康克甫

貴州能渝煤業(yè)開發(fā)有限責任公司，中國·貴州 金沙 551800

1 引言

11402 機巷掘進工作面布置在K14煤層，K14煤層直接頂為厚度0.5～5m 灰色中厚層狀粉砂巖，含碳化植物化石。老頂為厚度4m 的深灰色薄層狀泥巖，夾0.2m 左右細砂巖。直接底為厚度0.5m 的深灰色粘土質泥巖，含植物化石碎片。老底為厚度3.2m 的灰色薄至中厚層狀細砂巖，泥質膠結，水平層理。煤層厚度為1.7～2.1m，平均1.9m，煤層傾角一般在33～35°。巷道掘進采用三一重工EBZ200H 型掘進機，矸石運輸方式采用綜掘機二運加礦車轉運，機車運輸?shù)姆绞?。防塵措施主要采取綜掘機內外噴霧降塵，外噴霧降塵，巷道全斷面噴霧降塵等措施，掘進工作面工作人員和后方運輸人員必須佩戴3M 防塵口。在實際使用過程中，綜掘機內外噴霧效果不好，掘進巷道內產生大量含煤粉塵。

2 掘進機截割產塵機理分析

掘進機截割煤巖時尖銳的刀齒會與煤巖接觸部分產生很高的接觸應力，接觸應力隨截割力增大而增大，突破極限值時，就會在接觸點處產生破碎。破碎發(fā)生區(qū)域較小，破碎煤巖粒徑也比較小，因此破碎體不會排除至截齒外，只有隨著刀體的進一步前進，才會再次破碎，直至形成壓固核或密實核，刀齒的能量會利用密實核傳給其周圍煤巖。粉塵的產生是由于密實核積聚的能量釋放，解除了其約束狀態(tài)造成的。在未破碎的煤巖與密實核之間區(qū)域是許多微裂紋集合體，這些集合體會隨著截齒截割力的增大而逐漸失穩(wěn)，當截割力達到一定界限時，裂紋徹底失穩(wěn)形成自由面而放出能量造成粉塵飛揚。

掘進機截齒類型有兩種，分別為鎬型齒和刀型齒，下面介紹鹽井一礦使用鎬型截齒破煤過程中的產塵機理。

如圖1所示，鎬型截齒破煤時截齒以速度Vj破入煤體，在截齒破入受力體瞬間時，鎬型截齒表面對煤巖體的壓力超過其抗壓強度，煤巖體破碎，破碎面為圓錐面。施力加大截齒繼續(xù)破入，鎬刃周圍煤巖破碎為粉末，形成密實核并不斷擴大，其對周圍煤巖張力也不斷增大。如果煤巖體張力合力2R 大于BC 與AD 處拉應力合力時，則會在距離BC 與AD近距離處形成自由面，煤巖以1、2、3 的順序崩落，結束了密實核的約束狀態(tài)，其本身積聚的能量得到釋放[1]。

圖1 鎬型截齒破煤產塵機理

3 井下粉塵的危害

①含有大量煤塵的粉塵遇到電氣設備失爆產生電氣火花、火星、弧光等容易產生粉塵爆炸，造成礦井災難事故。

②粉塵對工作人員身體健康產生嚴重危害，長期在掘進工作面工作人員塵肺病發(fā)病率高。

③掘進工作面及后方巷道內能見度低，容易發(fā)生安全事故。

④大量的粉塵污染環(huán)境。

4 泡沫抑塵系統(tǒng)的現(xiàn)場布置

需要現(xiàn)場裝配的部件有：發(fā)泡一體化裝置、噴頭支架、噴頭和堵頭。需要現(xiàn)場加工的部件有：泡沫分配器和噴頭支架的安裝機構。其中噴頭支架的安裝機構是用來固定噴頭支架的，其上設置供噴頭滑動的螺栓槽，便于實驗過程中調節(jié)噴頭角度和覆蓋范圍[2]。

泡沫降塵系統(tǒng)在11402 巷掘進工作面的布置情況如圖2所示。降塵所用水流為原降塵用水的一部分，氣源為壓風的一部分。風水一體閥門的兩個接口分別與水管和風管連接，發(fā)泡劑添加裝置和發(fā)泡劑箱底部相連，依靠水管中水流的動力把發(fā)泡劑添加至水管中，風水一體閥門出口端的壓風管接到發(fā)泡器上，連接管路都用直徑為19mm 的高壓膠管、發(fā)泡器、發(fā)泡劑添加裝置和發(fā)泡劑箱連成一體固定在掘進機臺面上，生成的泡沫采用直徑為38mm 的膠管輸送至泡沫分配器的入口，裝有泡沫噴頭的噴頭支架由直徑為25mm 的膠管和分配器的出口端連接，最后由噴頭噴灑至產塵點，抑制礦塵的擴散。泡沫一體化發(fā)生裝置布置在司機側。

由于整個掘進工作面的產塵點主要在掘進機的截齒處，所以泡沫噴頭的作用范圍應該是切割滾筒的四周。由于泡沫會因重力作用向下運動，掘進機截割頭下側不易布置噴頭，泡沫噴頭的布置重點是掘進機截割頭的上部和兩翼，因此上部和兩翼的噴頭支架上各并排布置兩個噴頭，總計六個噴頭，剩余的噴頭安裝口使用堵頭將其封閉。噴頭的布置情況如圖2所示。噴頭所噴出泡沫的擴散形式分別為：上部兩個噴頭呈水平扇形分布噴出，左右兩翼的四個噴頭呈傾斜扇形噴出，噴頭擴散角度均為45°。噴頭布置好以后，把水管和風管連接到發(fā)泡器上，最后把發(fā)泡器和泡沫噴頭接通。根據(jù)設計的方案和多次井下現(xiàn)場實地勘察和測算，并增加安裝墊塊，最終將泡沫降塵系統(tǒng)安裝完畢[3]。

圖2 系統(tǒng)的安裝與布置示意圖

5 應用效果分析

泡沫降塵系統(tǒng)在11402 巷掘進工作面安裝完畢后，進行了一系列應用試驗。結果表明，泡沫降塵系統(tǒng)降塵優(yōu)勢明顯，效果顯著。

試驗現(xiàn)場在司機處布置了粉塵濃度測點，分別測得了無措施時全塵及呼吸性粉塵濃度、防塵噴霧降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度、泡沫降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度各6 組數(shù)據(jù)，參考通風科已有的測塵數(shù)據(jù)，最終取各種情況下有效數(shù)據(jù)各4 組并進行對比分析，如表1所示。

表1 降塵效率的比較

11402 機巷屬于全巖巷掘進工作面，通過對比分析可知，防塵噴霧降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度可分別達到941.28mg/m3和402.88mg/m3，降塵效率分別為22.3%和25.4%。而泡沫降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度分別為277.38mg/m3和120.5mg/m3，降塵效率分別為77.1%和77.7%。從所測得數(shù)據(jù)來看，泡沫降塵與防塵噴霧降塵相比，對全塵和呼吸性粉塵的降塵效果明顯，分別是其降塵效率的3.46 倍和3.06 倍。

6 結語

從以上試驗和數(shù)據(jù)分析可知，泡沫除塵技術的降塵效果優(yōu)于防塵噴霧降塵，可使司機側的粉塵有很大的降低，對司機工人的身心健康有很大幫助，起到了良好的作用。泡沫降塵技術的應用可有效地降低井下掘進工作面的粉塵濃度，降低職工肺塵病發(fā)病率，防止煤塵爆炸，保證井下安全生產。