一种煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统及方法

1.本发明属于采矿技术领域，涉及一种矿产开采环境净化，特别是一种煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统及方法。


背景技术：

2.煤炭是我国的主要能源，据国家统计局统计，2020年中国火力发电量占总发电量的71.16％。目前煤矿开采机械化、自动化程度不断加深，煤矿开采技术逐渐发展，随之而来的煤矿生产粉尘污染问题日益严重，高浓度粉尘污染严重威胁着矿工职业安全健康和矿井安全高效生产。综采面作业环境相对复杂，粉尘的治理难度较大，综采工作面作为煤矿井下主要产尘点之一，在未采取任何防尘措施时，总尘瞬时浓度可达3000～6000mg/m3。据国家卫生健康委员会报告，截至2020年底，2020年全国报告各类职业病新病例17064例，其中，职业性尘肺病14367例，约占职业病病例总数的84.2％，尘肺病患者主要分布在采矿业，每年用于治疗尘肺病的医疗费用巨大，且2020年因尘肺病死亡病例达6668例，是危害矿工身心健康最为严重的职业病。改善综采工作面作业环境，减少粉尘危害已成为煤炭开采亟待解决的难题。
3.综采工作面工序繁杂，大部分粉尘污染来源于采煤机的截割作业，小部分来自液压支架移架产尘等。而采煤机滚筒及机身会使通入工作面的新鲜风流发生横向偏移，使得采煤机截割产生的大量粉尘带入人行道区域，使得人行道的粉尘浓度大幅上升，严重恶化了综采面作业人员的工作环境，尤其是人行道内的采煤机司机和移架工处，使得煤矿作业人员患尘肺病的风险大大增高，但目前仍没有一种效果较好的方法降低人行道区域的粉尘浓度。为此，本发明提供一种降低人行道尤其是采煤机司机、移架工作业处粉尘浓度的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种经阻尘帘和调风板协同作用，改变进风巷道通入工作面的新鲜风流运移方向，降低工作面人行道处粉尘浓度的煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统及方法。
5.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统，包括顺次串接相连的进风巷道、综采面巷道和回风巷道，所述综采面巷道包括呈平行设置的采煤道和人行道，所述采煤道与所述人行道之间成排设置液压支架，成排的所述液压支架的下部呈平行固设电缆槽，所述采煤道内放置采煤机，成排的所述液压支架上设置锁绳组件，所述锁绳组件的两端对应连接锁绳驱动设备，所述锁绳组件上悬挂竖立于所述采煤机进风后侧的调风板，还悬挂位于所述采煤道与所述人行道之间并平行于所述采煤机的阻尘帘，所述阻尘帘放置在所述液压支架与所述电缆槽之间，所述阻尘帘的表面均匀开设若干通风孔。
6.在上述的煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统中，所述锁绳组件包括相平行设置的
固定钢丝绳和驱动钢丝绳，所述固定钢丝绳的两端固定在所述液压支架上，成排的所述液压支架上均匀间隔固设若干支撑架，所述驱动钢丝绳悬挂在若干所述支撑架上形成滑移连接。
7.在上述的煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统中，所述锁绳驱动设备包括放置于进风巷道中的张紧装置、第一绞车和放置于回风巷道中的第二绞车，所述驱动钢丝绳的一端依次通过水平转向轮、竖直转向轮进入所述张紧装置，再经过所述张紧装置由所述第一绞车卷放连接，所述驱动钢丝绳的另一端依次通过水平转向轮、竖直转向轮直接由所述第二绞车卷放连接。
8.在上述的煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统中，所述支撑架包括固定在所述液压支架上的支撑柱，所述支撑柱下方设有固定轴，所述固定轴上呈转动套接支撑滑轮，所述支撑滑轮的周壁上环设凹槽，所述驱动钢丝绳嵌入所述凹槽内形成滚滑连接。
9.在上述的煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统中，所述阻尘帘通过若干抱索器固定在所述驱动钢丝绳上，所述阻尘帘采用柔性轻质材料制成。
10.在上述的煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统中，所述调风板采用刚性轻质材料制成，所述调风板前后各设有一个滑轮臂，所述滑轮臂包括相固连的连接臂和壳体，所述连接臂与所述调风板通过螺丝固定，所述壳体内穿设固定轴，所述固定轴上呈转动套接具有凹槽的滚动滑轮，所述滚动滑轮卡嵌在所述固定钢丝绳上形成滚滑连接，所述调风板还通过抱索器固连所述驱动钢丝绳。
11.在上述的煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统中，所述进风巷道和所述回风巷道内均架设超前支架，所述进风巷道内的所述张紧装置和第一绞车固装在底座上，所述回风巷道内的第二绞车固装在底座上，所述底座通过至少两个连接柱与所述超前支架固连。
12.在上述的煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统中，所述阻尘帘的底沿距离工作地面的高度为300～700mm；所述调风板的悬挂位置与所述采煤机的距离范围是2500～4500mm。
13.煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统的阻控方法，包括以下步骤：
14.1)、新鲜风流从进风巷道中进入综采面巷道，当新鲜风流运移至调风板处受到阻挡，使新鲜风流改变运移方向，向人行道处汇聚并向下风侧运移，导致采煤截割空间压能显著低于人行道区域，采煤截割空间内的风速显著降低；
15.2)、开启第一绞车和第二绞车，在驱动钢丝绳的带动下使调风板、阻尘帘与采煤机同步前行，新鲜风流在到达阻尘帘处后，部分风流向压能低的采煤截割空间处运移；但因为阻尘帘的通风孔面积小，限制了新鲜风流向采煤截割空间运移风量，导致人行道处压能仍高于采煤截割空间压能，新鲜风流始终由人行道流向采煤截割空间，由此含尘风流被控制在采煤截割空间与阻尘帘之间，无法向人行道处横向偏移，从而降低采煤机司机、移架工处人员接触粉尘；
16.3)、随着新鲜风流向下风侧运移过程中，始终受到通风孔的限制，当在新鲜风流运移至阻尘帘末端时，阻尘帘两侧的压能在允许范围内达到平衡，从而阻尘帘两侧风流保持层流状态向前运移，此时阻尘帘两侧风流显著降低紊乱情况，在下风侧一段区域内保持人行道较低的粉尘浓度，实现综采作业区半封闭化粉尘阻控。
17.在上述的煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统的阻控方法中，在步骤2)进行的同时，截割粉尘被控制在液压支架至采煤截割空间内，使得采煤机外喷雾、液压支架喷雾与截
割粉尘的接触、碰撞几率提升，由于采煤截割产尘区风速较低，同步降低雾场受风流的扰动影响，从而雾场覆盖能力增强，进一步提高喷雾降尘效率，使得大量截割粉尘在此区域沉降，有效降低下风侧粉尘浓度。
18.与现有技术相比，本煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统及方法具有以下有益效果：
19.本发明采用阻尘帘改变风流的运移方向，减少由于采煤机滚筒影响导致的横向偏移风流将大量截割粉尘带入人行道区域，避免人行道区域尤其是采煤机司机、移架工处人员接触大量粉尘，与此同时，将截割粉尘控制在液压支架至煤壁空间内，大大增加采煤机外喷雾、支架喷雾与截割粉尘的接触、碰撞几率，提高喷雾降尘效率。本发明的阻尘帘、调风板可实现随采煤机的顺风、逆风割煤活动同步移动，始终保持采煤机作业区域的压能较低，保持采煤机外喷雾和支架喷雾的高降尘效率，解决了综采工作面难以封闭控尘的难题，该技术省时省力，只需根据采煤机截割速度调整绞车转速即可，全程一人独立完成，大大提高了工作效率。
附图说明
20.图1为本发明中的全局示意图；
21.图2为本发明中的综采工作面示意图；
22.图3为本发明中的进风巷道示意图；
23.图4为本发明中的回风巷道示意图；
24.图5为本发明中的阻尘帘示意图；
25.图6为本发明中的调风板示意图；
26.图7为本发明中的支撑架示意图；
27.图8为本发明中的原理示意图；
28.图9为本发明中的数值模拟示意图。
29.图中，1-阻尘帘；2-调风板；3-抱索器；4-滑轮臂；401-连接臂；402-壳体；403-滚动滑轮；5-驱动钢丝绳；6-固定钢丝绳；7-支撑架；701-支撑柱；702-固定轴；703-支撑滑轮；8-水平转向轮；9-竖直转向轮；10-张紧装置；11-第一绞车；12-第二绞车；13-底座；14-超前支架；15-液压支架；16-采煤机；17-电缆槽；18-进风巷道；19-综采面巷道；20-回风巷道。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
31.如图1至图8所示，本煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统，包括顺次串接相连的进风巷道18、综采面巷道19和回风巷道20，综采面巷道19包括呈平行设置的采煤道和人行道，采煤道与人行道之间成排设置液压支架15，成排的液压支架15的下部呈平行固设电缆槽17，采煤道内放置采煤机16，成排的液压支架15上设置锁绳组件，锁绳组件的两端对应连接锁绳驱动设备，锁绳组件上悬挂竖立于采煤机16进风后侧的调风板2，还悬挂位于采煤道与人行道之间并平行于采煤机16的阻尘帘1，阻尘帘1放置在液压支架15与电缆槽17之间，阻尘帘1的表面均匀开设若干通风孔。
32.阻尘帘1的长度略大于采煤机16的长度，使得采煤机16截割煤壁过程中产生的粉
尘不会直接扩散到人行道中。通风孔具体为圆形或方形等形状的小孔，利用多孔介质限制通过风流的流速。通风孔的直径在30～70mm范围内，在保证一定风流通过的同时，使人行道内的作业人员也可以通过通风孔观察采煤机16的截割作业情况，尤其不影响采煤机16司机视野。将阻尘帘1放置于电缆槽17与液压支架15之间，从而避免阻尘帘1因风流摆动而影响采煤机16作业。
33.锁绳组件包括相平行设置的固定钢丝绳6和驱动钢丝绳5，固定钢丝绳6的两端固定在液压支架15上，固定钢丝绳6两端距离工作面1000～2000mm，为采煤机16在截割边缘煤壁时为调风板2提供足够的安全距离，也避免调风板2影响采煤机16作业。成排的液压支架15上均匀间隔固设若干支撑架7，驱动钢丝绳5悬挂在若干支撑架7上形成滑移连接，防止驱动钢丝绳5出现过度下垂。
34.锁绳驱动设备包括放置于进风巷道18中的张紧装置10、第一绞车11和放置于回风巷道20中的第二绞车12，驱动钢丝绳5的一端依次通过水平转向轮8、竖直转向轮9进入张紧装置10，再经过张紧装置10由第一绞车11卷放连接，驱动钢丝绳5的另一端依次通过水平转向轮8、竖直转向轮9直接由第二绞车12卷放连接。张紧装置10为驱动钢丝绳5前后移动提供适当的拉紧力，避免液压支架15在移动过程中驱动钢丝绳5的长度发生变化，导致拉紧损坏或松弛下坠，同时保证绞车对驱动钢丝绳5的移动速度可控。水平转向轮8由两个滑轮组成，驱动钢丝绳5从两个滑轮之间通过，水平转向轮8在水平调整驱动钢丝绳5移动方向的同时，还能起到一定的支撑作用。竖直转向轮9可将驱动钢丝绳5的移动方向在竖直方向和水平方向中切换。水平转向轮8、竖直转向轮9与工作面的距离为2000～4000mm，在为固定钢丝绳6上的调风板2预留足够空间的同时，将与驱动钢丝绳5连接的张紧装置10和绞车的位置尽可能的贴近进风巷道18或回风巷道20外侧，为井下作业人员的预留足够的空间，避免影响作业。
35.支撑架7包括固定在液压支架15上的支撑柱701，支撑柱701具体固定在液压支架15的顶梁上，且与护帮板距离为2000～3000mm，以保证液压支架15的护帮板回收时不受影响。支撑柱701下方设有固定轴702，固定轴702上呈转动套接支撑滑轮703，支撑滑轮703的周壁上环设凹槽，驱动钢丝绳5嵌入凹槽内形成滚滑连接。
36.阻尘帘1通过若干抱索器3固定在驱动钢丝绳5上，阻尘帘1采用柔性轻质材料制成。轻柔的阻尘帘1可防止移架过程中驱动钢丝绳5发生弯折损坏，并减轻重量降低负载。
37.调风板2采用刚性轻质材料制成，用以降低固定钢丝绳6的负荷。调风板2前后各设有一个滑轮臂4，滑轮臂4包括相固连的连接臂401和壳体402，连接臂401与调风板2通过螺丝固定，壳体402内穿设固定轴702，固定轴702上呈转动套接具有凹槽的滚动滑轮403，滚动滑轮403卡嵌在固定钢丝绳6上形成滚滑连接，利用滚动滑轮403将滑动摩擦力转化为滚动摩擦力，使得调风板2在移动时产生的摩擦力大幅降低。调风板2还通过抱索器3固连驱动钢丝绳5。
38.进风巷道18和回风巷道20内均架设超前支架14，进风巷道18内的张紧装置10和第一绞车11固装在底座13上，回风巷道20内的第二绞车12固装在底座13上，底座13通过至少两个连接柱与超前支架14固连。底座13可以随着超前支架14的移动同步移动。底座13前后下边缘均采用圆角处理，从而降低移动时的摩擦阻力。
39.阻尘帘1的底沿距离工作地面的高度为300～700mm，从而避免在移动中阻尘帘1底
部与巷道底板摩擦；调风板2的悬挂位置与采煤机16的距离范围是2500～4500mm，从而保证足够的安全距离。
40.煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统的阻控方法，包括以下步骤：
41.1)、新鲜风流从进风巷道18中进入综采面巷道19，当新鲜风流运移至调风板2处受到阻挡，使新鲜风流改变运移方向，向人行道处汇聚并向下风侧运移，导致采煤截割空间压能显著低于人行道区域，采煤截割空间内的风速显著降低；
42.2)、开启第一绞车11和第二绞车12，在驱动钢丝绳5的带动下使调风板2、阻尘帘1与采煤机16同步前行，新鲜风流在到达阻尘帘1处后，部分风流向压能低的采煤截割空间处运移；但因为阻尘帘1的通风孔面积小，限制了新鲜风流向采煤截割空间运移风量，导致人行道处压能仍高于采煤截割空间压能，新鲜风流始终由人行道流向采煤截割空间，由此含尘风流被控制在采煤截割空间与阻尘帘1之间，无法向人行道处横向偏移，从而降低采煤机16司机、移架工处人员接触粉尘；
43.3)、随着新鲜风流向下风侧运移过程中，始终受到通风孔的限制，当在新鲜风流运移至阻尘帘1末端时，阻尘帘1两侧的压能在允许范围内达到平衡，从而阻尘帘1两侧风流保持层流状态向前运移，此时阻尘帘1两侧风流显著降低紊乱情况，在下风侧一段区域内保持人行道较低的粉尘浓度，实现综采作业区半封闭化粉尘阻控。
44.在步骤2)进行的同时，截割粉尘被控制在液压支架15至采煤截割空间内，使得采煤机16外喷雾、液压支架15喷雾与截割粉尘的接触、碰撞几率提升，由于采煤截割产尘区风速较低，同步降低雾场受风流的扰动影响，从而雾场覆盖能力增强，进一步提高喷雾降尘效率，使得大量截割粉尘在此区域沉降，有效降低下风侧粉尘浓度。
45.如图9所示，为了进一步展示本发明的特点，对本发明进行ansys fluent数值模拟分析，将不使用任何技术措施状态下采煤机16司机处、移架工处和人行道下风侧10m处粉尘浓度与使用本发明技术后粉尘浓度进行对比。
[0046][0047]
从表中数据可以明显看出，采煤机司机和人行道下风侧10m处在使用了本发明后粉尘浓度明显降低，司机处总尘降尘效率为86.78％、呼尘降尘效率为82.51％，与此同时，人行道下风侧10m仍然保持较高的控尘效率。由此可见，本发明可有效降低人行道区域粉尘浓度，降低煤矿作业人员患尘肺病的风险，有效保护作业人员职业健康。
[0048]
与现有技术相比，本煤矿作业区半封闭化粉尘阻控系统及方法具有以下有益效果：
[0049]
本发明采用阻尘帘1改变风流的运移方向，减少由于采煤机16滚筒影响导致的横向偏移风流将大量截割粉尘带入人行道区域，避免人行道区域尤其是采煤机16司机、移架工处人员接触大量粉尘，与此同时，将截割粉尘控制在液压支架15至煤壁空间内，大大增加采煤机16外喷雾、支架喷雾与截割粉尘的接触、碰撞几率，提高喷雾降尘效率。本发明的阻尘帘1、调风板2可实现随采煤机16的顺风、逆风割煤活动同步移动，始终保持采煤机16作业
区域的压能较低，保持采煤机16外喷雾和支架喷雾的高降尘效率，解决了综采工作面难以封闭控尘的难题，该技术省时省力，只需根据采煤机16截割速度调整绞车转速即可，全程一人独立完成，大大提高了工作效率。
[0050]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。