王惠風(fēng),陳殿賦
(1.中國神華神東煤炭集團(tuán)技術(shù)研究院,陜西 神木 719315; 2.中國神華神東煤炭集團(tuán)保德煤礦,山西 保德 036600)
隨著礦井綜合機(jī)械化開采水平不斷提高,工作面的粉塵濃度也逐步增大,不僅惡化了工作面的作業(yè)環(huán)境,增加了員工患?jí)m肺病的概率,而且高濃度的粉塵易引發(fā)煤塵爆炸事故,嚴(yán)重威脅礦井安全高效生產(chǎn)。如果僅僅采用煤機(jī)噴霧、工作面噴霧等技術(shù)措施治理粉塵,則只能對(duì)礦井空氣中的煤塵起到局部捕捉作用,有效范圍受限、管控手段單一,無法從源頭上降低工作面的產(chǎn)塵量。有資料表明,煤層注水是采掘作業(yè)最有效的防塵措施,降塵率一般為50%~90%[1-2]。保德煤礦掘進(jìn)工作面采用掘錨機(jī)一次成巷技術(shù)工藝,機(jī)械化程度高,掘進(jìn)速度快,產(chǎn)塵量較大,嚴(yán)重惡化了作業(yè)環(huán)境,對(duì)作業(yè)人員的身心健康產(chǎn)生極大的影響,同時(shí)制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。國內(nèi)相關(guān)科技工作者通過理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、技術(shù)改進(jìn)等手段對(duì)采掘工作面降塵進(jìn)行了大量的研究,提出一些新的、有效的技術(shù)措施[3-9]。保德煤礦掘進(jìn)工作面在借鑒以往降塵技術(shù)措施的基礎(chǔ)上,采用大直徑鉆孔煤層注水和掘錨機(jī)噴霧塊改造、高壓外噴霧降塵技術(shù)、濕式鉆進(jìn)技術(shù)等相結(jié)合的降塵技術(shù),結(jié)合回風(fēng)巷可伸縮式全斷面捕塵噴霧裝置和高效清除二次揚(yáng)塵技術(shù)工藝,形成了一套掘進(jìn)工作面作業(yè)前、作業(yè)中、作業(yè)后的綜合降塵技術(shù)及工藝,從產(chǎn)塵源頭、技術(shù)改進(jìn)及行程路線等方面綜合治理粉塵,有效解決了掘進(jìn)工作面的粉塵污染難題。
保德煤礦煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為78.48 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為11.08 m3/t,屬高瓦斯礦井。81310膠帶運(yùn)輸巷、81311回風(fēng)巷及其聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)工作面位于保德煤礦三下盤區(qū),開采煤層為二疊紀(jì) 8#煤層,總體近南北走向,傾角為3°~5°,平均傾角4°左右,煤層厚度為6.8~10.8 m,煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.72。掘進(jìn)設(shè)備為奧鋼聯(lián)MB670/217型掘錨機(jī),一次完成巷道成型和支護(hù),即掘錨機(jī)完成割煤、裝煤及利用機(jī)身上的鉆錨系統(tǒng)完成支護(hù);掘進(jìn)方式為“雙巷”掘進(jìn)。巷道高3.8 m、寬5.4 m,聯(lián)絡(luò)巷長35 m,設(shè)計(jì)長度約為8 235 m。8#煤層水分為3.40%、灰分為18.95%、揮發(fā)分為29.78%,火焰長度為200 mm,煤塵具有爆炸性。
1)保德煤礦8#煤層原始內(nèi)在水分為3.40%,但因瓦斯含量較高,掘進(jìn)前需預(yù)抽瓦斯時(shí)間較長(不低于24個(gè)月),導(dǎo)致煤層中水分降低,煤質(zhì)干燥,在掘錨機(jī)掘進(jìn)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生更多、更微小的粉塵。
2)檢修班在補(bǔ)支巷道最下排的錨桿時(shí)使用風(fēng)動(dòng)麻花鉆桿,在鉆進(jìn)過程中,由于風(fēng)流吹動(dòng)、鉆桿振動(dòng)等因素?fù)P起粉塵。
3)已掘巷道和風(fēng)筒積塵被二次揚(yáng)起,即粘附在巷道壁面和風(fēng)筒上的積塵在風(fēng)流或車輛擾動(dòng)的作用下被二次揚(yáng)起,形成浮塵。
結(jié)合礦井安全生產(chǎn)實(shí)際,基于作業(yè)前最大限度減少產(chǎn)塵源、作業(yè)中最大可能捕捉粉塵、作業(yè)后最大程度凈化風(fēng)流等降塵理念,采用大直徑鉆孔煤層注水來增加煤體水分、改進(jìn)掘錨機(jī)噴霧塊加大捕捉粉塵力度和效果、科學(xué)設(shè)計(jì)全斷面捕塵網(wǎng)和風(fēng)筒清掃器減少二次揚(yáng)塵等技術(shù)手段,有效控制粉塵濃度,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的安全高效低塵化生產(chǎn)。
作業(yè)前采用煤層注水技術(shù),從根本上改善煤體的濕度、降低煤體硬度、增強(qiáng)煤體塑性,可有效控制原生煤塵和浮煤的產(chǎn)生,在源頭減少粉塵量。保德煤礦巷道采用雙巷掘進(jìn)、聯(lián)絡(luò)巷正向貫通工藝,并遵守“有掘必探、先探后掘”的規(guī)定,嚴(yán)格執(zhí)行“先掘進(jìn)風(fēng)巷及半個(gè)聯(lián)絡(luò)巷,后掘回風(fēng)巷,到位后調(diào)轉(zhuǎn)掘錨機(jī)貫通聯(lián)絡(luò)巷,然后調(diào)機(jī)開始掘進(jìn)風(fēng)巷”的掘進(jìn)工藝,同時(shí)利用掘回風(fēng)巷的時(shí)間段開始施工探放水鉆孔,進(jìn)行超前鉆探。結(jié)合礦井地質(zhì)條件,共施工本煤層孔(孔2和孔4)2個(gè)、底板孔(孔1和孔3)2個(gè)。施工完畢后封堵底板孔,保留孔2和孔4用于煤層超前注水,鉆孔長約130 m和140 m,鉆孔直徑75 mm,采用?45 mm橡膠注水封孔器進(jìn)行封孔,注水范圍覆蓋掘進(jìn)工作面前方100 m。在后續(xù)工作面掘進(jìn)過程中,采用邊掘邊注的方式增加工作面前方煤體水分,為提高煤體注水效果,在 ?75 mm 大直徑鉆孔的基礎(chǔ)上實(shí)施動(dòng)壓注水,壓力為 10 MPa,充分潤濕煤體。注水鉆孔布置如圖1所示。
圖1 煤層注水鉆孔布置示意圖
掘錨機(jī)割煤作業(yè)是產(chǎn)塵量最大的環(huán)節(jié),擴(kuò)大捕捉粉塵的有效半徑和效果是治理粉塵的關(guān)鍵技術(shù)之一[10-12]。在借鑒以往除塵技術(shù)和分析產(chǎn)塵根源的基礎(chǔ)上,采取噴霧塊改造、加裝外噴點(diǎn)、提高水壓等技術(shù)革新,極大地增加了捕塵力度和有效范圍,解決了掘進(jìn)作業(yè)過程中粉塵量超標(biāo)的難題。
1)噴霧塊改造技術(shù)?;诰蝈^機(jī)噴霧塊設(shè)計(jì)安裝、工作狀態(tài)處于圍巖應(yīng)力增高區(qū)的現(xiàn)狀,針對(duì)在正常作業(yè)過程中截割煤體破落的大塊煤進(jìn)入到噴霧塊與截割頭之間的孔隙中、經(jīng)反復(fù)作用后導(dǎo)致噴霧塊受擠壓變形或斷裂的問題,提出將破損的噴霧塊兩側(cè)各鋸掉150 mm的改造方案,以減少噴霧塊和截割頭重疊區(qū)域的間隙,從而解決了擠壓破壞噴霧塊的問題,大大降低了設(shè)備故障率,保障了設(shè)備開機(jī)率,杜絕了噴霧除塵系統(tǒng)受限或癱瘓現(xiàn)象,進(jìn)一步鞏固了安全高效生產(chǎn)和保障作業(yè)場所舒適的作業(yè)環(huán)境。
2)加裝外噴霧點(diǎn)?;诰蝈^機(jī)出廠時(shí)僅在截割滾筒上側(cè)安設(shè)了2組噴霧塊跟隨截割滾筒對(duì)上下割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行降塵的現(xiàn)狀,存在巷道頂板及鏟板周圍產(chǎn)生的浮塵捕捉效果差,不能形成全斷面噴霧等問題,提出在鏟板上沿加裝外噴霧點(diǎn)改造方案,即加裝鏟板噴霧裝置,作為截割滾筒2個(gè)大噴霧塊的補(bǔ)充,利用電動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)水對(duì)鏟板至底板段及大架至頂板段進(jìn)行持久降塵,真正實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)端頭全斷面降塵,并且保持噴霧壓力為3~5 MPa,確保噴霧在出口邊緣處的附面層會(huì)變成湍流,破碎段越長,水滴顆粒也就越小,防塵效果越好,進(jìn)一步加大了捕塵力度和有效范圍,提高了掘進(jìn)端頭的降塵效果。
3)濕式鉆進(jìn)技術(shù)。針對(duì)巷道支護(hù)煤幫最下排錨桿使用氣動(dòng)手持式鉆機(jī)進(jìn)行補(bǔ)支作業(yè),由于壓風(fēng)提供動(dòng)力、鉆桿振動(dòng)等原因造成粉塵揚(yáng)起、粉塵濃度增高的問題,采用濕式鉆進(jìn)技術(shù)工藝,即設(shè)計(jì)研發(fā)一個(gè)自帶水套的鉆尾連接在麻花鉆桿末端,將螺紋式、中部帶孔的鉆頭安設(shè)在麻花鉆桿的前端,供水后便形成一條可控、清潔的水路,根據(jù)需要隨時(shí)可調(diào)控水流,有效控制了鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)的揚(yáng)塵量。
81311回風(fēng)巷具有排出污濁風(fēng)流、車輛運(yùn)料及接送人員、鋪設(shè)瓦斯抽放管路等用途,在風(fēng)流及車輛的作用下,巷道和風(fēng)筒上的積塵被二次揚(yáng)起,無形中增加了回風(fēng)巷中粉塵的濃度,采用可伸縮式全斷面捕塵噴霧裝置和風(fēng)筒清掃器裝置進(jìn)行捕捉浮塵和清掃積塵,有效地降低了回風(fēng)巷道內(nèi)的粉塵濃度。
3.3.1 可伸縮式全斷面捕塵噴霧裝置
針對(duì)81311回風(fēng)巷粉塵濃度高、捕塵網(wǎng)捕捉粉塵效果差的問題,研制了巷道可伸縮式進(jìn)風(fēng)流全斷面捕塵噴霧裝置,該裝置由導(dǎo)軌、導(dǎo)輪、E型噴霧桿、多片組合式捕塵網(wǎng)等組成。導(dǎo)軌布置在巷道頂部,導(dǎo)輪安裝在導(dǎo)軌內(nèi)可以左右滑行帶動(dòng)捕塵網(wǎng)伸縮和折疊,多片組合式捕塵網(wǎng)通過銷軸連接可以自由折疊,實(shí)現(xiàn)捕塵網(wǎng)的伸展和收縮;E型噴霧桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較原來C型結(jié)構(gòu)中部增加了2組由巷道中部向巷幫方向的噴頭;在進(jìn)風(fēng)巷全巷高段加工7塊寬0.5 m、高3.5 m的捕塵片,捕塵片通過銷軸連接為可折疊型的主網(wǎng)。為了不影響巷道底部安設(shè)膠帶、頂部安設(shè)風(fēng)筒等作業(yè),該裝置按照空余斷面的尺寸設(shè)計(jì)弧形捕塵副網(wǎng),所有捕塵網(wǎng)采用?21.3 mm鍍鋅管作為外結(jié)構(gòu),內(nèi)部用?10 mm鋼筋焊接支架,將捕塵網(wǎng)縫合在支架上。
工作原理:凈化水通過KJ25膠管與噴霧桿連接,到達(dá)各個(gè)噴頭,結(jié)合多片組合、自由折疊式捕塵網(wǎng)進(jìn)行全斷面凈化風(fēng)流,最大程度地捕捉回風(fēng)流中的粉塵,且該裝置自由運(yùn)動(dòng)部分較多,具有實(shí)用便捷、靈活可靠的特點(diǎn),解決了防塵、行人和車輛通行難以兼顧的問題。巷道進(jìn)風(fēng)流全斷面捕塵裝置如圖2 所示。
圖2 巷道進(jìn)風(fēng)流全斷面捕塵裝置
3.3.2 新型風(fēng)筒清掃器設(shè)計(jì)
針對(duì)風(fēng)筒積塵在風(fēng)流或車輛擾動(dòng)等作用下被二次揚(yáng)起的問題,研發(fā)了新型風(fēng)筒清掃器,能夠安全可靠、便捷高效地清除風(fēng)筒上的積塵。該裝置使用 ?21.3 mm 鍍鋅管做工具手柄,刷頭使用毛刷并根據(jù)風(fēng)筒直徑做成弧形,刷洗時(shí)可以緊密貼合風(fēng)筒,刷頭處自帶噴霧,可以邊洗邊刷,既增強(qiáng)了風(fēng)筒積塵的清洗效果,又不損傷風(fēng)筒,提高了作業(yè)效率,同時(shí)避免了登高作業(yè),保障了作業(yè)人員的安全。風(fēng)筒清掃器示意圖如圖3 所示。
1—水管接頭;2—?21.3 mm鍍鋅管;3—毛刷頭;4—噴嘴;5—毛刷。圖3 風(fēng)筒清掃器示意圖
通過現(xiàn)場取樣,對(duì)注水前、注水后的煤層水分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試分析,測定結(jié)果見表1。保德煤礦 8#煤層孔隙率為6.7%,原始煤層水分為3.40%,注水后平均水分為7.22%,通過注水使煤層平均水分增加了3.82%。
表1 注水前后煤體水分對(duì)比
采用直讀式粉塵質(zhì)量濃度測定儀對(duì)掘進(jìn)工作面掘錨機(jī)改進(jìn)前后粉塵濃度進(jìn)行測定,采樣流量15 L/min,采樣時(shí)間1 min,采樣體積15 L。選取掘錨機(jī)司機(jī)位置、支護(hù)工位置及回風(fēng)流處3個(gè)測塵點(diǎn),每個(gè)測塵點(diǎn)測3次,計(jì)算平均值。對(duì)總粉塵和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度的變化進(jìn)行對(duì)比,得出總粉塵降塵率分別為66.21%、72.59%、42.84%,呼吸性粉塵降塵率分別為49.54%、51.30%、35.33%,技術(shù)改進(jìn)后降塵效果明顯。掘進(jìn)工作面粉塵質(zhì)量濃度及降塵效果的測定結(jié)果見表2。
表2 掘進(jìn)工作面粉塵質(zhì)量濃度及降塵效果測定結(jié)果
在巷幫鉆進(jìn)下風(fēng)側(cè)3 m處設(shè)置測塵點(diǎn),分別對(duì)干式鉆進(jìn)和濕式鉆進(jìn)總粉塵質(zhì)量濃度和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測定,測試3次,取平均值,結(jié)果見表3。由表3可知,采取濕式鉆進(jìn)技術(shù)后總粉塵降塵率為70.40%,呼吸性粉塵降塵率為60.78%。
表3 濕式鉆進(jìn)技術(shù)粉塵質(zhì)量濃度及降塵效果測定結(jié)果
選擇掘錨機(jī)割煤作業(yè)4 h期間,在回風(fēng)流防塵網(wǎng)前后2 m位置設(shè)置測塵點(diǎn),對(duì)巷道內(nèi)的總粉塵和呼吸性粉塵進(jìn)行測定,結(jié)果見表4。由表4可知,采用全斷面噴霧捕塵裝置后總粉塵降塵率為83.23%,呼吸性粉塵降塵率為77.28%。
表4 回風(fēng)流防塵網(wǎng)降塵效果對(duì)比
掘進(jìn)工作面采取大直徑鉆孔煤層注水和掘錨機(jī)噴霧塊改造、高壓外噴霧、濕式鉆進(jìn)等降塵技術(shù),并在回風(fēng)巷結(jié)合可伸縮式全斷面捕塵噴霧裝置和高效清除二次揚(yáng)塵等技術(shù)工藝對(duì)工作面進(jìn)行綜合降塵,在回風(fēng)流捕塵網(wǎng)后方2 m位置設(shè)置測塵點(diǎn),對(duì)掘進(jìn)工作面的總粉塵和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測試,掘進(jìn)工作面綜合降塵效果見表5。由表5可知,采取措施后總粉塵平均降塵率為98.72%,呼吸性粉塵平均降塵率為97.36%。
表5 掘進(jìn)工作面綜合降塵效果
1)通過實(shí)施大直徑鉆孔煤層注水和掘錨機(jī)噴霧塊改造、高壓外噴霧、濕式鉆進(jìn)等相結(jié)合的降塵技術(shù),結(jié)合在回風(fēng)巷利用可伸縮式全斷面捕塵噴霧裝置和高效清除二次揚(yáng)塵等技術(shù)工藝,形成一套作業(yè)前、作業(yè)中、作業(yè)后的綜合降塵技術(shù)及工藝,綜合降塵后,掘進(jìn)工作面總粉塵平均降塵率為98.72%、呼吸性粉塵平均降塵率為97.36%。
2)利用大直徑鉆孔煤層注水技術(shù),煤體中的水分增加了3.82%,增加了煤體的濕度、降低了煤體硬度、增強(qiáng)了煤體塑性,在源頭上降低了粉塵量。
3)采用基于掘錨機(jī)噴霧塊改造、高壓外噴霧、濕式鉆進(jìn)等相結(jié)合的降塵技術(shù)后,掘錨機(jī)位置總粉塵降塵率為66.21%、呼吸性粉塵降塵率為49.54%,降塵效果明顯。
4)采用濕式鉆進(jìn)技術(shù),下風(fēng)側(cè)3 m位置的總粉塵降塵率為70.40%、呼吸性粉塵降塵率為60.78%,有效控制了粉塵量。