周偉光

（山西金地煤焦有限公司赤峪煤礦，山西 呂梁 032100）

現(xiàn)階段綜掘是礦井巷道主要掘進(jìn)方式，同時也是井下主要產(chǎn)塵點(diǎn)。隨著礦井綜合機(jī)械化水平的不斷提升以及采掘速度不斷增加，井下采掘作業(yè)面粉塵濃度均不斷提升，給井下作業(yè)人員身體健康以及作業(yè)環(huán)境等均造成顯著影響?，F(xiàn)階段礦井降塵主要采用通風(fēng)、噴霧等方式，存在降塵效率低，呼吸性粉塵防治效果不佳等問題，當(dāng)掘進(jìn)巷道頂?shù)装鍘r性為遇水膨脹、崩解的軟巖時，噴霧降塵會降低巷道圍巖強(qiáng)度，從而制約巷道圍巖控制。

1 粉塵的危害與特征

粉塵是指生產(chǎn)過程中形成的微小礦石顆粒懸浮于空氣中。在綜掘工作面，粉塵的質(zhì)量濃度可以達(dá)到300～1000mg/m3，是國家標(biāo)準(zhǔn)1mg/m3的幾百倍。如此高的粉塵濃度不僅降低了工作面作業(yè)空間的能見度，還危害到工人的身體健康。在煤礦井下作業(yè)時，工人的眼睛由于沒有防護(hù)，通常會進(jìn)入大量的粉塵，這增加了工人患眼部疾病的風(fēng)險，容易造成眼睛干澀和視線模糊等。雖然工人在鼻部已經(jīng)做了防護(hù)，但是仍不可避免地會吸入一定量的粉塵。這些粉塵容易堆積在肺部，隨著堆積量的增加，容易引發(fā)嚴(yán)重的職業(yè)病，主要是塵肺病。工人一旦患上塵肺病會出現(xiàn)呼吸困難的癥狀，從而喪失勞動能力。當(dāng)綜掘機(jī)電設(shè)備上堆積大量的粉塵時，會導(dǎo)致一些關(guān)鍵部件出現(xiàn)腐蝕和磨損的問題，影響設(shè)備的使用壽命。當(dāng)粉塵進(jìn)入到綜掘機(jī)電設(shè)備液壓系統(tǒng)內(nèi)部時，容易導(dǎo)致液壓設(shè)備管路出現(xiàn)堵塞的情況，造成動力不足，甚至引發(fā)嚴(yán)重的機(jī)械故障。值得注意的是，設(shè)備的粉塵并不容易清理，一些粉塵遇水后容易凝結(jié)成堅固的物質(zhì)。綜掘工作面粉塵主要是綜掘過程中產(chǎn)生的細(xì)小顆粒，以及少量頂?shù)装迥囗搸r、砂巖等截割產(chǎn)生的細(xì)小顆粒。綜掘過程中能被高速氣流吹散的細(xì)小顆粒粒徑范圍在7～200μm 之間。綜掘粉塵的產(chǎn)生與粉塵特性關(guān)系密切，防塵技術(shù)選擇也與礦塵的性質(zhì)密切相關(guān)。綜掘過程中在機(jī)械力的作用下，一次塵化作用于粉塵的能量不足以使粉塵擴(kuò)散飛揚(yáng)，塵粒不可能單獨(dú)在綜掘空間內(nèi)傳播，造成局部環(huán)境粉塵污染現(xiàn)象。在綜掘施工過程中，外部風(fēng)流致使粉塵擴(kuò)散，主要有：除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)流、除塵噴霧流場、供風(fēng)風(fēng)筒風(fēng)流、綜掘搖臂以及滾筒旋轉(zhuǎn)風(fēng)流，這些風(fēng)流場對二次揚(yáng)塵作用越明顯，危害越大[1]。

2 產(chǎn)塵方面

綜掘工作面掘進(jìn)過程中，支護(hù)、鑿巖、機(jī)械材料裝卸、爆破以及片幫冒頂?shù)冗^程產(chǎn)生大量粉塵，尤其鑿巖機(jī)作業(yè)打炮眼以及爆破時更易產(chǎn)生高濃度粉塵。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，塵肺病患者中大多從事煤礦井下一線生產(chǎn)工作多年，且煤礦巖石綜掘工作面工作人員患病率遠(yuǎn)高于其他工作地點(diǎn)，原因在于，綜掘面的粉塵量為煤礦井下粉塵濃度最高的地點(diǎn)。煤礦井下綜掘工作面掘進(jìn)過程中產(chǎn)塵量大的原因在于：煤壁未受到外界壓力時，各個方向受力不變，而當(dāng)綜掘機(jī)的截割頭與煤壁接觸時，破壞了原有的受力平衡，在截割頭與煤壁的接觸點(diǎn)產(chǎn)生了1 個三向的應(yīng)力狀態(tài)，受力不平衡，導(dǎo)致煤壁擠壓變形，進(jìn)而產(chǎn)生破碎；綜掘機(jī)截割頭繼續(xù)向前，壓縮接觸點(diǎn)煤塊，產(chǎn)生密實(shí)核，密實(shí)核應(yīng)力大于四周煤塊應(yīng)力，煤塊將會被進(jìn)一步擠壓粉碎，截割頭后撤時，接觸點(diǎn)應(yīng)力急劇減小，伴隨有細(xì)小的煤塊破碎并下落，此時便有大量的煤塵產(chǎn)生[2]。

3 降塵原理

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要采取合適的降塵措施，這就要明確降塵的機(jī)理。粉塵是空氣中的一種固體懸浮物，因此，可以采取2 種方式來進(jìn)行降塵：

1.使空氣中的粉塵沉積到地面上?？紤]到粉塵的質(zhì)量較小，自然下沉需要的時間較長，通常需要采用其他輔助材料使粉塵下降；

2.加快空氣流動，稀釋空氣中的粉塵，從而實(shí)現(xiàn)降塵。

第一種方式的原理是利用重力來進(jìn)行降塵，第二種方式的原理是利用空氣流動進(jìn)行降塵。然而，井下空間狹窄，需要采用聯(lián)合方式來降塵[3]。

4 綜掘工作面綜合降塵系統(tǒng)分析

4.1 通風(fēng)降塵

礦井通風(fēng)按照通風(fēng)工作方式可分為壓入式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)與混合式通風(fēng)3 種。其中，壓入式通風(fēng)適用于掘進(jìn)工作面，主要特點(diǎn)在于通過局部通風(fēng)機(jī)作為礦井通風(fēng)的動力風(fēng)筒，利用動力風(fēng)筒進(jìn)行導(dǎo)風(fēng)，我國掘進(jìn)工作面大都采用這種通風(fēng)方式。在掘進(jìn)巷道出風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)側(cè)外大約10m 的位置布置局部通風(fēng)機(jī)，局部通風(fēng)機(jī)將新鮮風(fēng)流通過風(fēng)筒送至掘進(jìn)面，同時將掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的含塵氣流排出掘進(jìn)工作面，采用將風(fēng)機(jī)布置在通風(fēng)巷道中的方式，通風(fēng)的安全性得以提高。此外，與抽出式通風(fēng)相比，壓入式通風(fēng)風(fēng)流射流強(qiáng)度高，風(fēng)流有效射程遠(yuǎn)，能夠稀釋和排出更多體積的含塵氣體，通風(fēng)效率高，工作面粉塵濃度降低速率快。由于采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)筒出口的風(fēng)速較大，綜掘工作面掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的粉塵能夠及時排出，安全性增加，這樣可以起到預(yù)防瓦斯聚集的作用，降低瓦斯帶來的危害；同時，由于通風(fēng)風(fēng)速較大，對于掘進(jìn)工作面的降溫也能起到一定的促進(jìn)作用，壓入式通風(fēng)所采用的風(fēng)筒為方便安裝、質(zhì)量較輕且成本相對廉價的柔性風(fēng)筒。壓入式通風(fēng)方式也有其缺點(diǎn)：當(dāng)含塵的污風(fēng)氣流沿著巷道排出時，由于采用壓入式通風(fēng)，在風(fēng)筒出口處會形成射流區(qū)，射流區(qū)射流會導(dǎo)致周圍形成渦流區(qū)域，含塵氣流進(jìn)入渦流區(qū)域內(nèi)，粉塵聚集于渦流區(qū)域，致使該區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度上升，而掘進(jìn)面的工作人員又大多正好處于該渦流區(qū)域內(nèi)，對其身體健康影響較大；同時，隨著掘進(jìn)工作面不斷向前開采，排出污風(fēng)所需時間逐漸增加。煤礦井下多采用串聯(lián)通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)掘進(jìn)工作面通風(fēng)與其他工作面相聯(lián)通時，可能會導(dǎo)致掘進(jìn)工作面的污風(fēng)擴(kuò)散到其他工作面，導(dǎo)致粉塵污染更加嚴(yán)重[4]。

4.2 控制粉塵外溢

采用附壁風(fēng)筒將局部供風(fēng)全部或者絕大部分改為吹至巷道斷面及周壁的徑向風(fēng)流；在除塵風(fēng)機(jī)吸入風(fēng)流作用下在巷道迎頭形成充滿整個斷面的并阻礙粉塵向外擴(kuò)散的氣幕，將截割頭破巖時產(chǎn)生的粉塵控制在空氣幕與迎頭巖壁間，達(dá)到降低粉塵外溢目的，降低粉塵對綜掘司機(jī)的影響并改善巷道內(nèi)空氣質(zhì)量。附壁風(fēng)筒是形成徑向新鮮風(fēng)流氣幕關(guān)鍵，傳統(tǒng)的鋼質(zhì)或者鐵質(zhì)附壁風(fēng)筒具有重量重、移動以及安全不方便等問題。而高分子附壁風(fēng)筒具有質(zhì)量輕、抗靜電以及阻燃等特點(diǎn)，可大幅降低工作人員勞動強(qiáng)度，故而在巷道迎頭使用。采用高分子材料附壁風(fēng)筒對風(fēng)流進(jìn)行控制，現(xiàn)場使用的附壁風(fēng)筒長度為1.7m，通過附壁風(fēng)筒側(cè)向出風(fēng)口以及內(nèi)部圓形擋板控制風(fēng)流方向，打開圓形擋板后可將90%風(fēng)流流向改為徑向，剩余10%從軸向出風(fēng)口排出；關(guān)閉圓形擋板后則風(fēng)流100%由軸向排出[5]。

4.3 噴霧降塵系統(tǒng)

目前最有效的最廣泛使用的濕式除塵方法，粉塵微粒與水霧顆粒碰撞、攔截產(chǎn)生重力沉降等來捕集粉塵。但掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧的噴嘴易發(fā)生堵塞，實(shí)現(xiàn)降塵和維護(hù)都比較困難，外噴霧水流量大，不僅銹蝕機(jī)器，還會導(dǎo)致煤的含水量增大，掘進(jìn)機(jī)噴霧系統(tǒng)還存在電機(jī)冷卻水的低壓和噴霧水的高壓之間的矛盾。

目前，綜掘機(jī)上都裝有噴霧降塵系統(tǒng)。在掘進(jìn)過程中，通過不斷地噴霧來進(jìn)行降塵。噴霧時需要合理地控制水霧顆粒。水霧顆粒過大，可以快速使粉塵下沉，但是難以快速降低粉塵的濃度；水霧顆粒過小，可以使水與粉塵充分結(jié)合，但這會導(dǎo)致粉塵下沉的速度過慢，不利于快速降低粉塵的濃度。在綜掘工作面，需要快速降低空氣中的粉塵濃度，這就要求水霧顆粒不能太小?？紤]到很多粉塵與水相溶過慢，通常情況下，在噴霧液中加入添加劑。添加劑的類型則需要根據(jù)粉塵的類型來確定，主要有肥皂水、洗衣粉等，可以通過比較各種添加劑條件下的潤濕角來比較添加劑的效果。需要注意的是，雖然噴霧降塵系統(tǒng)能快速降低掘進(jìn)工作面空氣粉塵的濃度，但是粉塵的濃度還是高于國家標(biāo)準(zhǔn)的幾十倍。此時，通過增加噴霧的數(shù)量已不能進(jìn)一步降低空氣中粉塵的濃度，需要采取其他的降塵措施[6]。

4.4 泡沫降塵

我國的泡沫降塵技術(shù)研究始于20 世紀(jì)80 年代。煤科院上海研究所針對泡沫降塵機(jī)理開展了理論研究與實(shí)驗(yàn)分析，但并未廣泛應(yīng)用于實(shí)踐。20 世紀(jì)90 年代后期，北京科技大學(xué)蔣仲安教授利用泡沫在膠帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)及鑿巖區(qū)域進(jìn)行了降塵實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泡沫相對于噴霧的降塵效果有顯著提高，并且對呼吸性粉塵的抑制能力特別突出。

21 世紀(jì)，中國礦業(yè)大學(xué)王德明教授研究了泡沫降塵理論與工程應(yīng)用，呼吸性粉塵除塵效率達(dá)83.75%。經(jīng)過多年發(fā)展，掘進(jìn)工作面泡沫降塵系統(tǒng)的核心部件為發(fā)泡劑添加裝置、泡沫發(fā)生裝置、泡沫噴射裝置3個部分。其中發(fā)泡劑添加裝置中壓力損失最大，其次是發(fā)泡器?，F(xiàn)有泡沫噴頭由于存在結(jié)構(gòu)缺陷，泡沫量損失較大，射流形態(tài)難以控制。

4.5 化學(xué)除塵

噴霧降塵時普通軟化水受到表面張力較高等因素影響，難以將細(xì)微的巖塵有效、快速包裹并沉降，從而導(dǎo)致噴霧降塵效果不佳。根據(jù)13 采區(qū)運(yùn)輸大巷掘進(jìn)時粉塵物SiO2含量高、顆粒小以及呼吸性粉塵占比高等特點(diǎn)，提出使用新型化學(xué)除塵劑進(jìn)行降塵，采用的除塵劑主要由陰離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑、非離子表面活性劑以及無機(jī)鹽等按照0.25%、0.15%、0.20%、0.10%而成。電動除塵劑添加裝置結(jié)構(gòu)由計量泵、儲液罐、流量計、安全閥、壓力表、Y 型過濾器等構(gòu)成，存儲在儲液罐內(nèi)的新型化學(xué)除塵劑通過Y 型過濾器、流量計以及水表后進(jìn)入到計量泵內(nèi)，再通過計量泵加壓將新型化學(xué)除塵劑注入噴霧降塵用水中；Y 型過濾器主要用于過濾新型化學(xué)除塵劑中大顆粒雜質(zhì)，避免噴霧系統(tǒng)堵塞；流量計用以控制新型化學(xué)除塵劑添加量。在噴霧降塵用水中添加新型化學(xué)除塵劑后，噴霧水表面張力≤30mN/m；沉降0.3g 以內(nèi)粉塵耗時≤10s；10s后接觸角降低0°；相對于普通的軟化水降塵效率提升10%以上[7]。

4.6 高效除塵技術(shù)要點(diǎn)

要把握主要風(fēng)流場在綜掘工作面的變化規(guī)律，優(yōu)化并設(shè)計適合綜掘工藝的高效除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)，以提高污塵空氣流的凈化效率，并應(yīng)重視以下方面：

1.減少粉塵的二次風(fēng)流影響，及時控制產(chǎn)塵。

2.降低入風(fēng)口風(fēng)流風(fēng)壓，提高除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口風(fēng)壓。

3.除塵風(fēng)機(jī)選定后，可通過除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)調(diào)整提升風(fēng)壓。

4.除塵系統(tǒng)由除塵風(fēng)機(jī)本體、環(huán)形內(nèi)凹結(jié)構(gòu)吸風(fēng)口、風(fēng)機(jī)尾部的排污風(fēng)、風(fēng)水聯(lián)動噴霧降塵系統(tǒng)、配套的掘進(jìn)巷道分風(fēng)增壓裝置及綜掘機(jī)滾筒側(cè)面煤體潤濕孔等部分組成。系統(tǒng)利用分風(fēng)、增壓結(jié)構(gòu)及噴霧降塵系統(tǒng)提升污風(fēng)吸收能力，調(diào)整滾筒出水口位置，利用高壓水、離心力進(jìn)行截割煤體潤濕[8]。

5 結(jié)語

綜掘工作面內(nèi)的粉塵濃度較大，對安全生產(chǎn)和工人的生命健康十分不利，非常有必要采取有效的降塵措施。

一種方式是使空氣中的粉塵沉積到地面上，但考慮到粉塵的重量較小，自然下沉需要的時間較長，通常需要采用其他輔助材料使粉塵下降。

另一種方式是加快空氣流動，將空氣中的粉塵進(jìn)行稀釋，從而實(shí)現(xiàn)降塵。

針對目前煤礦掘進(jìn)工作面除塵技術(shù)存在諸多問題，為進(jìn)一步改善綜采工作面工人的工作環(huán)境，降低粉塵濃度，針對掘進(jìn)機(jī)駕駛員和轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)的粉塵污染問題，長壓短抽混合通風(fēng)技術(shù)是一種新的技術(shù)創(chuàng)新研究與探索思路。