王利京

(中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100120)

礦井防塵一直是煤炭行業(yè)災(zāi)害防治工作的重點(diǎn)。在過(guò)去的防塵措施研究中，專(zhuān)家們提出許多減塵、降塵、除塵的常規(guī)措施，但是針對(duì)王家?guī)X礦低滲透、疏水性煤層綜掘工作面這種情況的綜合防塵技術(shù)研究的相對(duì)少一些。本文針對(duì)王家?guī)X煤礦2#煤層賦存特征、理化性質(zhì)以及綜掘工作面粉塵擴(kuò)散規(guī)律，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)低滲透、疏水性煤層快速綜掘工作面綜合防塵進(jìn)行了科學(xué)研究，得出一種適用于該煤層快速綜掘工作面風(fēng)流流場(chǎng)及產(chǎn)塵特性的高效綜合除塵裝置，實(shí)現(xiàn)了全方位、多層次綜合防塵，提高了除塵效果。

1 王家?guī)X礦2煤層開(kāi)采條件

王家?guī)X礦開(kāi)采的2#煤層屬于穩(wěn)定厚煤層，平均厚度6.84 m，頂?shù)装鍨槟鄮r、粉砂巖，2#煤層孔隙率2.7%，滲透性極差，煤體吸水率為0.22%～0.34%，添加濕潤(rùn)劑后，吸水率增加不明顯。煤原始水分含量為0.12%～0.85%，煤體非常干燥易碎，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.4。采用反向滲透法測(cè)試表明，煤塵屬絕對(duì)憎水性煤塵，U20≈0。2#煤層的產(chǎn)塵能力為0.03295 g/J，掘進(jìn)時(shí)呼吸性粉塵比例21.4%～23.5%，巷道沉積煤塵呼吸性粉塵所占比例38.5%～40.6%。2#煤層在施工的時(shí)候均采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)機(jī)全斷面施工，選用了EBZ-220型懸臂式掘進(jìn)機(jī)，沿巷道底板掘進(jìn)。巷道為矩形斷面，寬5.6 m，高3.4 m，支護(hù)方式為錨網(wǎng)索加鋼筋聯(lián)合支護(hù)。

2 王家?guī)X礦2煤層防塵現(xiàn)狀

王家?guī)X礦前期分別開(kāi)展了分段煤層注水、高壓噴霧、泡沫除塵以及長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)除塵技術(shù)研究，其中煤層注水是降低煤層開(kāi)采和巷道掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)塵量的最有效措施，但是該技術(shù)存在著注水壓力低、封孔深度較淺、注水時(shí)間較短、不能濕潤(rùn)整個(gè)巷道斷面的不足，尤其是針對(duì)王家?guī)X2#煤層這種低孔隙、難濕潤(rùn)煤層，效果極其有限。

高壓噴霧具有霧化效果好、速度高、射程遠(yuǎn)、水量較小、覆蓋面積大、降塵效率高、引射風(fēng)量大等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦防塵中得到廣泛應(yīng)用。但是高壓噴霧在掘進(jìn)頭與粉塵充分混合，把粉塵捕捉后，含塵水霧沒(méi)有足夠的沉降時(shí)間，大量細(xì)微霧粒在掘進(jìn)頭積聚，影響司機(jī)操作視線；同時(shí)司機(jī)位于風(fēng)流回流區(qū)，處于粉塵及水霧擴(kuò)散運(yùn)移并迅速沉降區(qū)域，受水霧擴(kuò)散運(yùn)移影響較為嚴(yán)重，導(dǎo)致司機(jī)的作業(yè)環(huán)境較差。

泡沫除塵是利用壓氣和水將生成的泡沫噴射到掘進(jìn)機(jī)截割滾筒和煤壁上，通過(guò)將煤體覆蓋來(lái)降低作業(yè)時(shí)的產(chǎn)塵量，但是此技術(shù)應(yīng)用成本較高，在工程上較少使用。

長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)除塵措施由于沒(méi)有有效的控塵措施，造成掘進(jìn)頭風(fēng)流無(wú)序擴(kuò)散，粉塵彌漫至作業(yè)空間，同時(shí)吸塵罩安裝位置極不合理，系統(tǒng)工作時(shí)在掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭及機(jī)尾形成循環(huán)風(fēng)，影響視線，收塵效果差，司機(jī)處的總粉塵及呼吸性粉塵濃度高達(dá)1224 mg/m3和312 mg/m3

3 綜合防塵技術(shù)研究

3.1 技術(shù)原理

針對(duì)王家?guī)X礦2#煤層低滲透疏水性等特點(diǎn)，采用綜掘機(jī)環(huán)形靜壓大流量噴霧抑塵技術(shù)，快速濕潤(rùn)煤體，有效抑制割煤和垮落產(chǎn)塵。采用分段調(diào)風(fēng)控塵技術(shù)，保證軸、徑向出風(fēng)相匹配，形成向前推進(jìn)的最佳控塵風(fēng)流，將含塵氣流控制在工作面前部2 m范圍內(nèi)。采用具有適應(yīng)工作面產(chǎn)塵特點(diǎn)的分布式收塵凈化系統(tǒng)，多點(diǎn)多層次快速吸塵，實(shí)現(xiàn)除塵器高效抽塵凈化。轉(zhuǎn)載點(diǎn)采用多層次噴霧控降塵裝置有效壓降、濕潤(rùn)煤塵，防止運(yùn)煤時(shí)二次揚(yáng)塵。在工作面形成具有高效降塵的前、中、后分布立體式聯(lián)合控降塵技術(shù)措施，如圖1所示。

3.2 掘進(jìn)機(jī)高效噴霧抑塵技術(shù)研究

3.2.1 裝置的設(shè)計(jì)及噴嘴的選型

綜掘面噴霧裝置安裝布置示意圖如圖2所示。在搖臂根部機(jī)面上布置環(huán)形噴霧裝置，在噴霧裝置下部左右兩端各安裝若干垂直向下的噴嘴，通過(guò)豎向噴霧在搖臂下側(cè)形成霧幕墻，阻止垮落沖擊產(chǎn)塵向外擴(kuò)散的同時(shí)進(jìn)行噴霧降塵，在炮頭兩側(cè)布置噴嘴側(cè)向噴霧朝向巷道兩幫，形成水霧墻，阻止粉塵向后擴(kuò)散。

3.2.2 轉(zhuǎn)載點(diǎn)多層次噴霧降塵技術(shù)

低壓大流量噴霧裝置安裝示意圖如圖3所示。其中，第一組轉(zhuǎn)載噴霧裝置布置于轉(zhuǎn)載點(diǎn)前方，在轉(zhuǎn)載前濕潤(rùn)煤體，減少轉(zhuǎn)載時(shí)產(chǎn)塵量；第二組轉(zhuǎn)載噴霧裝置布置于轉(zhuǎn)載點(diǎn)上方，壓制轉(zhuǎn)載點(diǎn)進(jìn)行噴霧降塵，阻止煤體在轉(zhuǎn)載時(shí)產(chǎn)塵的同時(shí)對(duì)產(chǎn)生的粉塵就地降塵；第三組轉(zhuǎn)載噴霧裝置位于轉(zhuǎn)載后1 m，噴霧朝向轉(zhuǎn)載點(diǎn)，阻止轉(zhuǎn)載產(chǎn)生粉塵被風(fēng)流及膠帶運(yùn)輸產(chǎn)生的慣性帶出，把粉塵壓制在轉(zhuǎn)載點(diǎn)局部空間的同時(shí)進(jìn)行噴霧降塵；經(jīng)過(guò)三組噴霧，增加煤體水分，減少后方運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)及膠帶運(yùn)輸過(guò)程的產(chǎn)塵。

1-綜掘機(jī)外噴霧裝置；2-正吸罩；3-?400 mm骨架風(fēng)筒吸塵口；4-側(cè)吸罩； 5-風(fēng)流分配裝置；6-轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧裝置；7-?800 mm整流風(fēng)筒；8-懸掛用鋼繩；9-控塵風(fēng)筒及調(diào)風(fēng)閥門(mén)；10-配套骨架風(fēng)筒；11-除塵器；12-除塵器承載小車(chē)；13-?1000mm供風(fēng)軟風(fēng)筒；14-?300 mm吸塵罩連接風(fēng)筒；15-?700 mm除塵器連接用骨架風(fēng)筒；16-掘進(jìn)機(jī)右側(cè)吸塵罩；17-?400 mm連接用骨架風(fēng)筒圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2 綜掘面噴霧裝置安裝布置示意圖

3.3 高效控風(fēng)除塵技術(shù)及裝備研究

3.3.1 控風(fēng)控塵技術(shù)與裝備研究

控風(fēng)除塵系統(tǒng)利用骨架風(fēng)筒制作，通過(guò)側(cè)面開(kāi)口實(shí)現(xiàn)分風(fēng)，簡(jiǎn)易輕便。此外，為了適應(yīng)工作面快速掘進(jìn)的需求，借鑒單軌吊的思路設(shè)計(jì)了一種輕質(zhì)吊滑軌，與整流風(fēng)筒、調(diào)風(fēng)閥門(mén)、附壁風(fēng)筒、伸縮骨架風(fēng)筒及風(fēng)筒儲(chǔ)存器等部件共同形成了一套掘進(jìn)工作面控塵裝置，定期前移，操作便捷。

3.3.2 高效收塵凈化系統(tǒng)與裝備研究

除塵器機(jī)尾跟隨式布置示意圖如圖4所示。除塵器通過(guò)專(zhuān)用平板小車(chē)置于轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾跑道上并與轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾通過(guò)剛性裝置連接成一體，通過(guò)剛性風(fēng)筒或可伸縮軟風(fēng)筒將除塵器和集塵裝置連接起來(lái)而構(gòu)成抽塵系統(tǒng)。

圖3 低壓大流量噴霧裝置安裝示意圖

為提高長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)對(duì)粉塵的收集效率，依據(jù)集塵裝置應(yīng)盡量靠近塵源點(diǎn)的原則，在分析原有吸塵罩效果的基礎(chǔ)上，結(jié)合掘進(jìn)頭風(fēng)流流場(chǎng)(粉塵擴(kuò)散主要通道)和掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)了一種特殊的分體式吸塵罩，布置方式如圖5所示。

圖4 除塵器機(jī)尾跟隨式布置示意圖

圖5 吸塵罩布置方式示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)參數(shù)

(1)高效噴霧降塵裝置噴霧參數(shù)：噴霧壓力≥2.0 MPa；噴霧總流量為265 L/min，其中掘進(jìn)機(jī)環(huán)形噴霧降塵裝置流量為148 L/min，一運(yùn)、二運(yùn)流量為58.5 L/min×2。

(2)長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)高效控除塵系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：整流風(fēng)筒出口距掘進(jìn)頭距離為8～10 m；有效控塵風(fēng)筒長(zhǎng)度為4 m；控塵風(fēng)筒距掘進(jìn)頭距離為18～21 m；軸徑向出風(fēng)比：徑向出風(fēng)420 m3/min，軸向出風(fēng)70 m3/min；除塵器抽吸風(fēng)量為415 m3/min：其中，機(jī)面罩右一吸風(fēng)量80 m3/min，左一吸風(fēng)量95 m3/min；側(cè)吸罩右二吸風(fēng)量110 m3/min，左二吸風(fēng)量130 m3/min。

4.2 效果考察

按照技術(shù)參數(shù)建立綜合防塵系統(tǒng)后，2014年4-5月，對(duì)綜合防塵系統(tǒng)的效果及使用可靠性進(jìn)行跟蹤考察，防塵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用效果如圖6和圖7所示。

綜合防塵系統(tǒng)在最佳參數(shù)條件下正常使用時(shí)，各點(diǎn)粉塵濃度大幅降低，各點(diǎn)總體降塵效率均在98%以上；司機(jī)視線清晰，割煤時(shí)可清楚看見(jiàn)截割滾筒，噴霧對(duì)司機(jī)位產(chǎn)生不利影響；在工作面前部30 m范圍內(nèi)能見(jiàn)度高，視線清晰；綜合防塵系統(tǒng)未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)造成不利影響，未增加工人工作量，使用和維護(hù)方便，可靠性高，工人愿意使用。同時(shí)，此綜合技術(shù)在經(jīng)濟(jì)和高效方面更具優(yōu)勢(shì)。

圖6 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

圖7 噴霧效果圖