綜采工作面新型高效細(xì)水霧降塵系統(tǒng)應(yīng)用研究

李 樸,王 飛,閆晶晶

(1. 山西呂梁中陽桃園鑫隆煤業(yè)有限公司,;2. 太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院;3.山西省煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心, 太原 030024)

在煤礦井下生產(chǎn)過程中,粉塵污染不但危害煤礦工人的身體健康,同時(shí)存在重大的安全隱患[1-3]。綜采工作面是煤礦的主要產(chǎn)塵區(qū)域,近年來,隨著煤層機(jī)械化開采程度的不斷提高,綜采工作面的粉塵污染程度日趨嚴(yán)重,采煤工作面產(chǎn)塵量占礦井總產(chǎn)塵量45%～80%;采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)塵是綜采面最主要的塵源,其粉塵產(chǎn)塵量占整個(gè)采煤工作面產(chǎn)塵量的70%～80%[4-5],所以綜采工作面粉塵的控制應(yīng)以采煤機(jī)滾筒為中心。采煤機(jī)滾筒降塵問題是煤炭工業(yè)面臨的一個(gè)技術(shù)難題,目前采煤機(jī)滾筒降塵使用的主要方法是原有的內(nèi)外噴霧系統(tǒng),由于內(nèi)外噴霧系統(tǒng)供水壓力不足和易堵塞等問題,降塵效果不理想,極大地威脅煤礦生產(chǎn)安全和工人身體健康[6-8]。國(guó)產(chǎn)的自動(dòng)降塵裝置目前絕大部分為低壓灑水降塵,霧化效果差,降塵效果低,水患嚴(yán)重,同時(shí)存在傳感器容易失靈、電磁閥易損壞等缺點(diǎn)[9-10]。根據(jù)自行設(shè)計(jì)的綜采工作面新型高效細(xì)水霧降塵系統(tǒng)解決傳統(tǒng)外噴霧存在的弊端,綜合降塵效果良好。為加強(qiáng)煤礦職業(yè)危害監(jiān)督管理,改善工作作業(yè)環(huán)境,提高綜合防治能力提供了有力的保障。

1 工作面概況

山西呂梁中陽桃園鑫隆煤業(yè)10412綜采工作面采用單煤層一次采全高的后退式傾斜長(zhǎng)壁采煤方法,其傾向長(zhǎng)度為180 m,煤層平均厚度為2.0 m,煤層普氏系數(shù)f=0.89,傾角為5°,工作面的進(jìn)風(fēng)量為1 180 m3/min。進(jìn)、回風(fēng)順槽參數(shù)見表1。

表1 順槽參數(shù)表Table 1 Parameters of gateways

目前,10412工作面采取的主要利用采煤機(jī)的內(nèi)、外噴霧,液壓支架上的噴霧以及在風(fēng)簾等降塵方式。通過測(cè)量工作粉塵濃度發(fā)現(xiàn):采煤機(jī)內(nèi)外噴霧的工作效率低,降塵效果差,液壓支架噴霧頭數(shù)量少、流量小,因而大量截割煤粉被風(fēng)流帶到下游工作面和回風(fēng)順槽,造成工作環(huán)境粉塵濃度高、能見度低、工人操作困難等問題。

2 實(shí)施方案

針對(duì)10412工作面面臨的問題,自行設(shè)計(jì)并安裝了一整套綜采工作面新型高效細(xì)水霧降塵系統(tǒng),基于運(yùn)輸順槽布置在進(jìn)風(fēng)順槽,逆風(fēng)向運(yùn)輸帶來的粉塵污染工作面的問題,整個(gè)系統(tǒng)由兩部分組成:一是采煤機(jī)細(xì)水霧炮降塵裝置,二是進(jìn)回風(fēng)順槽細(xì)水霧水幕。根據(jù)煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范和煤礦降塵用噴嘴通用技術(shù)的要求,合理布置噴霧炮的位置、數(shù)量、霧化壓力、流量及水幕噴嘴的數(shù)量、間距。

2.1 采煤機(jī)細(xì)水霧炮降塵裝置

采煤機(jī)割煤過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵,根據(jù)采煤機(jī)工作原理和粉塵運(yùn)移規(guī)律,自行設(shè)計(jì)了采煤機(jī)細(xì)水霧炮降塵裝置,其中噴霧炮主要是由噴嘴與錐形擴(kuò)散器組成,在不同安裝位置和作用形式,選用不同類型的噴嘴和擴(kuò)散器。圖1為新型高效細(xì)水霧降塵裝置示意圖。增壓裝置安裝于轉(zhuǎn)載機(jī)落地端,出水管路采用Φ19 mm高壓水管,快插式連接。水管隨采煤機(jī)線槽安裝至采煤機(jī)位置,分出一路Φ13 mm高壓水管至搖臂位置,細(xì)水霧炮利用永磁裝置分別吸附在采煤機(jī)的兩個(gè)滾筒后方搖臂處,在每個(gè)滾筒截齒的后方安裝3個(gè)噴霧炮,分別位于前、中、后三個(gè)部位。前端噴霧炮流量大,霧化壓力高,降低煤塊碎裂落煤過程中的大量煤粉;中部噴霧炮的炮筒擴(kuò)散口較大,主要是覆蓋滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)帶出的煤粉;后端噴霧炮的霧化粒徑小,粒徑覆蓋范圍廣,能作用前方逃逸的細(xì)塵。

2.2 進(jìn)回風(fēng)順槽細(xì)水霧水幕裝置

根據(jù)10412工作面的布置和實(shí)際情況,皮帶運(yùn)輸布置在進(jìn)風(fēng)順槽,逆風(fēng)流運(yùn)輸導(dǎo)致?lián)P塵產(chǎn)生,使進(jìn)入工作面的新鮮風(fēng)流含有一定量的粉塵,其次工作面產(chǎn)生的粉塵都會(huì)匯聚到回風(fēng)順槽,因此在進(jìn)回風(fēng)順槽分別布置一道全斷面細(xì)水霧水幕。

細(xì)水霧水幕裝置主要是由噴嘴、氣水閉鎖裝置、管路組成,其中噴嘴的霧化角大,霧化范圍廣。進(jìn)回風(fēng)順槽細(xì)水霧水幕裝置分別布置在距離工作面20 m、50 m處,在巷道頂板固定一路管徑為Φ10 mm的不銹鋼管,布置霧化角為60°和120°兩類噴嘴,60°噴嘴安裝在管路的兩端,其余3個(gè)120°的噴嘴等間距布置在中間段。機(jī)械式氣水聯(lián)動(dòng)閉鎖裝置安裝在巷道的側(cè)幫,距巷道底板1.5 m處,通過氣動(dòng)控制延時(shí)開關(guān),延時(shí)開關(guān)設(shè)置在水幕兩側(cè)5 m處,時(shí)間間隔設(shè)置為1 min,從而實(shí)現(xiàn)巷道行人通暢。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 測(cè)定方案

為了研究不同工況下10412工作面的粉塵濃度變化情況,將整個(gè)工作面的風(fēng)流分為三段:進(jìn)風(fēng)側(cè)、工作面、回風(fēng)側(cè),相應(yīng)的降塵方案為:進(jìn)風(fēng)水幕、采煤機(jī)細(xì)水霧炮、回風(fēng)水幕。通過單一與組合測(cè)定不同降塵布置方案下的粉塵濃度,從而得出降塵效率,評(píng)價(jià)新型高效細(xì)水霧降塵系統(tǒng)的可靠性。為了能夠清晰地反映出整套降塵裝置的降塵效果,首先測(cè)定整套裝置處于關(guān)閉條件下的10412綜采工作面粉塵濃度分布情況,基于此作為對(duì)照組逐步進(jìn)行方案的驗(yàn)證。

表2 不同工況下的測(cè)定方案

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)測(cè)定方案和實(shí)際需要,進(jìn)風(fēng)順槽水幕兩側(cè)5 m處各布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)量采煤機(jī)處于距離進(jìn)風(fēng)巷1/3段處的降塵效果,工作總共布置三個(gè)測(cè)點(diǎn),這樣可以較為全面地測(cè)定粉塵濃度分布情況和降塵效率。具體測(cè)點(diǎn)布置圖見圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of measuring points

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)測(cè)定方案和測(cè)點(diǎn)布置方式,完成了10412工作面不同組合方案下的粉塵濃度測(cè)量,得到了全塵和呼塵在不同測(cè)點(diǎn)處的濃度變化曲線圖見圖3。

圖3-a顯示的各個(gè)測(cè)點(diǎn)在采煤機(jī)處于工作狀態(tài)下全塵濃度變化情況,一般情況下認(rèn)為進(jìn)風(fēng)流的粉塵濃度為零,但是通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)在距工作面20 m處的全塵濃度在50 mg/m3左右,一旦水幕開啟,由于水幕對(duì)風(fēng)流的擾流,致使進(jìn)風(fēng)順槽后端的粉塵在水幕前聚集,從方案2、3、4、5的濃度均高于方案1、6、7、8就可以解釋這一現(xiàn)象,同時(shí)水幕的開啟降低了水幕后端粉塵的濃度,使其基本處于正常風(fēng)流質(zhì)量。風(fēng)流在繞過端頭支架時(shí),風(fēng)流紊亂導(dǎo)致刮板輸送機(jī)和煤壁落煤殘煤的煤粉被揚(yáng)起,導(dǎo)致風(fēng)流在到達(dá)測(cè)點(diǎn)3時(shí),全塵濃度不斷增大。之后,由于風(fēng)流遇到采煤機(jī)實(shí)體,導(dǎo)致風(fēng)流繞流,粉塵濃度繼續(xù)升高。當(dāng)?shù)竭_(dá)采煤機(jī)時(shí),方案1、2、3、8的全塵濃度高于方案4、5、6、7,說明細(xì)水霧炮的降塵效果明顯,從測(cè)點(diǎn)4就可以看出,全塵濃度從400 mg/m3降低到160 mg/m3,效果顯著,但此時(shí)的全塵濃度依然高于測(cè)點(diǎn)3,主要是細(xì)水霧炮的覆蓋范圍有限,其次是風(fēng)流裹挾大量粉塵逃逸,從而導(dǎo)致采煤機(jī)下游測(cè)點(diǎn)4的濃度依然很高。經(jīng)過一段距離的運(yùn)移,液壓支架的噴霧和顆粒沉降,測(cè)點(diǎn)5的粉塵濃度較測(cè)點(diǎn)4有所下降。風(fēng)流繞過上隅角到達(dá)測(cè)點(diǎn)6,驗(yàn)證水幕降塵效果最明顯的是方案8,由于在此之前,沒有采取任何外加降塵措施,所以全塵濃度從208.4 mg/m3驟降到98.4 mg/m3。

圖3 各測(cè)點(diǎn)全塵和呼塵的濃度變化曲線Fig.3 Concentration variation of total dust and respirable dust at different measuring points

圖3-b是呼吸性粉塵濃度的變化曲線圖,從曲線的走勢(shì)可以看出,進(jìn)風(fēng)順槽水霧對(duì)呼塵的作用與全塵大致相同,但從風(fēng)流進(jìn)入工作面,呼吸性粉塵濃度明顯分為三個(gè)層次,低濃度檔(方案4、方案5方案、6、方案7)、中濃度檔(方案2、方案3)、高濃度檔(方案1、方案8),低濃度檔的出現(xiàn)主要是采煤機(jī)細(xì)水霧炮的作用,沉降了大量呼吸性粉塵,方案4是進(jìn)回風(fēng)側(cè)的水幕同時(shí)開啟的情況,故而其呼吸性的粉塵濃度最低。中濃度檔是由于進(jìn)風(fēng)側(cè)水幕開啟,降低了皮帶巷運(yùn)輸產(chǎn)生的揚(yáng)塵,但由于采煤機(jī)細(xì)水霧炮沒有開啟,致使工作面呼吸性粉塵濃度驟然升高到120 mg/m3左右。高濃度檔的方案1是對(duì)照組,充分說明原有降塵裝置的降塵效果較差,尤其是工作面經(jīng)常處于高濃度、低能見度的環(huán)境,方案8是在采取回風(fēng)順槽水幕的挽救措施,使回風(fēng)順槽下游的呼吸性粉塵濃度下降,因此最后的防塵屏障的降塵效果雖好,但是沒有改善工作面的環(huán)境狀況,同樣是只在進(jìn)風(fēng)側(cè)開啟水幕,方案2卻處于中濃度檔,所以降塵措施要提前使用,及時(shí)預(yù)防。

表3 不同工況下的降塵效率Table 3 Dust reduction efficiencies under different working conditions

表3為不同降塵措施實(shí)施下的降塵效率,從圖3中可以得到方案4在各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的粉塵濃度始終保持在最低水平,水平方案4的降塵效果最好,但表3中的降塵效率顯示方案4的降塵效率并不是最高的,由于降塵濃度的基準(zhǔn)不同,造成了相對(duì)降塵效率存在偏小,可是方案4中的每道降塵措施的降塵效率依然是保持在高位水平,例如采煤機(jī)細(xì)水霧炮全塵和呼塵的降塵效率分別為76.97%和73.96%,回風(fēng)水幕呼吸性粉塵的降塵效率為85.06%高于其他方案。因而結(jié)合粉塵濃度分布情況和降塵效率可以充分得出方案4的降塵效果最好,也間接證明了這套綜采工作面新型高效細(xì)水霧降塵裝置的降塵優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語

根據(jù)10412綜采工作面實(shí)際工作情況,布置綜采工作面新型細(xì)水霧降塵裝置,合理優(yōu)化方案和布置測(cè)點(diǎn),測(cè)定了采煤機(jī)在工作情況下不同實(shí)施方案下的不同測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度,得到綜采工作面的粉塵濃度分布狀況和降塵效率。

(1)從粉塵濃度分布角度出發(fā),回風(fēng)側(cè)水幕的開啟,可以適當(dāng)減輕工作面粉塵濃度高的壓力,但僅僅開啟水幕(進(jìn)或回),綜采工作面和回風(fēng)順槽的濃度依然很高,尤其是工作面的粉塵濃度處去高濃度檔,有些地方全塵和呼吸粉塵濃度能達(dá)到400 mg/m3和160 mg/m3以上,平均濃度都在249 mg/m3和116 mg/m3以上,但當(dāng)單一開啟采煤機(jī)細(xì)水霧炮時(shí),工作面粉塵濃度從高濃度檔降低到低濃度檔,降低效果很明顯。

(2)從各道降塵措施的降塵效率看,不同實(shí)施方案中水幕的降塵效率相對(duì)比較穩(wěn)定,但由于工作面環(huán)境狀況復(fù)雜,方案4、5和方案6、7全塵和呼吸性粉塵的降塵效率存在較大的起伏,一方面由于風(fēng)流不穩(wěn)定造成了粉塵逃逸,另一方面是工作強(qiáng)度不同導(dǎo)致產(chǎn)塵量不均。

(3)綜合粉塵濃度和降塵效率,方案4的降塵效果最好,說明整套裝置的降塵效果很理想;進(jìn)風(fēng)順槽水幕是降低工作面環(huán)境粉塵濃度的第一道屏障,改善了作業(yè)面環(huán)境;采煤機(jī)細(xì)水霧炮的降塵效果是最強(qiáng)的,是降低粉塵濃度的主要環(huán)節(jié);回風(fēng)順槽的降塵作用是最關(guān)鍵的,是防止粉塵擴(kuò)散的最后一道防線,因此要堅(jiān)持降塵措施要提前使用,及時(shí)預(yù)防。