礦井防塵高效抑制技術(shù)與裝備

王金峰+章雪帆+陳義燦+句海洋

在煤礦生產(chǎn)中，粉塵的來(lái)源主要有掘進(jìn)機(jī)截割煤（巖）產(chǎn)塵、綜采（放）工作面采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵、巷道錨噴產(chǎn)塵等。據(jù)實(shí)測(cè)，在綜掘工作面不采用任何防塵措施的情況下，迎頭的粉塵濃度為1200～1500mg/m3，個(gè)別高達(dá)2000mg/m3；在沒(méi)有防塵措施的情況下，一般綜采工作面的粉塵濃度可達(dá)2500～3000mg/m3；在綜放工作面，采煤機(jī)割煤和移架平行作業(yè)時(shí)，有些煤礦個(gè)別瞬時(shí)原始總粉塵濃度甚至高達(dá)7000mg/m3。即使采取措施，多數(shù)工作面的情況依然相當(dāng)惡劣，采煤機(jī)下風(fēng)向粉塵濃度最大可達(dá)1000mg/m3以上，已經(jīng)嚴(yán)重超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；錨噴巷道時(shí)，噴漿生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員作業(yè)區(qū)域的平均全塵和呼塵濃度高達(dá)500mg/m3和150mg/m3以上，而且粉塵中二氧化硅成分極高。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在高濃度粉塵，會(huì)產(chǎn)生極大危害。首先，高濃度煤塵易造成爆炸，影響礦井的安全生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年原國(guó)有重點(diǎn)煤礦有532處礦井煤塵有爆炸危險(xiǎn)，占87.40%；小煤礦中91.35%煤礦的煤塵具有爆炸危險(xiǎn)，其中高達(dá)57.71%的具有強(qiáng)爆炸性，瓦斯爆炸參與煤塵爆炸所造成的重大特大事故占煤礦事故的很大比重。其次，高濃度粉塵造成煤礦工人塵肺病患病率居高不下，帶來(lái)了一系列負(fù)面影響。塵肺病已成為一種“隱形”礦難，它損害的群體更多、更廣，潛在的危害性更重，破壞性更強(qiáng)。目前我國(guó)煤礦約有塵肺病人40多萬(wàn)人，每年死于塵肺病的約有2500人，每年新增塵肺病人約8000人。近幾年我國(guó)煤礦安全形勢(shì)更是嚴(yán)峻，數(shù)量眾多的職業(yè)塵肺病患者，要花費(fèi)大量的人力和物力來(lái)進(jìn)行治療，不僅經(jīng)濟(jì)損失巨大，也給患者及家屬帶來(lái)了很大的痛苦。另外，高濃度粉塵還會(huì)增加機(jī)械的磨損率，降低現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用壽命。從以上情況可以看出，煤礦粉塵不但嚴(yán)重威脅著井下工作人員的職業(yè)安全健康，也影響企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定。為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的快速、健康、可持續(xù)發(fā)展，維護(hù)員工職業(yè)安全健康和社會(huì)穩(wěn)定，必須對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中工作面現(xiàn)場(chǎng)的粉塵進(jìn)行治理。

傳統(tǒng)防塵方式

傳統(tǒng)的機(jī)掘工作面防塵設(shè)備，主要包括掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧、掘進(jìn)機(jī)液壓除塵風(fēng)機(jī)，以及除塵器的抽塵凈化系統(tǒng)。但是，傳統(tǒng)除塵技術(shù)存在較多的缺陷和局限性。針對(duì)綜采（放）工作面而言，盡管大部分礦井采用了采煤機(jī)內(nèi)外噴霧和移架噴霧、轉(zhuǎn)載噴霧和凈化水幕技術(shù)，取得了一定的降塵效果，但降塵效果十分有限，不能滿足現(xiàn)代化綜采（放）工作面降塵的需要。

多年來(lái)，我國(guó)礦山井下錨噴作業(yè)一直采用干噴或潮噴工藝，此工藝技術(shù)極易導(dǎo)致工人塵肺病的形成。為此，在國(guó)家安全監(jiān)督管理總局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局于2010年9月發(fā)布的《關(guān)于發(fā)布禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄（第三批）》中，已明確將干式混凝土噴射機(jī)列入淘汰產(chǎn)品。

2012年，國(guó)家安全監(jiān)管總局公布第一批安全科技“四個(gè)一批”項(xiàng)目名單，將“礦井綜合防塵系統(tǒng)技術(shù)工藝及其裝備示范”列為研究課題之一。為此，項(xiàng)目承擔(dān)單位——大屯煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司成立了課題組，開展大屯礦區(qū)礦井采掘面氣載粉塵高效抑制技術(shù)與裝備研究，以解決采掘面防塵系統(tǒng)各子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，降低采掘面人員作業(yè)區(qū)域居高不下的粉塵濃度。這項(xiàng)研究是我國(guó)礦井目前急需解決的重要課題，對(duì)有效降低工作面現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度，提高現(xiàn)場(chǎng)員工的職業(yè)安全健康程度，具有重要的作用和意義。

研究過(guò)程

課題組針對(duì)粉塵產(chǎn)生的不同部位和特點(diǎn)，分別研發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，抑制或減少粉塵的發(fā)生。

針對(duì)不同煤層煤種、煤質(zhì)的類別，課題組通過(guò)表面活性劑表面張力實(shí)驗(yàn)、粉塵接觸角實(shí)驗(yàn)、沉降實(shí)驗(yàn)和保水性等實(shí)驗(yàn)，研發(fā)了高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的降塵用新型復(fù)配濕潤(rùn)劑。并同時(shí)研發(fā)出濕潤(rùn)劑自動(dòng)、定量添加裝置，實(shí)現(xiàn)了濕潤(rùn)劑添加工藝的自動(dòng)、集約化管理。

針對(duì)綜采工作面在移架、放頂煤及采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生大量粉塵問(wèn)題，課題組研發(fā)設(shè)計(jì)了綜采工作面井上監(jiān)控型支架自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)，如圖1所示。

根據(jù)大屯礦區(qū)綜采（放）工作面的具體情況，課題組合理設(shè)計(jì)了煤層高壓注水的鉆孔布置方式、鉆孔間距、鉆孔長(zhǎng)度、注水壓力、鉆孔傾角等參數(shù)，并確定出煤層注水用的煤層氣動(dòng)注水泵、坑道注鉆一體機(jī)、煤層注水流量表、耐振壓力表、封孔器，以及專用封孔泵、管材及閥門和連接件等注水配套設(shè)備，如圖2所示。

針對(duì)錨噴巷道干噴作業(yè)粉塵濃度大、游離二氧化硅濃度高，對(duì)礦工身心健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅的現(xiàn)狀，課題組研制了井下連續(xù)式攪拌機(jī)，以及結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、拆裝搬運(yùn)方便的混凝土濕噴機(jī)。同時(shí)為減少濕噴作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，最終形成連續(xù)攪拌、活塞泵送、輔助作業(yè)的噴漿混凝土濕噴設(shè)備，構(gòu)成新型濕噴作業(yè)系統(tǒng)，如圖3所示。

課題組還研發(fā)了礦井粉塵在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳平臺(tái)，系統(tǒng)由6個(gè)井下監(jiān)控分站、1個(gè)數(shù)據(jù)通信、1個(gè)地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)構(gòu)成，如圖4所示。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)粉塵在線監(jiān)測(cè)、匯報(bào)、數(shù)據(jù)上傳等功能，便于安全管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管。

成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用

所有研發(fā)成果形成了一套完整的防塵體系，即“礦井綜合防塵系統(tǒng)技術(shù)”。該項(xiàng)技術(shù)使井下產(chǎn)塵的各個(gè)環(huán)節(jié)，均被采用有效手段加以控制，使井下的粉塵濃度得到大幅降低。

新型復(fù)配濕潤(rùn)劑，可以加在噴霧用的水中，有效捕捉空氣中的粉塵并使之沉降，從而達(dá)到降塵的目的。同時(shí)，濕潤(rùn)劑還可以用于煤層注水，使注水后的煤層在掘進(jìn)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。

井上監(jiān)控型支架自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)，可以在移架、放頂煤時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴霧降塵，同時(shí)還可隨采煤機(jī)移動(dòng)，在采煤機(jī)下風(fēng)端形成數(shù)條隨采煤機(jī)移動(dòng)的水幕，有效降低粉塵的濃度和阻擋粉塵擴(kuò)散。由于噴灑點(diǎn)的位置及噴霧量可以合理設(shè)置，從而達(dá)到用最少水量實(shí)現(xiàn)最佳除塵效果。系統(tǒng)還可將工作面移架、放煤、采煤機(jī)位置等參數(shù)通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)傳到井上，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控。

煤層高壓注水技術(shù)，可有效預(yù)防沖擊地壓及高粉塵災(zāi)害。通過(guò)鉆孔向煤體預(yù)注高壓水，高壓水沿著煤的裂隙，向被裂隙分割的煤塊滲透，并儲(chǔ)存于裂隙和孔隙中，增加煤體水分，濕潤(rùn)煤體內(nèi)原生煤塵，使其失去飛揚(yáng)能力，減少采煤時(shí)產(chǎn)生浮游粉塵的能力。

礦井粉塵在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)井下粉塵情況的實(shí)時(shí)上傳，井下監(jiān)控分站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和除塵控制輸出、語(yǔ)音報(bào)警等功能。數(shù)據(jù)通信部分，負(fù)責(zé)井下監(jiān)控分站與地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸；監(jiān)控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收、顯示、并存儲(chǔ)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)控平臺(tái)是管理人員掌握井下礦塵狀況的重要手段，是塵害防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，整個(gè)系統(tǒng)已在大屯礦區(qū)龍東煤礦使用。據(jù)測(cè)算，已使采掘工作面的全塵降塵率達(dá)到90%以上；采掘工作面的呼塵降塵率達(dá)到85%以上。由此可以看出，該項(xiàng)目可使礦山的安全隱患大大降低，職工的作業(yè)環(huán)境大大改善，逐步實(shí)現(xiàn)“無(wú)塵化”煤礦的目的。

該成果不僅可以應(yīng)用到礦山，還可以應(yīng)用到水泥廠、面粉廠、制磚廠等容易產(chǎn)生大量粉塵的生產(chǎn)企業(yè)。

發(fā)展前景

礦井粉塵作為煤炭生產(chǎn)加工過(guò)程中的必然產(chǎn)物，是導(dǎo)致礦井發(fā)生事故的主要原因之一。它不僅會(huì)引起職業(yè)病，而且許多粉塵還具有爆炸性，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，由于人們對(duì)于粉塵的危害認(rèn)識(shí)不足，致使關(guān)于礦塵防治領(lǐng)域的理論研究和應(yīng)用技術(shù)研究比較薄弱，至今沒(méi)有形成成套的理論系統(tǒng)和技術(shù)體系，以至于采掘工作面粉塵污染問(wèn)題隨著機(jī)械化程度的提高越來(lái)越嚴(yán)重。因此，搞好采掘工作面防塵，對(duì)于保護(hù)礦工的身心健康和保證礦井的安全生產(chǎn)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

此外，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家在吸塵滾筒、隔離塵源、聲波霧化降塵、磁化降塵、預(yù)荷電噴霧降塵、泡沫降塵等方面，進(jìn)行了一系列探索研究，取得了一定的成果，這為我國(guó)礦井綜合防塵探索了一條新途徑。目前我國(guó)對(duì)這些先進(jìn)方法的研究正不斷取得進(jìn)展，但離真正意義上的推廣還有一段距離。在下一步的研究中，大屯煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司將聯(lián)合相關(guān)高校、科研院所進(jìn)行深入探索研究。

編輯 楊 璇