石 俊

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 礦山救護(hù)大隊(duì),山西 孝義 032300)

綜放工作面生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)具有開采設(shè)備多、空間狹小以及粉塵產(chǎn)生量大等特點(diǎn)[1-3]。綜放工作面在回采期間,若未采取防塵措施,采面粉塵質(zhì)量濃度可超過(guò)4 000 mg/m3,高濃度粉塵會(huì)顯著影響井下作業(yè)人員的身體健康、制約采面生產(chǎn)效率并造成較大的安全風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。綜放工作面回采時(shí)產(chǎn)塵點(diǎn)多、粉塵質(zhì)量濃度高,采用單一的降塵措施時(shí)效果不顯著[7-8]。文中就以山西某礦3301綜放工作面回采為工程背景,對(duì)采面回采過(guò)程中采用的綜合降塵技術(shù)進(jìn)行分析,以期為其他礦井類似綜放工作面降塵工作開展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

3301綜放工作面為南翼三采區(qū)首采工作面,采面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度為2 890 m、傾向斜長(zhǎng)為178 m.采面回采的3號(hào)煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,內(nèi)部含有2～5層泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸層,煤層厚度在4.98～10.96 m、均值為7.69 m,煤層埋深均值為350 m,煤層頂板以砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r為主,底板以細(xì)粒砂巖以及泥巖為主。3301綜放工作面回采使用的采煤機(jī)型號(hào)為MGTW280/600、液壓支架型號(hào)為ZF6000/17/31,設(shè)計(jì)機(jī)采高度為2.8 m、放煤高度為4.89 m,采放比為1∶1.76,設(shè)計(jì)推進(jìn)速度為3.2 m/d,供風(fēng)量為1 800 m3/min,采煤機(jī)司機(jī)位置風(fēng)速為2.6 m/s.雖然MGTW280/600采煤機(jī)隨機(jī)配備有內(nèi)外噴霧系統(tǒng),受噴霧壓力小、噴嘴覆蓋范圍有限等因素影響,降塵效果不佳。由于采面開采強(qiáng)度大以及回采范圍內(nèi)3號(hào)煤層原始含水率低、產(chǎn)塵強(qiáng)度高等,采煤司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)到750 mg/m3,嚴(yán)重影響了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的身體健康,降低了采面煤炭回采效率。

2 采面綜合降塵技術(shù)方案

針對(duì)3301綜放工作面現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn),從降低采面生產(chǎn)期間粉塵產(chǎn)生量、快速降塵兩方面進(jìn)行粉塵防治。

1) 針對(duì)回采區(qū)域內(nèi)3號(hào)煤層厚度大、煤層含水率低以及產(chǎn)塵強(qiáng)度大等特點(diǎn),提出通過(guò)高壓脈沖注水方式增加煤層含水率,從源頭上降低采面回采期間粉塵產(chǎn)生量;

2) 對(duì)采煤機(jī)、液壓支架等各位置布置的噴霧降塵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,提升噴霧降塵效果,實(shí)現(xiàn)采面快速降塵并抑制粉塵擴(kuò)散范圍。

2.1 高壓脈沖注水

2.1.1 注水鉆孔布置參數(shù)

由于3301綜放工作面回采的3號(hào)煤層較厚以及采面斜長(zhǎng)較長(zhǎng),因此在采面進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷內(nèi)均布置注水鉆孔,同時(shí)鉆孔采用扇形布置方案,提高煤層注水效果。具體采面內(nèi)注水鉆孔布置情況見圖1.一組鉆孔包括2個(gè)鉆孔,其中上部鉆孔有一定仰角且鉆孔終孔應(yīng)達(dá)到3號(hào)煤層頂板,下部鉆孔平行煤層布置,鉆孔開孔位置與巷道底板間距為1 600 mm.鉆孔孔徑統(tǒng)一為73 mm,孔深均為80 m,鉆孔間距為20 m,采用水泥砂漿封孔,深度在15 m以上。

圖1 注水鉆孔布置示意

2.1.2 注水方式

可依據(jù)采面回采期間礦壓分布規(guī)律、前方煤體裂隙擴(kuò)展情況等合理選擇注水時(shí)機(jī),以便提高煤層注水效果。3301綜放工作面回采期間前方0～60 m為超前支承壓力影響區(qū),其中采面前方5 m范圍內(nèi)煤體裂隙較為發(fā)育,因此將注水時(shí)機(jī)選擇在采面前方5～60 m范圍內(nèi)。采面煤層注水系統(tǒng)主要設(shè)備包括高壓脈沖式注水泵、注水管路以及注水監(jiān)控裝置等,具體見圖2.

圖2 高壓脈沖注水系統(tǒng)示意

煤層注水壓力與埋深、煤層強(qiáng)度等有關(guān),確定的注水壓力以不壓裂煤層為前提,注水壓力可通過(guò)下述公式確定:

(1.2～1.5)PG≤PZ≤PR

式中:PG為開采煤層瓦斯壓力,取0.73 MPa.PR為覆巖應(yīng)力,PR=ρgH.ρ為覆巖密度,取2 400 kg/m3;g為重力加速度,取10 m/s2;H為煤層埋深,取350 m,計(jì)算得到PR=8.4 MPa.

煤層注水壓力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致注水量偏低,注水量過(guò)大則可能存在壓裂煤層、頂板問(wèn)題,因此根據(jù)以往注水經(jīng)驗(yàn)及上述計(jì)算結(jié)果,確定脈沖注水壓力峰值為7.5 MPa.

2.2 優(yōu)化采面噴霧降塵系統(tǒng)

2.2.1 采煤機(jī)高壓噴霧優(yōu)化

為減少采煤機(jī)割煤期間粉塵產(chǎn)生量,對(duì)采煤機(jī)內(nèi)外噴霧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,具體措施為:

1) 采煤機(jī)內(nèi)噴霧優(yōu)化。采煤機(jī)內(nèi)噴霧系統(tǒng)供水由采煤機(jī)電機(jī)冷卻水提供,對(duì)噴霧參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,具體為:采煤機(jī)內(nèi)噴霧壓力提升至2.0～3.0 MPa;內(nèi)噴霧噴嘴直徑優(yōu)化為1.2～1.5 mm;噴嘴流量提升至1.0～3.0 L/min.

2) 增設(shè)外噴霧裝置。在采煤機(jī)滾筒附近增加低壓大流量噴霧裝置,實(shí)現(xiàn)割煤滾筒附近以及截割煤體浸潤(rùn)效果,減少揚(yáng)塵。噴霧參數(shù)為:噴嘴噴霧壓力≥5 MP;噴嘴直徑為1.2～1.5 mm;噴嘴流量為2.5～5.0 L/min.

2.2.2 液壓支架噴霧降塵優(yōu)化

為更好地降低采面粉塵質(zhì)量濃度,在液壓支架前梁、左右護(hù)板以及放煤口等位置增加噴霧裝置。

1) 支架前梁噴霧裝置。采面液壓支架前梁位置除塵裝置布置情況見圖3.噴霧裝置噴霧時(shí)間、噴霧數(shù)量以及與采面間隔噴霧架數(shù)等均可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。在液壓支架前梁中部靠左側(cè)位置布置4個(gè)廣角噴嘴,實(shí)現(xiàn)支架外側(cè)有效噴霧,采用的噴嘴直徑為1.2 m、噴霧壓力為8 MPa、噴霧流量為3～5 L/min、噴射擴(kuò)散角為70°～80°、噴霧有效射程為1.5 m.在采面采煤機(jī)割煤以及液壓支架移架期間,對(duì)鄰近支架間間隙進(jìn)行噴霧,實(shí)現(xiàn)有效降塵。

圖3 液壓支架前梁除塵裝置布置示意

2) 支架護(hù)板噴霧裝置及防塵罩。具體液壓支架左右護(hù)板上噴霧裝置布置情況見圖4.

圖4 支架護(hù)板噴霧裝置及防塵罩布置示意

在支架頂梁左右護(hù)板位置各布置6個(gè)廣角噴嘴,采用的噴嘴直徑1.2 mm、噴霧流量6～8 L/min、噴嘴擴(kuò)散角60°～70°、有效射程1.0 m、噴霧壓力8 MPa;通過(guò)在液壓支架間增設(shè)防塵罩,可有效抑制粉塵外溢量并減少噴霧水對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的影響;通過(guò)噴霧、防塵罩等實(shí)現(xiàn)支架降架、移架等環(huán)節(jié)粉塵有效治理。

3) 放煤口增設(shè)噴霧裝置。具體液壓支架放煤口支架連桿上噴霧裝置布置情況見圖5.支架尾梁上布置2組4個(gè)噴嘴,噴嘴直徑均為1.6 m,與垂直面均有15°～25°夾角,噴霧壓力為8 MPa、射程為1.4 m、流量為8～10 L/min,噴嘴擴(kuò)散角80°～90°.

圖5 支架放煤口噴霧裝置布置圖

3 粉塵綜合治理效果分析

在3301綜放工作面實(shí)施綜合降塵技術(shù)措施后,采面各位置粉塵濃度均明顯降低。特別是采面進(jìn)行高壓脈沖注水后,煤體含水率增加量超過(guò)1.79%,可有效減少采煤機(jī)割煤及支架移動(dòng)、放煤過(guò)程粉塵產(chǎn)生量;對(duì)采煤機(jī)、液壓支架噴霧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后,噴霧系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采面主要產(chǎn)塵點(diǎn)全覆蓋,有效降低采面粉塵質(zhì)量濃度。綜合降塵技術(shù)應(yīng)用后粉塵治理效果統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1.從表1可以看出,采用綜合降塵技術(shù)后,采煤機(jī)司機(jī)及放煤支架后方3 m位置全塵質(zhì)量濃度分別降至121 mg/m3、97 mg/m3,降塵效率分別達(dá)到83.87%、80.52%,呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別控制在38 mg/m3、22 mg/m3以內(nèi),表明現(xiàn)場(chǎng)采用的粉塵治理措施取得了較好的應(yīng)用效果。

表1 采面粉塵質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)3301綜放工作面開采強(qiáng)度大、煤層原始含水率低、粉塵產(chǎn)生量大等特點(diǎn),結(jié)合礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,提出綜合煤層注水、噴霧方式進(jìn)行采面降塵,具體通過(guò)高壓脈沖注水方式提高煤層含水率,從根本上降低煤炭開采期間粉塵產(chǎn)生量;對(duì)采煤機(jī)機(jī)載噴霧系統(tǒng)以及液壓支架噴霧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并增加噴霧裝置,從而實(shí)現(xiàn)煤炭截割、移架、放煤等環(huán)節(jié)產(chǎn)塵點(diǎn)全覆蓋噴霧降塵,有效抑制產(chǎn)生點(diǎn)粉塵產(chǎn)生量并控制粉塵外溢量。

綜合降塵技術(shù)在3301綜放工作面工程應(yīng)用后,采面各位置粉塵質(zhì)量濃度明顯降低,為煤炭高效回采創(chuàng)造了良好條件,同時(shí)有效改善了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。