礦井采掘面高效防塵技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

句海洋，凌標(biāo)燦，葉 崢，王金峰

(1.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601;2.徐州大屯工貿(mào)實(shí)業(yè)公司，江蘇 徐州 221611)

0 引言

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1200～1500 mg/m3，個(gè)別高達(dá)2000 mg/m3左右;在沒有防塵措施的情況下，一般綜采工作面的粉塵濃度可達(dá)2500～3000 mg/m3;在綜放工作面，采煤機(jī)割煤和移架平行作業(yè)時(shí)，瞬時(shí)原始總粉塵濃度甚至高達(dá)10000 mg/m3，即使采取措施，多數(shù)工作面的情況依然相當(dāng)惡劣，已經(jīng)嚴(yán)重超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。為切實(shí)保護(hù)職業(yè)健康，國家煤礦安全監(jiān)察局決定在全國范圍內(nèi)組織開展煤礦作業(yè)場(chǎng)所粉塵危害治理專項(xiàng)行動(dòng)，2010年，國家安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)《煤礦作業(yè)場(chǎng)所職業(yè)危害防治規(guī)定(試行)的通知》，采掘工作面粉塵防治技術(shù)越來越受到人們的高度重視。本文重點(diǎn)介紹近些年來采掘工作面防塵技術(shù)方面的研究成果，研究趨勢(shì)，期望為我國煤礦采掘工作面粉塵防治提供多種方法和手段

1 采掘工作面防塵技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 煤層注水防塵技術(shù)

煤層注水，這一方法已經(jīng)被世界很多產(chǎn)煤國家廣泛應(yīng)用，實(shí)踐證明它是行之有效的防塵方法，20世紀(jì)的40年代，世界各國開始廣泛試驗(yàn)和應(yīng)用。我國在20世紀(jì)50、60年代開展了煤層注水防塵、濕式鑿巖打眼等防塵技術(shù)的試驗(yàn)研究工作，在上世紀(jì)70、80年代以后以注水為主的綜合防塵技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。目前在煤層注水防塵方面，注水參數(shù)是指進(jìn)行注水時(shí)的流量、水壓、注水速度、鉆孔間距及鉆孔深度等，根據(jù)國內(nèi)外研究表明，煤層注水參數(shù)尚未形成一個(gè)明確的結(jié)論，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況確定注水參數(shù)，董憲偉等人在千秋煤礦進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)不同工作面煤層分別實(shí)施淺孔、中孔及深孔聯(lián)合注水降塵新工藝，從注孔深度、間距等工藝參數(shù)進(jìn)行分析研究和應(yīng)用，使工作面產(chǎn)塵量減少50% ～80%，并節(jié)約注水時(shí)間，使注水效率大幅度提高［2］。

在煤層注水設(shè)備方面，煤炭科學(xué)院西安研究院研制了鉆進(jìn)裝備，成功解決了三軟煤層成孔率問題;針對(duì)煤礦井下全液壓坑道鉆機(jī)的存在的缺陷，西安研究院研制的履帶式全液壓坑道鉆機(jī)，克服了傳統(tǒng)鉆機(jī)的缺點(diǎn)，將給進(jìn)機(jī)身布置在行走平臺(tái)的側(cè)邊與履帶行走方向平行;煤炭科學(xué)院重慶研究院研制的礦用聯(lián)動(dòng)全液壓鉆機(jī)，采用由多路閥單元和聯(lián)動(dòng)單元組成的液壓聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、定位等液壓聯(lián)功能，提高了工作效率。

1.2 噴霧降塵技術(shù)

在噴霧降塵方面，我國研究出了綜采工作面機(jī)組行走自動(dòng)光控噴霧技術(shù)、高壓外噴霧降塵技術(shù)、負(fù)壓二次降塵、噴吸結(jié)合降塵技術(shù)，并在多家煤礦進(jìn)行試驗(yàn)和推廣應(yīng)用。另外，為了防治巷道運(yùn)輸、轉(zhuǎn)載點(diǎn)等地點(diǎn)粉塵的擴(kuò)散，已研制成功多種類型的自動(dòng)噴霧裝置。內(nèi)外嘴霧降塵效果的首要問題是保證水質(zhì)潔凈，其次是合理的噴霧參數(shù)。目前井下所用除塵水均是井下污水經(jīng)過地面簡(jiǎn)單處理后的循環(huán)應(yīng)用，難免出現(xiàn)煤泥等顆粒雜質(zhì)，容易堵塞噴頭;再加上霧化噴頭非常細(xì)小，割煤等采掘活動(dòng)也容易在噴頭上沉積煤泥，造成噴頭堵塞。

針對(duì)采煤機(jī)附近產(chǎn)塵量大且難以控制的特點(diǎn)結(jié)合采煤機(jī)噴霧除塵的技術(shù)特點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者提出外旋雙(多)層霧流罩封塵除塵裝置，動(dòng)力裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，外噴霧形成高速噴射的錐形水幕密閉罩，有效控制粉塵擴(kuò)散，與此同時(shí)內(nèi)噴霧捕捉粉塵粒子。在該裝置中，由于外旋水幕和內(nèi)部噴嘴噴出霧粒具有高速旋轉(zhuǎn)的引射卷吸作用，使其內(nèi)部形成較強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，被罩封的粉塵顆粒，基本不受外界風(fēng)流流場(chǎng)的影響，因此粉塵顆?？梢远啻闻c霧化粒子互相碰撞，多次增重而被捕集，因此其對(duì)呼吸性粉塵的降塵率尤為顯著。

1.3 除塵器除塵技術(shù)

在采煤機(jī)上安裝除塵器除塵是行之有效的措施之一，但由于高效除塵器的體積較大，難以在采煤機(jī)上安裝，長期以來沒有得到廣泛應(yīng)用。國外一些主要產(chǎn)煤國家都在煤礦井下廣泛采用除塵器除塵。在除塵器的研究上，德國著重發(fā)展了干式布袋除塵器，通過用新型過過濾材料以便在高效率的情況下，提高風(fēng)速，減少過濾面積，從而減小除塵器體積。

我國在除塵器方面也進(jìn)行了一系列的研究，北京工業(yè)大學(xué)的徐蓮研制了一種新型、高效的自激式除塵器，對(duì)呼吸性粉塵的除塵效率可達(dá)92%，且具有體積小、移動(dòng)方便等特點(diǎn)，特別適用于礦井除塵。常建兵等人針對(duì)目前國內(nèi)綜掘工作面粉塵濃度大的現(xiàn)狀，提出了將渦流控塵技術(shù)與濕式旋流除塵技術(shù)相結(jié)合的綜合防塵方法，改善了掘進(jìn)工作面環(huán)境，并且應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)取得了較好的除塵效果［3］。由煤炭科學(xué)院太原研究院研發(fā)設(shè)計(jì)首臺(tái)連續(xù)采煤機(jī)新型機(jī)載濕式除塵系統(tǒng)，根據(jù)國內(nèi)礦井的實(shí)際實(shí)際情況，率先采用了先濕潤后吸附再分離的濕式除塵技術(shù)，通過在神東公司大柳塔煤礦進(jìn)行試驗(yàn)表明，除塵效率高達(dá)97%以上，有效地達(dá)到了除塵降塵的目的，現(xiàn)已推廣并批量生產(chǎn)。

1.4 空氣幕防塵技術(shù)

空氣幕防塵是利用風(fēng)流流場(chǎng)的作用對(duì)粉塵的擴(kuò)散進(jìn)行控制。前蘇聯(lián)礦用機(jī)器中央科學(xué)研究院和斯闊琴斯基礦業(yè)學(xué)院共同研究了用于綜掘工作面的壓入抽出式通風(fēng)除塵設(shè)備。其工作原理是在工作面附近形成一道防塵風(fēng)幕，阻止粉塵向外擴(kuò)散，再利用吸風(fēng)管將含塵空氣抽出。德國采用附壁風(fēng)筒的設(shè)備將沿巷道的軸向風(fēng)流變成螺旋推進(jìn)的均勻旋轉(zhuǎn)風(fēng)流，形成一道空氣幕，將掘進(jìn)工作面的粉塵都擠壓在迎頭前形成高濃度粉塵，再利用風(fēng)機(jī)將粉塵抽入除塵器進(jìn)行處理。英國使用風(fēng)簾(設(shè)于司機(jī)和采煤機(jī)之間)、集塵器和抽出式除塵風(fēng)機(jī)等綜合防塵措施，也取得了一定的降塵效果。

波蘭研制出了利用渦流風(fēng)筒控制掘進(jìn)頭粉塵擴(kuò)散和利用復(fù)合除塵器凈化含塵氣流的機(jī)掘工作面綜合防塵技術(shù)。利用渦流風(fēng)筒內(nèi)部的專用“風(fēng)機(jī)”將壓入式風(fēng)筒出口的風(fēng)流由軸向供風(fēng)變?yōu)閺较蚬╋L(fēng)，沿整個(gè)巷道斷面形成十分均勻的朝著工作面推進(jìn)的螺旋風(fēng)流，使工作面的高濃度粉塵被限制在掘進(jìn)頭附近，以便除塵器的高效率收集粉塵，實(shí)踐證明:該風(fēng)筒形成的附壁效應(yīng)比德國研制的附壁風(fēng)筒還強(qiáng)，更為重要的是它實(shí)現(xiàn)了除塵器、渦流風(fēng)筒出口又自動(dòng)將徑向供風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向供風(fēng)，保證工作面的安全生產(chǎn)。

近十年來，我國空氣幕控塵技術(shù)己開始應(yīng)用于煤礦機(jī)械化采掘工作面，并取得良好效果。煤炭科學(xué)研究總院重慶分院，利用附壁風(fēng)筒產(chǎn)生的風(fēng)流流場(chǎng)產(chǎn)生的附壁效應(yīng)，將機(jī)掘工作面壓入式風(fēng)筒供給的軸向風(fēng)流改變?yōu)樾D(zhuǎn)風(fēng)流，在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的前方建立起阻擋粉塵向外擴(kuò)散的空氣屏幕，再結(jié)合抽塵凈化的方法，把含塵空氣吸入除塵器中進(jìn)行凈化處理，有效降低機(jī)掘工作面粉塵濃度。上世紀(jì)九十年代，王海橋等人將空氣幕隔塵技術(shù)應(yīng)用于綜采工作面，取得了很好的隔塵效果，同時(shí)對(duì)綜采工作面空氣幕隔塵作用機(jī)理進(jìn)行了分析，并在此研究基礎(chǔ)上得出了空氣幕的隔塵效率與空氣幕的外形尺寸、出口寬度、出口風(fēng)速之間的關(guān)系，為設(shè)計(jì)合理高效的綜采工作面隔塵空氣幕，提供了理論參考依據(jù)。耿曉偉等人也針對(duì)采掘工作面產(chǎn)塵特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了由風(fēng)幕集塵風(fēng)機(jī)和旋濾式除塵器聯(lián)合組成的新型通風(fēng)除塵系統(tǒng)，并對(duì)該集塵技術(shù)進(jìn)行了較系統(tǒng)地研究，得出了風(fēng)幕集塵風(fēng)機(jī)具備了控制風(fēng)速低、有效吸程大、防止粉塵擴(kuò)散等優(yōu)點(diǎn)［4］。

1.5 化學(xué)防塵技術(shù)

清水表面張力較高，微細(xì)粉塵不易被水迅速有效地濕潤，對(duì)粉塵尤其呼吸性粉塵的捕捉效率普遍較低。為了改善水對(duì)煤的潤濕能力，提高防塵效果，許多國家研究了以在水中添加表面活性劑為主的化學(xué)除塵技術(shù)。目前研究新綠色型環(huán)?；瘜W(xué)抑制劑已成為亟待解決的問題。

我國化學(xué)抑塵技術(shù)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，特別是近年來，我國在化學(xué)抑塵方面的研究取得了快速發(fā)展，并且取得了一些專利，如由李滿研制的煤塵抑制劑(已獲國家專利，專利號(hào)為200810171888.x)，在煤層注水中，添加該種煤塵抑制劑，可增強(qiáng)水的滲透能力，明顯縮短煤層注水時(shí)間(對(duì)于中等變質(zhì)程度的煤質(zhì)，當(dāng)采用濃度為0.02%的煤塵抑制劑溶液時(shí)，40s左右可完全浸入煤體)，有效改善注水效果，降低采煤作業(yè)環(huán)境的煤塵濃度。加入煤塵抑制劑后，水在煤層中的鋪展范圍擴(kuò)大，從而可以減少轉(zhuǎn)孔數(shù)量，節(jié)省勞力。在煤層注水中，建議采用的藥劑濃度為0.02%。作業(yè)中，也可根據(jù)煤質(zhì)特點(diǎn)，將濃度控制在0.01% ～0.05%。在煤層打眼、機(jī)采作業(yè)中，加入0.1% ～0.2%的煤塵抑制劑，可改善噴霧抑塵效果，降低煤塵濃度80%以上。表1總結(jié)了近年來來國內(nèi)外化學(xué)抑塵領(lǐng)域的部分研究成果和最新進(jìn)展。

表1 我國化學(xué)抑制劑部分研究成果(2007～2012年)

1.6 粉塵監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前世界各國使用的測(cè)塵儀表主要?dú)w納起來，主要可以分為三類:稱重采樣器、快速測(cè)塵儀和連續(xù)監(jiān)測(cè)粉塵傳感器。

對(duì)于粉塵測(cè)量儀器的研究首先是英國在1936年研究粉塵對(duì)人體的危害，并提出一些列設(shè)想，最終在1959年研制出能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸性粉塵和非呼吸性塵的采樣儀器，并由英國Rotheroe－Mitchel公司在此基礎(chǔ)上發(fā)展計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制，從而實(shí)現(xiàn)了粉塵濃度連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，此項(xiàng)技術(shù)迅速被世界各國采用［11］。隨著技術(shù)的發(fā)展，日本利用光散射法，其原理是當(dāng)含塵空氣通過測(cè)塵儀被光照射時(shí)，粉塵對(duì)光會(huì)產(chǎn)生折射和反射、粉塵的散射光量與粉塵的質(zhì)量濃度呈正比例關(guān)系，研制出手持式快速測(cè)塵儀。德國在精密電子儀器方面一直走在世界的前沿，生產(chǎn)的多種高精度粉塵監(jiān)測(cè)儀器在各國被廣泛應(yīng)用，如KA11/Model3511利用稱重法原理對(duì)粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

我國在粉塵濃度傳感器及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面，首先由煤炭科學(xué)院究總院重慶分院在國家“十五”攻關(guān)過程中，率先研制成功粉塵濃度傳感器，該傳感器可以與煤礦井下的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用，基本實(shí)現(xiàn)煤礦井下粉塵濃度的連續(xù)監(jiān)測(cè)部分功能。另外，中礦龍科能源科技(北京)股份有限公司開發(fā)的基于上位機(jī)—CAN總線—現(xiàn)場(chǎng)分站粉塵在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)并取得良好效果，系統(tǒng)監(jiān)控分站將噴霧裝置與除塵設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度檢測(cè)與控制，并且具有數(shù)據(jù)顯示、閥值設(shè)置、故障自檢以及人機(jī)對(duì)話等功能，采用CAN總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與井下監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)傳輸功能，上位機(jī)提供了各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置以及實(shí)時(shí)控功能。

2 采掘工作面防塵趨勢(shì)

目前，我國礦井普遍采用人工、單點(diǎn)方式監(jiān)測(cè)礦塵濃度，這種方式自動(dòng)化程度較低，礦塵監(jiān)測(cè)與防治技術(shù)正向著網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的趨勢(shì)發(fā)展，研制綜采掘工作面粉塵在線監(jiān)測(cè)及聯(lián)動(dòng)自動(dòng)噴霧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)本安型粉塵傳感器對(duì)井下粉塵濃度連續(xù)實(shí)時(shí)精確的監(jiān)測(cè)功能，能夠準(zhǔn)確可靠的獲得井下粉塵濃度傳感器數(shù)據(jù)，儀器可以自動(dòng)分析綜采工作面粉塵的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并實(shí)時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和智能控制，從而為采取必要的除塵方法提供決策依據(jù)。

針對(duì)低滲透、疏水煤層，進(jìn)行高壓水力增透壓裂技術(shù)研究，事先在煤層中人為通過注入溶液制造裂縫或裂隙，添加新型濕潤劑提高疏水性難注水煤層的濕潤性，以補(bǔ)充煤體損失的水分有效抑制開采過程中的產(chǎn)塵強(qiáng)度。

深入開展煤礦呼吸性粉塵危害治理關(guān)鍵技術(shù)及裝備的研究。進(jìn)行描噴工作面錨噴除塵一體化技術(shù)研究，完善和提高我國錨噴工作面的除塵技術(shù);開發(fā)煤礦防塵設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，提高煤礦企業(yè)對(duì)井下設(shè)備的管理能力，研究高效濕潤添加劑配方及其配比工藝、自動(dòng)添加、水質(zhì)保障成套技術(shù)及其裝備，使呼吸性粉塵的降塵技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平研展綜掘工作面防塵關(guān)鍵工藝技術(shù)和成套技術(shù)研究提高我國機(jī)掘工作面防塵裝備的實(shí)用性和適應(yīng)性。

此外，國內(nèi)外還在粘結(jié)式防塵、吸塵滾筒、泡沫降塵、隔離塵源、聲波霧化降塵、磁化水除塵、預(yù)荷電噴霧降塵等方面進(jìn)行了一系列研究，取得了一定的成果。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，這些防塵措施效果顯著，為我國礦井綜合防塵探索了一條新途徑。

［1］ 李德文，郭勝均.中國煤礦粉塵防治的現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.金屬礦山，2009，(S1):747 －752.

［2］ 王維虎.煤層注水防塵技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(1):57 －60.

［3］ 常建兵，劉濤，胥奎，李建國.綜掘工作面粉塵防治技術(shù)研究［J］.煤炭工程，2007，(3):53－55.

［4］ 耿曉偉，劉雅俊.綜采工作面新型除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2007，28(5):4 －6

［5］ 金龍哲，楊繼星，歐盛南.潤濕型化學(xué)抑塵劑的試驗(yàn)研究［J］. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，7(6):109 －112.

［6］ 張文案，霍磊霞，劉海龍，師莉娟，程芳琴.復(fù)合型煤塵抑制劑的制備及性能研究［J］.煤化工，2009，5:21－24.

［7］ 李滿 .煤塵抑制劑:中國，發(fā)明專利，CN101457137A［P］.2009.06.17.

［8］ 程愛華，劉威，端木合順.新型散煤抑塵劑的制備及性能研究［J］. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(1):7 －9，90.

［9］ 劉生玉，蘇立紅，郭建英，李雪輝.散料表層滲透固化機(jī)理及技術(shù)應(yīng)用研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(S1):125－130.

［10］楊明坤，王芳輝，姚洋，朱紅.一種新型環(huán)保固沙劑的制備與性能研究［J］. 材料研究學(xué)報(bào)，2012，26(3):225－230.