范鵬飛

(神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719300)

0 引言

采掘工作面粉塵污染問題隨著機(jī)械化程度的提高越來越嚴(yán)重，不僅惡化了作業(yè)環(huán)境，影響工人的身體健康，也大大地影響了工作面的生產(chǎn)效率，同時工作空間漂浮著大量的爆炸性粉塵也給采掘作業(yè)帶來了潛在的安全威脅。因此，做好采掘工作面防塵對于保護(hù)礦工的身心健康和保證礦井的安全生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

針對涼水井礦井來說，采用高效的現(xiàn)代化采掘技術(shù)，使工作面的產(chǎn)塵量比傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)大大增加，嚴(yán)重影響了企業(yè)的安全生產(chǎn)，是目前現(xiàn)代化采掘所必須解決的主要技術(shù)難點。因此進(jìn)行涼水井礦井采掘面粉塵高效抑制技術(shù)的研究，以解決采掘面防塵系統(tǒng)各子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，降低采掘面人員作業(yè)區(qū)域居高不下的粉塵濃度，是礦井目前急需解決的重要課題，也是目前涼水井礦井安全生產(chǎn)及提高礦井開采效率的重要工作之一，而且此項目的研究對涼水井煤礦建成標(biāo)準(zhǔn)無塵化礦井也有重要意義。

1 礦井概況

涼水井礦井及選煤廠項目于2005年3月開工建設(shè)，2008年8月投入聯(lián)合試運轉(zhuǎn)，2009年4月通過國家建設(shè)項目竣工驗收，正式投入生產(chǎn)，成為陜西省在陜北大型煤炭基地建成投產(chǎn)的第一座現(xiàn)代化大型礦井。目前開采4－2層煤，煤層自燃傾向等級為I級，屬于容易自燃煤層。礦井煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)為38.44%，多個產(chǎn)塵環(huán)節(jié)及易于附著堆積，需要治理。

2 采掘面塵源的形成分析

煤礦粉塵的主要來源是采掘、運輸和錨噴等作業(yè)場所，其中，以采掘面產(chǎn)塵量最大，占全部粉塵量的80%以上，因此，分析與研究采掘面塵源的形成及其分布，對有針對性的實施各項防塵措施具有重要作用。

綜采工作面的產(chǎn)塵環(huán)節(jié)主要是有滾筒采煤機(jī)割煤、移動支架等工序。采煤機(jī)滾筒割煤時，粉塵的形成主要有以下三種因素造成:

1)壓固核的形成導(dǎo)致粉塵的產(chǎn)生

采煤機(jī)滾筒在旋轉(zhuǎn)過程中，截齒以一定速度截煤，由于截齒向前運動而產(chǎn)生擠壓作用，使煤產(chǎn)生拉力和應(yīng)變截齒前的煤被擠壓成一個強度與密度和正常煤不同的煤塊，這個煤塊稱為壓固核。隨著采煤機(jī)截齒的前進(jìn)，其阻力繼續(xù)上升直至壓固核與煤體分開為止，由于彈性變形作用，使煤在彈性能的作用下，以較高的速度從截齒前飛出。而壓固核內(nèi)的煤體在經(jīng)此強壓和釋放的過程大部分變成粉塵。

2)摩擦與碾壓

采煤機(jī)運行一段時間后，如不及時更換被磨損的截齒，則在截煤時截齒與煤體的接觸由切割變成研磨，將導(dǎo)致細(xì)微粉塵的大量產(chǎn)生。

3)沖擊與振動

截齒對煤的沖擊必將產(chǎn)生煤塵，而且沖擊力越大所產(chǎn)生的粉塵越多。此外，煤體或煤塊受到強烈振動，可以使原來的裂隙增加與變大，從而產(chǎn)生粉塵。

在掘進(jìn)工作面中，打眼和爆破作業(yè)是最主要的兩個產(chǎn)塵工序。

3 綜采掘面粉塵治理對策及其降塵效果分析

3.1 綜采面降塵技術(shù)應(yīng)用及效果

對綜采工作面而言，盡管大部分礦井采用了采煤機(jī)內(nèi)外噴霧和移架噴霧、轉(zhuǎn)載噴霧和凈化水幕技術(shù)，取得了一定的降塵效果，但降塵效果十分有限，仍不能滿足現(xiàn)代化綜采工作面降塵的需要。

滾筒割煤產(chǎn)塵的擴(kuò)散是綜采面降塵工作的重點，完成該技術(shù)的研究任務(wù)，將對綜采面粉塵治理工作有很大促進(jìn)作用。由于受風(fēng)向影響，噴霧噴出的水幕不足以覆蓋滾筒及產(chǎn)塵點。通過實際生產(chǎn)觀察，發(fā)現(xiàn)綜采工作面的主要產(chǎn)塵點在滾筒的背風(fēng)側(cè)，故針對現(xiàn)場實際情況，涼水井煤礦自行研制新型噴霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3組高效噴頭聯(lián)合組成，有鋼筋及鋼板做外沿，保護(hù)噴頭，其中右滾筒噴霧與水平面夾角為45°，左滾筒噴霧與水平面夾角為60°。噴頭經(jīng)過φ13的高壓膠管至三通與煤機(jī)冷卻用水相連接。具體布置如圖1所示。

圖1 新型噴霧模塊控制滾筒產(chǎn)塵源裝置示意圖

為了改變工作面水壓不足、水質(zhì)較差的現(xiàn)狀，決定使用采煤機(jī)冷卻水來替代原有噴霧降塵用水。據(jù)統(tǒng)計，兩組噴霧用水量約為40 L/min，而采煤機(jī)冷卻水的富余量高達(dá)106 L/min，不會對采煤機(jī)冷卻安全造成負(fù)面影響，從而有效解決了噴霧用水問題。

由于煤塵具有疏水性，水的表面張力較大，清水降塵的應(yīng)用往往達(dá)不到理想的效果，為提高水潤濕煤塵的能力需降低水的表面張力，通過在水中加入表面活性劑，降低水的表面張力，使其降低到45 mN/m以下，此時煤塵易于被濕潤，從而達(dá)到提高降塵效果之目的。結(jié)合本次對綜合防塵方案的實施，采用安龍牌煤塵抑制劑(已獲國家專利，專利號為200810171888)，有效降低了清水表面張力，使其降至25 mN/m左右，如表1。且濕潤速度明顯提高，濕潤時間為0.2 s。

表1 添加不同濃度煤塵抑制劑粉塵的平均表面張力

經(jīng)過上述手段的聯(lián)合使用，42107綜采工作面粉塵濃度已經(jīng)得到了有效控制，降塵效率高達(dá)97.59%?；仫L(fēng)巷的粉塵已經(jīng)接近了礦井允許濃度(10 mg/m3)。降塵前后空氣中粉塵濃度如表2所示。

表2 采取降塵措施前后降塵效果對照表

3.2 綜掘面密閉除塵系統(tǒng)應(yīng)用

傳統(tǒng)的機(jī)掘工作面防塵主要是采用掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧、掘進(jìn)機(jī)液壓除塵風(fēng)機(jī)以及除塵器的抽塵凈化系統(tǒng)，但是，傳統(tǒng)除塵技術(shù)有較多的缺陷和局限性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足綜掘工作面有效防塵的需要，導(dǎo)致機(jī)掘工作面的粉塵濃度處于嚴(yán)重超標(biāo)的狀態(tài)。目前，世界各國在機(jī)掘工作面方面做了大量的研究，并取得了較大的成果，初步形成了以封閉控塵和吸塵除塵相結(jié)合的綜合防塵技術(shù)，但是現(xiàn)有的綜掘面封閉控塵和除塵技術(shù)仍有較多的不足，仍不能有效地降低工作面現(xiàn)場粉塵濃度。涼水井煤礦現(xiàn)有掘進(jìn)工作面6個，降低綜掘面粉塵濃度尤為重要，采用傳統(tǒng)的機(jī)載噴霧及巷道凈化水幕的方式，降塵效果差、無法滿足安全需要。

為了避免綜掘工作面產(chǎn)生的粉塵進(jìn)入回風(fēng)流中，結(jié)合涼水井煤礦的實際情況，本課題采用風(fēng)幕控塵與濕式除塵風(fēng)機(jī)除塵相結(jié)合密閉式系統(tǒng)對粉塵進(jìn)行綜合治理。另外，針對綜采面產(chǎn)塵強度大，且難以控制的特點，本文采用掘進(jìn)機(jī)割齒泡沫抑塵、附壁風(fēng)筒控塵以及凈化水幕降塵輔助方式聯(lián)合降塵，進(jìn)一步有效降低粉塵濃度。綜掘工作面密閉式除塵系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖2。

圖2 綜掘工作面密閉除塵系統(tǒng)布置示意圖

3.2.1 封閉式高分子泡沫降塵技術(shù)

該技術(shù)包括風(fēng)環(huán)式風(fēng)幕、高分子泡沫發(fā)生裝置等，如圖3。風(fēng)環(huán)式風(fēng)幕降塵技術(shù)采用發(fā)泡器包圍產(chǎn)塵源方式降塵，工作時，大量的泡沫裹住切割頭，切割頭在割煤巖過程中割齒將大量泡沫帶至煤巖深處，使大部分粉塵在第一時間隨泡沫一起被切割頭甩出并快速沉降，并且可防止粉塵二次飛揚，達(dá)到抑塵效果。同時泡沫還可以包裹截割頭，起到冷卻作用，可以替代綜掘機(jī)外噴霧的效果。

圖3 綜掘工作面風(fēng)環(huán)式風(fēng)幕高分子泡沫綜合防塵示意圖

其降塵機(jī)理包括:攔截、粘附、濕潤以及沉降等，幾乎可以捕集所有與泡沫相遇的粉塵，尤其對呼吸性粉塵有更強的捕獲能力，而且用水量較少。

為了有效控制泡沫的覆蓋范圍，防止泡沫向周圍擴(kuò)散影響司機(jī)的視野，在泡沫噴出裝置后方設(shè)置風(fēng)環(huán)式風(fēng)幕，利用風(fēng)幕控制泡沫捕獲粉塵的空間，將其僅固定在截割頭的范圍。風(fēng)幕斷面風(fēng)流的實際有效壓力ΔH根據(jù)以下公式計算:

式中 ρ——空氣密度，kg/m3;

Qc——空氣幕出風(fēng)口風(fēng)量流量，m3/s;

θ——空氣幕射流軸線與巷道軸線夾角，(°);

S——空氣幕出口斷面積，m2;

Sc——巷道斷面積，m2。

根據(jù)涼水井煤礦的掘進(jìn)工作面實際情況，Qc取 1.2 m3/s，θ取 30°，S 取 9.3 m2，則 ΔH=91.97Pa。

封閉空間由風(fēng)幕圍成;泡沫由發(fā)泡劑、濕潤劑、穩(wěn)定劑和水混合而成的發(fā)泡液裝置噴射生成。發(fā)泡裝置原理示意圖4如下。

圖4 泡沫發(fā)生裝置示意圖

通過實驗及現(xiàn)場應(yīng)用，該泡沫降塵劑達(dá)到了以下要求:對粉塵的良好捕捉能力;發(fā)泡裝置噴出泡沫平均粒徑約為15 mm;泡沫壽命為60 s左右;為了達(dá)到有效的除塵效果，泡沫的平均壁厚為0.005～0.008 mm。

3.2.2 附壁風(fēng)筒降塵技術(shù)

附壁風(fēng)筒是一種利用氣流附壁效應(yīng)，將原壓入式風(fēng)筒供給綜掘機(jī)工作面的軸向風(fēng)流改變?yōu)檠叵锏赖男D(zhuǎn)風(fēng)流，并以一定旋轉(zhuǎn)速度吹向巷道的周壁及整個巷道斷面，形成一風(fēng)墻，并不斷向綜掘工作面推進(jìn)，在除塵器吸入含塵氣流產(chǎn)生軸向速度的共同作用下，變成一股具有較高能量的螺旋狀氣流，在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工作區(qū)域的前方建立起阻擋粉塵向外擴(kuò)散的空氣幕，封鎖住掘進(jìn)機(jī)工作時產(chǎn)生的粉塵，使之經(jīng)過吸塵風(fēng)筒吸入除塵器中進(jìn)行凈化而不外流，從而提高綜掘機(jī)工作面的降塵效率。

目前國內(nèi)使用除塵風(fēng)機(jī)的掘進(jìn)機(jī)工作面壓入式通風(fēng)筒上，大都沒有安裝附壁風(fēng)筒，風(fēng)流徑直吹向工作面，相當(dāng)部分的粉塵還沒來得及被抽入吸塵口就被風(fēng)流帶出工作面，降塵效率低。此次通風(fēng)除塵系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)國內(nèi)外系統(tǒng)的供風(fēng)要求，在附壁風(fēng)筒前連接了導(dǎo)流風(fēng)筒，設(shè)計了合適與綜掘機(jī)組合掘進(jìn)壓入通風(fēng)配套使用的濕式除塵系統(tǒng)。附壁風(fēng)筒設(shè)計如圖5。

圖5 附壁風(fēng)筒形成風(fēng)幕結(jié)構(gòu)示意圖

在掘進(jìn)時，工作面通風(fēng)系統(tǒng)外圍長壓短抽的混合式通風(fēng)方式，此時要求壓入供風(fēng)口距掘進(jìn)頭距離不應(yīng)大于5，S為巷道斷面面積。壓入供風(fēng)口距掘進(jìn)頭太近，不易形成控制粉塵的風(fēng)幕。

吸塵口距掘進(jìn)機(jī)距離太小，掘進(jìn)機(jī)割煤時，由于機(jī)械力的作用是相當(dāng)部分來不及吸入吸塵口就被分流帶出工作面，若距掘進(jìn)頭太遠(yuǎn)，工作面的粉塵經(jīng)過掘進(jìn)機(jī)司機(jī)后才被吸入除塵器，根據(jù)理論推導(dǎo)和實踐證明，吸塵口距掘進(jìn)頭的距離應(yīng)大于1.5。

3.2.3 濕式除塵風(fēng)機(jī)降塵技術(shù)

根據(jù)國內(nèi)外大量的理論研究和試驗證明:利用除塵器除塵是降低綜掘工作面粉塵濃度最為有效的技術(shù)手段之一，具體可以分為四類:機(jī)械式、過濾濕式以及電除塵器。但考慮到井下綜掘面工作空間狹小、有較高的除塵效率以及防止靜電問題，綜合考慮，采故用高效濕式除塵器。

對于擴(kuò)散到工作空間未被捕捉的粉塵，通過渦流控塵系統(tǒng)與濕式除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)一步作用，其中渦流控塵系統(tǒng)安裝在附壁風(fēng)筒出口附近，濕式除塵風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、使用方便的特點，安裝在掘進(jìn)機(jī)上隨機(jī)運行，其吸風(fēng)口距離工作面10 m左右，利用濕式除塵風(fēng)機(jī)的性能，對空氣進(jìn)行凈化。

結(jié)合附壁風(fēng)筒的壓風(fēng)控塵作用以及渦流控塵系統(tǒng)，聯(lián)合濕式除塵風(fēng)機(jī)構(gòu)成長壓短抽密閉除塵系統(tǒng)，根據(jù)在應(yīng)用效果分析，降塵效果到達(dá)70%以上，表3所示。

表3 采取綜合防塵前后降塵效果對照表

4 結(jié)論

綜采工作面通過利用新型噴霧模塊控制含沉氣流的擴(kuò)散，并利用煤塵抑制劑有效提高了對煤塵的捕獲能力。

綜掘工作面利用封閉式除塵系統(tǒng)，在設(shè)計附壁風(fēng)筒、封閉式高分子泡沫降塵等關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計了新型綜掘工作面附壁風(fēng)筒密閉式除塵系統(tǒng)，大大降低了司機(jī)附近的粉塵濃度，并改善了工作環(huán)境。

涼水井煤礦在綜合防塵方面做了大量工作，但距《規(guī)程》要求還有一段差距，這就要求我們進(jìn)一步探索粉塵治理的新技術(shù)，對無塵化礦井建設(shè)提出新思路。

［1］ 李如明，郭勝均，許學(xué)成，張設(shè)計，王保群.綜掘工作面綜合防塵技術(shù)的實踐及應(yīng)用 ［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2005， (05):64－65

［2］ 牛朝旭.綜采工作面的粉塵分布及治理對策［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，(04):29－30

［3］ 張仙保.綜合防塵技術(shù)在煤礦的應(yīng)用實踐［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2006，(03):78－80

［6］ 陳東春，徐培銘，李燃.煤礦粉塵現(xiàn)狀及綜合防治技術(shù)探討 ［J］.礦業(yè)工程，2010，(03):59－62

［7］ 聶文，程衛(wèi)民，郭允相，等.綜掘面空氣幕封閉式除塵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 ［J］.煤礦安全，2009，(03):19－22

［8］ 常建兵，劉濤，胥奎，李建國.綜掘工作面粉塵防治技術(shù)研究 ［J］.煤炭工程，2007，(03):53－55

［9］ 趙士兵，施云峰.濕式綜合除塵系統(tǒng)在斜井綜掘工作面的運用 ［J］.煤炭工程，2011，(09):115－116

［10］ 張義坤.煤礦綜掘面泡沫降塵技術(shù)研究與實施 ［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2012，(02):151－156