綜掘工作面高效除塵技術(shù)研究與實踐應(yīng)用

文/李軍岐 楊 柯 崔 浩

礦井工作面綜掘過程中產(chǎn)生的粉塵，會誘發(fā)作業(yè)人員發(fā)生職業(yè)病，且存在引起粉塵爆燃事故隱患，給礦山安全生產(chǎn)帶來潛在威脅。因此，對綜掘工作面高效除塵技術(shù)進行研究與實踐，以此來降低作業(yè)點粉塵濃度，改善礦井作業(yè)點環(huán)境，是職業(yè)健康防護的需要，也是保障礦山安全生產(chǎn)的需要。陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司桑樹坪二號井創(chuàng)新傳統(tǒng)礦井綜掘進尺面水霧除塵方式，采用高倍泡沫除塵，顯著降低了粉塵濃度，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

一、綜掘工作面現(xiàn)有除塵方式

1.巖層注水除塵技術(shù)

巖層注水除塵技術(shù)是指在掘進前利用鉆孔向巖層注入壓力水，預(yù)先濕潤巖層，可以降低粉塵生成量。但采用巖層注水除塵技術(shù)，存在一些弊端。一是注水前先對巖層進行打孔處理的情況占多數(shù)，在打孔過程中會造成粉塵量瞬間猛增，且需要打大量的注水孔才能發(fā)揮注水效果，增加了松動巖層坍塌的風(fēng)險。此外，如果巖層弱硬度過大，則會影響吸水效果，不能實現(xiàn)預(yù)期的降塵目的。二是該技術(shù)耗水量大，井下有些區(qū)域的巖層與地面屬于石灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，水量過大后會導(dǎo)致地面泥漿化，致使采礦設(shè)備無法移動或損壞。

2.水噴霧除塵

目前大多數(shù)機械化的采礦設(shè)備均設(shè)計有噴霧裝置，有一定除塵效果。但設(shè)備的水噴霧裝置為細微孔徑的噴頭，密布于前端迎頭，而前端迎頭為直接接觸巖層的部位，在實際作業(yè)中噴頭容易堵塞、失效，對呼吸性粉塵除塵效果不明顯。

3.風(fēng)機除塵

國內(nèi)礦山行業(yè)的風(fēng)機除塵設(shè)備大多價格昂貴、維護困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、處理風(fēng)量有限。風(fēng)機除塵主要靠電機驅(qū)動風(fēng)輪實現(xiàn)粉塵控制，因此需要大量的濾芯用于粉塵過濾，一臺風(fēng)機配備的濾芯數(shù)量少則100套、多則300套，后期更換濾芯的成本較高。綜合來看，風(fēng)機除塵不宜作為礦山行業(yè)除塵的首選。

二、降塵方式改進思路及工作原理

為解決綜掘進尺面粉塵過多的問題，桑樹坪二號井以高倍泡沫降塵代替水降塵。高倍泡沫降塵具有以下特點：一是可從源頭上實現(xiàn)降塵，用泡沫包裹掘進機的掘進頭、截齒及切割點，讓割煤巖的動作在泡沫體內(nèi)完成，從根本上阻止粉塵向外擴散。二是將高倍泡沫制劑噴射到產(chǎn)塵作業(yè)點，高倍泡沫制劑與水霧相比擴散面積成倍增加，提高了泡沫劑與粉塵的接觸率。三是高倍泡沫的液體中具有較高含量的發(fā)泡劑，接觸釋放后可改變粉塵的黏附性能，使粉塵被泡沫劑快速黏附下沉。四是泡沫劑含有特殊的增稠劑，能提高泡沫的黏附力，使泡沫具有很好的黏性，粉塵一旦和泡沫接觸將會迅速被泡沫黏附。五是高倍泡沫降塵設(shè)備體積小，且在低耗水量和泡沫劑使用量情況下，有較高的降塵能力。六是泡沫劑噴射后的作業(yè)面物料表面和裂隙被泡沫覆蓋，能有效改善煤層宣泄時游離瓦斯擴散，可一定程度上降低采煤面瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

三、具體技術(shù)措施

1.專用泡沫設(shè)備系統(tǒng)

根據(jù)掘進工作面綜掘機施工特點，設(shè)計采用HD-KPZ-0.3/0.7型定制化泡沫裝置。使用時將設(shè)備箱體及設(shè)備放置在掘進機機身某部位，泡沫噴射頭及固定組件固定在掘進機懸臂段，噴頭呈上、左、右三面布置，裝置與發(fā)泡劑配合使用，截割作業(yè)時對炮頭三面全包圍泡沫滅塵。

專用泡沫主設(shè)備由儲料體、吸料機構(gòu)、進水管、混料裝置、增稠箱、發(fā)泡箱、進氣管、發(fā)泡循環(huán)組件、氣體增壓組件等組成。設(shè)備主機使用不銹鋼加工，主機設(shè)備及內(nèi)部零件均進行無傷檢測，杜絕設(shè)備出現(xiàn)滲漏、焊接不嚴(yán)、變形等問題。噴射頭和安裝架是將泡沫噴送至作業(yè)面的重要部件，為扇形多孔型設(shè)計，在實際工作中可實現(xiàn)大于60%的掘進頭包裹，由快速接管、轉(zhuǎn)換接頭、噴射頭、固定板、快速接頭等構(gòu)成。

2.高倍泡沫

（1）泡沫劑的分類。根據(jù)泡沫消散時間劃分，泡沫分為快速消散類泡沫和在無外因影響下數(shù)小時不破散的泡沫；按泡沫劑的穩(wěn)定衡定關(guān)系劃分，泡沫分為活性泡沫和穩(wěn)性泡沫；按泡沫劑的黏稠度劃分，分為高倍數(shù)泡沫和低倍數(shù)泡沫。

（2）泡沫劑的成泡。如果泡沫劑表面凝聚力稀松，便不易形成泡沫，即使產(chǎn)生了泡沫，混合液的擴散力也會使泡沫快速破裂。因此，要根據(jù)比例添加改變泡沫劑張力的活性劑，以此來降低泡沫劑表面擴散力，進而形成穩(wěn)定、高效的泡沫。此外，泡沫是氣體在混合制劑中的擴散體，當(dāng)高壓氣體與混合制劑持續(xù)不間斷混合時，可大量生產(chǎn)氣泡。氣泡量的多少是泡沫產(chǎn)生量的必要因素，因此還要使用氣體增壓，達到良好的發(fā)泡效果。

（3）高倍穩(wěn)性泡沫的制造。通過作業(yè)面現(xiàn)有供氣源攪拌含有發(fā)泡劑的混合液，使氣體大量撞擊混合液，形成泡沫。具體制造過程為：在混合液中充入增壓氣體→混合液中的高壓氣體與混合液反復(fù)碰撞，形成氣泡、泡沫→增壓氣體不間斷運動，將反復(fù)產(chǎn)生的泡沫體隨管道推送至設(shè)備內(nèi)部→泡沫不間斷被制造，大量充斥在設(shè)備內(nèi)部管道中。

3.高倍泡沫形成的穩(wěn)定條件和專用設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)

采用高倍泡沫除塵的綜掘機進行作業(yè)

（1）高倍泡沫的形成條件。制造持續(xù)高倍泡沫是泡沫除塵技術(shù)可否取得效果的基礎(chǔ)條件，應(yīng)用于采掘進尺工作面時，現(xiàn)場需要具備以下條件：一是制造泡沫提供的水壓要穩(wěn)定，進工作面的供水量穩(wěn)定在2.5m3/h，壓力不低于0.3MPa。二是制造泡沫需要使用較高風(fēng)壓，壓風(fēng)流量保持在70m3/h，供風(fēng)壓力不低于0.5MPa。具備以上條件后，發(fā)泡系統(tǒng)才可實現(xiàn)最佳的泡沫制造效果。

（2）專用設(shè)備的技術(shù)數(shù)據(jù)。高倍泡沫發(fā)泡倍數(shù)：80～150倍；設(shè)備額定耗水量：0.6～1.0m3/h；設(shè)備額定泡沫制造量：35～80m3/h；高倍泡沫劑的使用量：3%～6%；噴射噴頭組件的噴射能力：8～10m3/h。

四、應(yīng)用效果

經(jīng)過多輪現(xiàn)場應(yīng)用，粉塵濃度比普通噴霧降塵明顯降低，綜合有效降塵率達到70%～80%，有效改善了綜掘工作面的工作環(huán)境，降低了煤塵事故的發(fā)生，降低了工作面工人患塵肺病的幾率。同時，由于粉塵濃度降低，使工作面能見度有所提高，保證了掘進機司機的操作，實現(xiàn)了掘進的連續(xù)性，提高了掘進效率，掘進進尺單進水平提高了20%，且為下一步的支護提供了更好的基礎(chǔ)。此外，由于用水量少，且排放的除塵水先期以泡沫形式存在，泡沫會隨著碎煤及矸石被排走，避免了巷道底板泥濘化和掘進機下陷，維護了綜掘工作面良好的工作環(huán)境，有利于提高掘進機的工作效率，從而帶來顯著的經(jīng)濟效益。此優(yōu)點對三軟煤層、低洼地段掘進面尤為重要，能在更大程度上提高機械化綜掘效率。