綜放工作面產(chǎn)塵分布規(guī)律及綜合治理技術(shù)

陳 芳

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

粉塵是我國煤礦五大災(zāi)害之一，不僅會引起煤塵爆炸事故，還會使長期從事煤礦行業(yè)的工人患塵肺病、矽肺病等職業(yè)病[1]。近年來，隨著煤礦設(shè)備開采能力的不斷提升，礦井高產(chǎn)、集約化生產(chǎn)的發(fā)展模式，導(dǎo)致采場空間粉塵污染越來越突出[2-5]，井下工作面的粉塵產(chǎn)量也越來越大，已經(jīng)成為現(xiàn)代化礦井健康開采的主要問題。綜放工作面作業(yè)產(chǎn)生的粉塵主要來自于采煤機(jī)割煤作業(yè)、放煤作業(yè)和移架作業(yè)過程中[6-8]，是煤礦產(chǎn)塵量最大的作業(yè)場所，其產(chǎn)塵量約占礦井產(chǎn)塵量的60%[9-12]，其粉塵濃度可以達(dá)到2500～3000mg/m3，大大超過新版《煤礦安全規(guī)程》中總粉塵濃度4mg/m3的管理標(biāo)準(zhǔn)。因此，要想采取針對性有效的粉塵防治措施，降低井下綜放工作面的粉塵濃度，取得較好的防塵效果，首先要對工作面產(chǎn)塵特性及分布規(guī)律有所了解，才能針對性采取治理措施。

綜采工作面技術(shù)與裝備正在經(jīng)歷從單一化、多元化、自動化、智能化發(fā)展的階段[13-16]。綜合防塵技術(shù)及裝置也正在向多元集成智能化方向邁進(jìn)，本文在掌握綜放面產(chǎn)塵規(guī)律基礎(chǔ)上，提出了以塵源跟蹤為依托的多個防塵子系統(tǒng)集成的智能聯(lián)控噴霧降塵系統(tǒng)對工作面粉塵進(jìn)行治理，對于改善作業(yè)地點的工作環(huán)境、保障煤礦的安全生產(chǎn)和煤礦工人的身體健康及粉塵治理技術(shù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工作面概況

經(jīng)取樣測試，王家?guī)X煤礦20106綜放工作面所開采的2#煤層屬于低滲透、難濕潤、極干燥易破碎、絕對憎水性煤層。采用落錘法利用MC-1型煤巖產(chǎn)塵實驗裝置測試煤的產(chǎn)塵能力，即煤在單位能量作用下產(chǎn)生的細(xì)微粉塵含量，一般煤產(chǎn)生的細(xì)微粉塵含量與破碎能量成正比。通過測試可知：該煤層產(chǎn)塵能力較高，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量粉塵。測試結(jié)果見表1。

表1 2#煤層理化性質(zhì)

20106綜放工作面長度269m，采高為3.1m，放煤高度3.6m，日進(jìn)尺6m。工作面采用U型通風(fēng)，供風(fēng)量為1350m3/min，實測采煤工作面平均風(fēng)速能達(dá)到1.5m/s以上，在采煤機(jī)附近的局部風(fēng)速可以達(dá)到3.0m/s以上。工作面選用MGTY-650/1605-WD型采煤機(jī)和ZFY10000/23/34型放頂煤液壓支架。為保證采煤工作面防塵供水需要，選用BPW315/16單列式柱塞泵3臺(兩用一備，其中一臺供內(nèi)噴霧，一臺供外噴霧)和BPW516/16單列式柱塞泵2臺(一用一備)保障防塵用水壓力。

通過現(xiàn)場調(diào)研，采煤機(jī)內(nèi)噴霧由于堵塞基本無法正常工作，僅在采煤機(jī)面上布置有朝向滾筒的噴霧裝置，每個噴霧裝置配備三個噴嘴，噴霧壓力約為2～4MPa，上風(fēng)側(cè)噴霧有效射程很難到達(dá)采煤機(jī)滾筒位置，降塵效果較差，而針對降柱移架及放頂煤等塵源基本沒有相應(yīng)的治理措施，粉塵污染極其嚴(yán)重。在工作面回風(fēng)巷距離端頭30m處布置有2道網(wǎng)狀擋塵簾，擋塵簾上方布置有手動噴霧，開啟與否受人為因素較大。

2 塵源點及產(chǎn)塵特性

綜放工作面是機(jī)械化礦井連續(xù)產(chǎn)塵強(qiáng)度較大的作業(yè)場所，各項工序都會產(chǎn)生大量的粉塵。整個工作面包括進(jìn)風(fēng)巷的產(chǎn)塵工序主要包括進(jìn)風(fēng)巷輸送帶、一部機(jī)尾轉(zhuǎn)載、破碎機(jī)、前后部刮板運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)載、采煤機(jī)割煤、降柱移架。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)：

1)逆風(fēng)割煤垮落產(chǎn)塵量較大。其原因主要是由于采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時，前滾筒處于上風(fēng)側(cè)割頂煤，垮落產(chǎn)塵嚴(yán)重；同時，位于采煤機(jī)前方陸續(xù)收回支架前探梁及護(hù)幫板，收回的過程中，摩擦產(chǎn)生的碎煤和部分頂煤垮落產(chǎn)塵，產(chǎn)塵量極大且具有陣發(fā)性；其次，當(dāng)前滾筒割頂煤時，頂煤及前方煤壁受煤機(jī)擠壓破碎，大量煤塊垮落并沖擊到刮板機(jī)中部槽中，瞬間產(chǎn)生大量的沖擊煤塵。

2)司機(jī)位置處粉塵濃度較高。其原因主要是由于收前探梁和采煤機(jī)前滾筒割頂煤時，大量的煤塊垮落下來，產(chǎn)生的落煤揚(yáng)塵和沖擊煤塵，上述兩部分煤塵在高速風(fēng)流作用下迅速擴(kuò)散，并向下風(fēng)運(yùn)動，含塵氣流就受到截割電機(jī)、搖臂及電纜槽阻擋；含塵氣流一部分通過采煤機(jī)搖臂后的通道靠煤壁一側(cè)運(yùn)動，第二部分是翻過截割電機(jī)通過采煤機(jī)機(jī)面向下風(fēng)流運(yùn)動，第三個部分則是翻過電纜槽進(jìn)入人行道，通過司機(jī)作業(yè)區(qū)域向下風(fēng)運(yùn)動，到達(dá)司機(jī)位置處，如圖1所示。

圖1 逆風(fēng)割煤粉塵運(yùn)動方向示意圖

3)順風(fēng)割煤粉塵擴(kuò)散較小。順風(fēng)割煤時，采煤機(jī)前滾筒割頂煤，由于采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)無直接阻擋，破碎垮落產(chǎn)生的粉塵隨風(fēng)流沿煤壁向下風(fēng)側(cè)運(yùn)動，只有部分?jǐn)U散到人行道空間，使得作業(yè)人員出粉塵濃度較小。順風(fēng)割煤含塵氣流運(yùn)動方向如圖2所示。

圖2 順風(fēng)割煤粉塵運(yùn)動方向示意圖

4)降柱移架產(chǎn)塵嚴(yán)重。降柱移架作業(yè)下風(fēng)側(cè)粉塵突發(fā)增加，主要是由于在移架過程中支架頂梁與頂煤發(fā)生摩擦，產(chǎn)生大量細(xì)微顆粒，并從支架兩側(cè)縫隙掉落，受風(fēng)流擴(kuò)散影響，迅速彌漫至整個作業(yè)空間。

通過觀察，現(xiàn)場粉塵污染嚴(yán)重，急需進(jìn)行有效治理。為能精準(zhǔn)治理工作面粉塵，必須針對整個工作面粉塵濃度進(jìn)行測試，得到分布規(guī)律，為建立和優(yōu)化治理措施提供基礎(chǔ)支撐。

3 工作面粉塵濃度分布規(guī)律

通過采用CCZ20型粉塵濃度采樣器按照風(fēng)流流動方向依次連續(xù)測試進(jìn)風(fēng)巷、回采空間、回風(fēng)巷等地點粉塵濃度，得到整個工作面粉塵濃度分布規(guī)律。

3.1 進(jìn)風(fēng)巷粉塵濃度分布

沿著風(fēng)流方向從巷口至工作面端頭，每間隔200m測試一組數(shù)據(jù)，得到進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)粉塵濃度分布如圖3所示。

圖3 進(jìn)風(fēng)巷粉塵濃度分布

通過測試可知：進(jìn)風(fēng)巷生產(chǎn)期間粉塵濃度呈增大趨勢，在進(jìn)風(fēng)巷入口，總粉塵濃度為8.4mg/m3，呼吸性粉塵濃度為1.3mg/m3，沿著風(fēng)流方向總粉塵濃度不斷地升高，到達(dá)一部機(jī)尾轉(zhuǎn)載點時，總粉塵濃度為20.7mg/m3，呼吸性粉塵濃度為16.6mg/m3，粉塵來源主要為皮帶運(yùn)輸震動產(chǎn)塵以及因風(fēng)流運(yùn)動造成的揚(yáng)塵。

3.2 回采空間粉塵濃度分布

工作面的主要塵源點有采煤機(jī)割煤、放頂煤以及降柱移架環(huán)節(jié)，在采煤機(jī)附近，每間隔5m測試一組粉塵濃度，得到采煤機(jī)順逆風(fēng)割煤時沿風(fēng)流方向的粉塵濃度分布。

3.2.1 逆風(fēng)割煤期間

簫聲流淌，四小姐進(jìn)入樂音營造的世界。她仿佛看見，一只哀鴻在寒潭照影，在青霄孤鳴，心中突如其來涌上陣陣感動，再看面前的臘梅，仿佛也跟著顫動。

采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時工作面粉塵濃度分布如圖4所示。經(jīng)測試可知：采煤機(jī)逆風(fēng)割頂煤時，上風(fēng)側(cè)滾筒割頂煤，下風(fēng)側(cè)滾筒割底煤，風(fēng)流經(jīng)過采煤機(jī)前滾筒總粉塵濃度達(dá)到2312mg/m3，采煤機(jī)司機(jī)位置處總粉塵濃度為1125mg/m3，后滾筒處總粉塵濃度為827mg/m3，經(jīng)過降柱移架塵源疊加作用后總粉塵濃度增加至1034mg/m3，其中采煤機(jī)前滾筒處粉塵濃度最高，整體呈現(xiàn)粉塵濃度隨風(fēng)流方向，先迅速增加、再逐漸減小、采煤機(jī)機(jī)尾10m至20m位置小幅增加、隨后逐漸減小的趨勢。

圖4 逆風(fēng)割煤粉塵濃度分布

3.2.2 順風(fēng)割煤期間

采煤機(jī)順風(fēng)割煤時工作面粉塵濃度分布如圖5所示。

圖5 順風(fēng)割煤粉塵濃度分布

從圖5可知：采煤機(jī)順風(fēng)割煤時，風(fēng)流依次經(jīng)過放頂煤、采煤機(jī)后滾筒、前滾筒等塵源點，經(jīng)過放頂煤位置后總粉塵濃度達(dá)到847mg/m3，采煤機(jī)后滾筒、司機(jī)處及前滾筒處總粉塵濃度分別達(dá)到465mg/m3、513mg/m3、665mg/m3，總體產(chǎn)塵量相對逆風(fēng)割煤時有所減小，呼吸性粉塵濃度與總粉塵濃度變化趨勢相似，都呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢。

3.3 回風(fēng)巷粉塵分布

工作面回風(fēng)巷道并無塵源點，粉塵主要來源于工作面生產(chǎn)作業(yè)，回風(fēng)巷內(nèi)粉塵濃度變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 回風(fēng)巷粉塵濃度分布

從圖6可知：工作面回風(fēng)巷粉塵濃度沿風(fēng)流方向總體呈現(xiàn)下降趨勢，距離工作端頭越遠(yuǎn)粉塵濃度越小，其中總粉塵沉降速率大于呼吸性粉塵。在回風(fēng)巷回風(fēng)端頭總粉塵濃度為246mg/m3，而200～400m范圍內(nèi)，粉塵沉降速率減緩，呼吸性粉塵濃度所占比例逐漸增大；在400m之后，粉塵濃度基本穩(wěn)定并緩慢降低。

4 粉塵治理技術(shù)

針對進(jìn)風(fēng)巷、工作面、回風(fēng)巷粉塵產(chǎn)塵特點及分布規(guī)律，20106綜放工作面采用綜放面智能聯(lián)控高效噴霧降塵技術(shù)進(jìn)行綜合治理。該技術(shù)首先利用風(fēng)流凈化系統(tǒng)對進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流進(jìn)行凈化處理，避免進(jìn)風(fēng)巷粉塵進(jìn)入工作面；其次，對采煤機(jī)、支架等重點產(chǎn)塵區(qū)域，利用智能跟蹤噴霧技術(shù)，在采煤機(jī)上下滾筒塵源處，及時濕潤垮落煤體，實現(xiàn)就地滅塵，最大限度防止粉塵飛揚(yáng)；結(jié)合采煤機(jī)控塵技術(shù)，控制和引導(dǎo)浮游粉塵或含塵風(fēng)流靠煤壁一側(cè)運(yùn)動，在煤壁側(cè)實現(xiàn)集中降塵，避免其向人行道擴(kuò)散進(jìn)而危害作業(yè)人員；通過合理設(shè)計支架架間噴霧布置方式及噴霧參數(shù)實現(xiàn)快速濕潤降柱移架及放頂煤過程中產(chǎn)生的破碎煤體，從源頭上減少粉塵的產(chǎn)生量；最后通過回風(fēng)巷集中噴霧及捕塵作用，凈化工作面未處理粉塵，從而實現(xiàn)解決整個工作面的粉塵問題，并最終形成了一套適用于類似工作面的智能聯(lián)控噴霧降塵系統(tǒng)。該系統(tǒng)按不同塵源點的治理途徑可以分為進(jìn)風(fēng)巷防塵、采煤機(jī)割煤防塵、放頂煤防塵、降柱移架防塵及回風(fēng)巷防塵等5個子系統(tǒng)組成。

4.1 進(jìn)風(fēng)巷防塵子系統(tǒng)

圖7 進(jìn)風(fēng)巷防塵子系統(tǒng)安裝布置示意圖

4.2 采煤機(jī)割煤防塵子系統(tǒng)

主要由布置于支架頂部的采煤機(jī)塵源跟蹤噴霧裝置，以及布置于采煤機(jī)機(jī)身上風(fēng)側(cè)方向機(jī)面外緣處、距采煤機(jī)上風(fēng)滾筒行走部約1m位置的懸臂式含塵氣流控降塵噴霧裝置、懸掛于含塵氣流噴霧控降塵裝置下方的長度4m、寬度1m的控塵簾、布置于采煤機(jī)機(jī)面的2道噴霧控降塵裝置，以及布置于采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)滾筒搖臂根部位置的負(fù)壓二次噴霧控降塵裝置等組成。其中布置于支架頂梁的所有塵源跟蹤噴霧裝置采用一套高壓泵站供水，供水壓力約8～10MPa，噴霧流量為180L/min，通過自動定位采煤機(jī)位置實現(xiàn)順次開啟和關(guān)閉；布置于采煤機(jī)機(jī)身上的所有噴霧采用另外一套高壓泵站供水，供水壓力5～6MPa，噴霧流量為160L/min，通過手動控制實現(xiàn)噴霧的開啟和關(guān)閉。采煤機(jī)控降塵防塵子系統(tǒng)布置方式如圖8所示。

圖8 采煤機(jī)防塵子系統(tǒng)安裝布置示意圖

4.3 放頂煤防塵子系統(tǒng)

主要由布置于支架尾梁放煤口處的噴霧裝置、控制閥及高壓管路組成，與采煤機(jī)防塵子系統(tǒng)中布置于支架頂部的高效抑塵噴霧相同，采用同一套高壓泵站供水，垂直于后部運(yùn)輸機(jī)中部槽向下噴霧，同時開啟相鄰支架噴霧，供水壓力約8～10MPa，噴霧流量為75L/min，通過定位采煤機(jī)實現(xiàn)順次開啟和關(guān)閉，安裝布置如圖9所示

圖9 放頂煤防塵子系統(tǒng)安裝布置示意圖

4.4 降柱移架防塵子系統(tǒng)

主要由布置于支架兩側(cè)的側(cè)護(hù)板噴霧、支架斷面噴霧、控制閥及高壓管路等組成，與采煤機(jī)防塵子系統(tǒng)中布置于支架頂梁的噴霧共用一套高壓泵站供水，供水壓力約8～10MPa，噴霧流量為80L/min，通過感知降柱移架液缸壓力變化，實現(xiàn)自動順次開啟和關(guān)閉，如圖10所示。

圖10 降柱移架防塵子系統(tǒng)安裝布置示意圖

4.5 回風(fēng)巷防塵子系統(tǒng)

主要由布置于巷道頂部的斷面噴霧及布置于距回風(fēng)巷端頭30～50m的兩道捕塵網(wǎng)及管路等組成，采用靜壓供水，定時自動控制開啟和關(guān)閉，供水壓力約2～3MPa，斷面噴霧布置方式與進(jìn)風(fēng)巷定時噴霧相同。

按照上述各子系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)在20106綜放工作面進(jìn)行調(diào)試應(yīng)用后，測試逆風(fēng)割煤條件下系統(tǒng)使用前后工作面各點粉塵濃度，綜合降塵效果見表2。

采煤工作面智能聯(lián)控高效噴霧降塵系統(tǒng)使用以后，逆風(fēng)割煤時各塵源點處的粉塵濃度均有大幅的降低，采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時司機(jī)處的總塵及呼吸性粉塵濃度可分別控制在52.6mg/m3和27.4mg/m3，降柱移架司機(jī)處的總塵及呼吸性粉塵濃度可分別控制在50.8mg/m3和22.3mg/m3以內(nèi)，工作面采煤機(jī)附近綜合降塵效率達(dá)到90%以上，進(jìn)回 兩巷粉塵濃度控制在20mg/m3左右，效果顯著，可有效緩解綜放面粉塵污染問題。

表2 綜合降塵效果(逆風(fēng)割煤)

注：各類噴霧均正常使用。

5 結(jié) 論

1)工作面進(jìn)風(fēng)巷粉塵濃度隨風(fēng)流方向一直呈增加趨勢，回風(fēng)巷內(nèi)粉塵濃度呈減小趨勢，進(jìn)回風(fēng)兩巷粉塵濃度距離工作面端頭越近粉塵濃度越大，但回風(fēng)巷呼吸性粉塵的含量隨著距離的增加而增大。

2)在工作面割煤空間采煤機(jī)附近，沿風(fēng)流前進(jìn)方向，粉塵濃度呈現(xiàn)先迅速增加、再逐漸減小、采煤機(jī)機(jī)尾10m至20m位置小幅增加、隨后逐漸減小的變化趨勢；采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時，其中司機(jī)位置處總粉塵濃度達(dá)到1125mg/m3，呼吸性粉塵濃度為778mg/m3；采煤機(jī)順風(fēng)割煤時，滾筒及采煤機(jī)司機(jī)處粉塵濃度相對較小，其中司機(jī)位置處總粉塵513mg/m3、呼吸性粉塵濃度為232mg/m3。

3)經(jīng)采用智能聯(lián)控高效噴霧降塵系統(tǒng)進(jìn)行粉塵綜合治理后，逆風(fēng)割煤時各塵源點處的粉塵濃度均有大幅的降低，采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時司機(jī)處的總塵及呼吸性粉塵濃度可分別控制在52.6mg/m3和27.4mg/m3，降柱移架司機(jī)處的總塵及呼吸性粉塵濃度可分別控制在50.8mg/m3和22.3mg/m3以內(nèi)，工作面采煤機(jī)附近綜合降塵效率達(dá)到90%以上，進(jìn)回兩巷粉塵濃度控制在20mg/m3左右，效果顯著，可有效緩解綜放面粉塵污染問題。