘进作业时，司机距工作面煤壁4．5 m(由掘进
机型号决定)。上述对试验结果的分析认为，压人式
风筒口距工作面煤壁的距离以5～10 m为宜，以6～
8．5 m为最佳，因此可以得出，司机位于风筒口前方
的距离以0．5～5．5 m为宜，以1．5～4 m为最佳，最
佳作业区间为2．5 m，一般机掘工作面生产条件下，
该距离相当于一个生产班的掘进进度。
3．2 纵向控尘帘控尘效果试验
试验时，将10 m×1．57 m的矩形风筒布纵向吊
挂在司机右侧巷道中线偏左位置的顶板上，将工作
面人为分成1个进风、1个回风的2个独立通道，目
的是防止回风流中的粉尘通过射流的卷吸作用向射
流区司机作业空间扩散。为了试验控尘帘的控尘效
果，试验时压入式风简口距工作面煤壁的距离为6～
8．5 m，使司机处于射流扩张段，分别测定使用控尘
帘前、后司机处的粉尘质量浓度，结果见表3。
表3 使用纵向控尘帘前、后司机处粉尘
质量浓度测试结果 mg／m
由表3可以看出，在相同条件下不使用控尘帘，
司机处平均总粉尘质量浓度为106．3 mg／m ，使用
控尘帘后，司机处总粉尘质量浓度最小30 mg／m ，
平均为84 mg／m ，提高率为2l％。
试验时，在沿射流区下方巷道底板位置，大部分
情况下也存在较明显的回风流，这部分含尘风流不
断受到射流的卷吸作用，并流经司机处，这就是掘进
作业时，射流区司机处粉尘浓度依然不能显著降低
直至达标的根本原因。
3．3 掘进机高压外喷雾对降低回流区粉尘浓度的
效果
为了消除掘进作业时产生的高浓度粉尘对回流
区的污染，进行了掘进机高压喷雾降尘试验。采用
矿用高压喷雾泵站对静压水加压，通过高压管路输
送到安装在掘进机摇臂处的高压喷雾降尘器上；将
降尘器内4个G型高压喷嘴组成的喷雾引射管角度
调整到喷雾能覆盖滚筒尘源，喷雾压力调整为
8 MPa，喷雾水量约25 L／rain。为了对比，分别对使
用高压喷雾降尘技术措施前、后，机尾后2 m处回风
流粉尘质量浓度进行测定，结果见表4。
2010年4月 矿业安全与环保 第37卷第2期
表4 使用高压喷雾前、后机尾后2 m处回风流
粉尘质量浓度测试结果 mg／m
不喷雾时总粉尘浓度
样本值 平均值
8 MPa高压喷雾时总粉尘浓度降尘效聋至／
样本值 平均值 ％
855，790 822．5 200，140，60，115，245 152 81．5
从表4可以看出，不采取喷雾措施时，回风流平
均总粉尘质量浓度为822．5 mg／m。，采用高压喷雾
降尘措施后，回风流平均总粉尘质量浓度降低到
152 mg／m ，降尘效率为81．5％ ，降尘效果较好。
4 结论
1)在掘进工作面采用压人式通风条件下，工作
面形成射流区、回流区及涡流区；涡流区、回流区中
的粉尘浓度取决于掘进作业时粉尘的产生量、送风
量及送风流中的粉尘初始浓度；射流区粉尘浓度远
低于另外2个区的平均粉尘浓度，其高低与JB值有
关， 值越大射流区粉尘浓度越高，最大为其他两区
平均粉尘浓度的1／2。该规律同样适用于掘进作业
时产生的其他有害物，如落煤释放出的瓦斯、喷雾降
尘产生的水雾等。
2)根据掘进工作面粉尘分布规律，试验采用的
控、降尘工艺技术措施，能显著降低工作面司机位置
及回风流的粉尘浓度。将压人式风筒布置在司机一
侧，压人式风简口距工作面煤壁的距离以5～10 m
为宜，以6～8．5 m为最佳，使司机处于射流区扩张
段，采用纵向控尘帘及高压喷雾降尘等综合措施后，
司机处总粉尘质量浓度最小为30 mg／m ，平均
84 me／m ，且司机处基本上没有水雾，回风流平均总
粉尘质量浓度由822．5 me,／m 降低到152 mg／m ，
降尘效率为81．5％ ，极大地改善了工作面的劳动
条件。
3)试验采用的控、降尘工艺技术措施，可以在
类似条件的机掘工作面推广使用。
参考文献：
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(责任编辑：吕晋英)
(上接第29页)
6 结语
利用高速低功耗单片机sTc12LE54l2AD和单
片射频收发芯片nRF905设计的无线瓦斯传感器，具
有低功耗、数据传输距离远、高抗干扰性和移动灵活
等特点，该无线瓦斯传感器把井下瓦斯监测从原来
固定区域点的监测提升到了面的监测，有利于克服
矿井瓦斯监测的“盲区”，提高瓦斯监测的可靠性，具
有较好的实际应用价值。
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(责任编辑：吴自立)
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