綜掘工作面產(chǎn)塵特點及防治技術(shù)研究

王志寶

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)

礦井綜掘工作面是井下最大的產(chǎn)塵點之一,綜掘工作面80%的粉塵是由掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中破碎煤巖產(chǎn)生的，是綜掘面第一塵源，一直是威脅煤礦安全高效生產(chǎn)的重大危險源[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時，綜掘工作面粉塵濃度高達(dá)1000～3000mg/m3，嚴(yán)重的高達(dá)4000mg/m3以上，呼吸性粉塵濃度達(dá)800～900mg/m3，總粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度都嚴(yán)重超標(biāo)[4-6]。工人長期暴露在高濃度粉塵的作業(yè)環(huán)境，易患塵肺病，粉塵還能引發(fā)煤塵爆炸，降低煤礦設(shè)備的使用壽命，影響作業(yè)人員的視線等[7-9]。

實踐表明，針對綜掘工作面采用單一的防降塵措施，降塵效果不理想[10-12]。因此，必須結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)特點，在深入研究掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時粉塵分布規(guī)律的基礎(chǔ)上并考慮掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時的移動性特點，選擇適宜的降塵措施，才能取得較優(yōu)的降塵效果。本文通過實驗室試驗對高河礦綜掘面產(chǎn)塵性能和粉塵分布規(guī)律進(jìn)行研究，為其粉塵治理提供理論指導(dǎo)。

1 工作面概況

高河礦綜掘工作面長1187m，綜掘工作面沿2#煤底板掘進(jìn)，煤層厚度3.09～8.50m，平均厚度6.20m，煤層傾角5～10°，煤層硬度f值為1.5，煤層層理發(fā)育，節(jié)理一般，自燃發(fā)火期90～150d，煤塵具有爆炸性，揮發(fā)份含量25%，巷道涌水量預(yù)計為5～30m3/h，工作面直接頂與直接底均為泥巖和粉砂巖。該掘進(jìn)工作面采用錨網(wǎng)索加鋼筋梁聯(lián)合支護(hù)形式，斷面為矩形，寬5.4m，高3.4m，面積18.36m2，凈面積16.28m2。采用EBZ-200型掘進(jìn)機(jī)全斷面掘進(jìn)施工，機(jī)后跟1部1m寬皮帶，接2#煤中央輔助運(yùn)輸大巷1部膠帶輸送機(jī)，膠帶輸送機(jī)型號為SSJ-100/40/2×200，刮板輸送機(jī)型號SGD-630/150。巷道循環(huán)進(jìn)尺為1.6m，日進(jìn)尺12m，最大空頂距為1.9m，最小空頂距為0.3m。選兩臺FBDNO7.1/2×30kW型對旋軸流式局部通風(fēng)機(jī)(一臺工作，一臺備用)，供風(fēng)量大于495m3/min。

為降低綜掘工作面的粉塵濃度，在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上安裝了二次負(fù)壓降塵裝置，采用高壓外噴霧降塵，但在實際使用時，由于截割工藝和井下水質(zhì)問題，常常會堵塞噴霧系統(tǒng)而影響降塵效率，掘進(jìn)機(jī)正常作業(yè)時，司機(jī)位置處總粉塵濃度平均值為1823mg/m3，掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾15m處粉塵濃度高達(dá)780mg/m3，嚴(yán)重危害著作業(yè)人員的身心健康。

2 綜掘工作面產(chǎn)塵性能及粉塵分布規(guī)律

2.1 產(chǎn)塵性能分析

煤和巖石的產(chǎn)塵性能是表征煤在外力作用下產(chǎn)生細(xì)微粉塵的能力，主要有產(chǎn)塵能力P、破碎性指標(biāo)N和破碎程度λ三個指標(biāo)[13]。測定P、N、λ三個指標(biāo)，就可以知道該種煤或巖石的產(chǎn)塵性能。現(xiàn)場采取煤層煤樣，在實驗室測試其粒度分布、產(chǎn)塵能力、煤破碎性指標(biāo)、煤破碎程度指標(biāo)及呼吸性粉塵在粉塵中含量，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 煤層煤樣粒度分布測定結(jié)果

呼吸性粉塵是空氣動力徑小于7.07μm的粉塵，粉塵粒度分析測試結(jié)果為斯托克斯粒徑，將空氣動力徑7.07μm換算為斯托克斯徑為5.85μm。然后通過粒度分布結(jié)果求出d<5.85μm的呼吸性粉塵在粉塵中的比例，計算測定結(jié)果如表2所示。

表2 煤層煤樣產(chǎn)塵性能測試結(jié)果

通過對煤層進(jìn)行產(chǎn)塵性能分析測試和結(jié)果計算，表明該煤層產(chǎn)塵能力偏大；破碎性指標(biāo)偏低，煤破碎后粒度分布范圍較窄；破碎程度指標(biāo)λ值偏高，煤經(jīng)破碎后產(chǎn)生的細(xì)粉塵較多，細(xì)粉塵和呼吸性粉塵在破碎后粉塵中占的比例大，需采取針對呼吸性粉塵治理的有效措施。

2.2 粉塵分布規(guī)律

在現(xiàn)場采用AZF-2型呼吸性采樣器采樣，通過濾膜增重法計算測點粉塵濃度，每個測點(司機(jī)位置、一運(yùn)轉(zhuǎn)載點、二運(yùn)轉(zhuǎn)載點下風(fēng)測5m、二運(yùn)轉(zhuǎn)載點下風(fēng)側(cè)10m)重復(fù)測量三次取平均值，掘進(jìn)機(jī)在割頂煤、割中部及掃底時的巷道前端的總粉塵濃度分布如圖1所示，呼吸性粉塵濃度如圖2所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)不同作業(yè)工序時總粉塵濃度分布

圖2 掘進(jìn)機(jī)不同作業(yè)工序時呼吸性粉塵濃度分布

從圖1和圖2可以看出，掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時司機(jī)處總粉塵及呼吸性粉塵濃度最大，對于不同的作業(yè)工序割頂煤時的粉塵產(chǎn)生量最大，割中煤次之，掃底最小。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處的總粉塵濃度可達(dá)到2231mg/m3，割中部時總粉塵濃度為1056mg/m3，掃底時的總粉塵濃度相對較低為440mg/m3，分析為掘進(jìn)機(jī)割頂煤時大量煤體從高處垮落沖擊產(chǎn)生再次產(chǎn)生揚(yáng)塵。隨著風(fēng)流的向后運(yùn)移，在割頂煤和中部時，總粉塵粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度均逐漸降低，但在經(jīng)過二運(yùn)轉(zhuǎn)載點后總體粉塵濃度又有一定的上升，說明二運(yùn)轉(zhuǎn)載點處也是粉塵的一個產(chǎn)塵點。

3 粉塵防治措施及效果分析

3.1 掘進(jìn)機(jī)高壓外噴霧

為降低綜掘工作面的粉塵濃度，在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上安裝了二次負(fù)壓降塵裝置，采用高壓外噴霧降塵。通過對高壓噴霧開啟前后綜掘工作面粉塵濃度進(jìn)行測試，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 高壓外噴霧開啟前后綜掘工作面總粉塵和呼吸性粉塵濃度變化

采用高壓外噴霧降塵前，司機(jī)位置處總粉塵和呼吸性粉塵濃度平均值分別為1823mg/m3和850mg/m3，采用高壓外噴霧降塵后，司機(jī)位置處總粉塵和呼吸性濃度分別降低至426mg/m3和236mg/m3，降塵效率達(dá)到76.6%和72.2%；采用高壓外噴霧降塵前，掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾15m處總粉塵和呼吸性濃度分別高達(dá)780mg/m3和382mg/m3，噴霧降塵后總粉塵和呼吸性粉塵濃度分別為185mg/m3和107mg/m3，降塵效率達(dá)到76.3%和72.0%。

3.2 控除塵一體化裝置工作原理及系統(tǒng)布置

由于掘進(jìn)機(jī)為移動性塵源，綜掘工作面塵源分布隨掘進(jìn)機(jī)作業(yè)在時間上和空間上不斷變化，結(jié)合現(xiàn)場實測可知，綜掘工作面單獨采用掘進(jìn)機(jī)高壓外噴霧降塵效果有限。理論和實踐均表明，采用長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)較單一的壓入式和抽出式通風(fēng)系統(tǒng)更好地降低綜掘工作面的粉塵濃度[14]。因此，采用集控除塵一體化的通風(fēng)降塵系統(tǒng)，與掘進(jìn)機(jī)保持同步移動，保持控除塵技術(shù)參數(shù)和幾何距離參數(shù)恒定，可提高降塵效率和現(xiàn)場實用性。

綜掘面車載式通風(fēng)控、除塵一體化裝置(以下簡稱“一體化裝置”)及系統(tǒng)布置如圖4所示。整個系統(tǒng)由：供風(fēng)風(fēng)筒、可伸縮風(fēng)筒、輕質(zhì)單軌吊系統(tǒng)、一體化裝置和負(fù)壓螺旋風(fēng)筒五部分組成。一體化裝置將附壁風(fēng)筒和除塵器集成于一體，工作面的供風(fēng)風(fēng)筒與可伸縮風(fēng)筒連接，通過一體化裝置的風(fēng)筒存儲器存儲可伸縮風(fēng)筒(骨架或螺旋負(fù)壓風(fēng)筒)，同時將可伸縮風(fēng)筒吊掛于輕質(zhì)單軌吊系統(tǒng)上，通過懸掛于巷道頂部的輕質(zhì)單軌吊系統(tǒng)將一體化裝置前段的負(fù)壓螺旋風(fēng)筒吊掛于巷道頂部一側(cè)，控制負(fù)壓螺旋風(fēng)筒的吸風(fēng)口距工作面迎頭距離不大于3m。

1.一體化裝置；2.掘進(jìn)機(jī)；3.膠帶輸送機(jī)；4.單軌吊系統(tǒng)；5.負(fù)壓螺旋風(fēng)筒；6.可伸縮風(fēng)筒；7.供風(fēng)風(fēng)筒

掘進(jìn)工作面向前推進(jìn)時，一體化裝置帶動負(fù)壓風(fēng)筒向前移動到指定位置；同時帶動風(fēng)筒存儲器內(nèi)存儲的可伸縮風(fēng)筒在單軌吊滑軌上自動伸長；當(dāng)存儲的風(fēng)筒完全伸展時，將風(fēng)筒重新收入風(fēng)筒存儲器內(nèi)，重新接續(xù)供風(fēng)風(fēng)筒。

掘進(jìn)工作面未進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時，調(diào)節(jié)壓抽轉(zhuǎn)換風(fēng)筒為壓風(fēng)通風(fēng)狀態(tài)，供風(fēng)風(fēng)筒提供的風(fēng)流經(jīng)過存儲風(fēng)筒、附壁風(fēng)筒、壓抽轉(zhuǎn)換風(fēng)筒和抽塵風(fēng)筒直接到工作面迎頭，實現(xiàn)工作面的正常通風(fēng)。

掘進(jìn)工作面開始生產(chǎn)時，通過調(diào)節(jié)壓抽轉(zhuǎn)換風(fēng)筒使得附壁風(fēng)筒處于完全控塵狀態(tài)，同時開啟除塵器進(jìn)行抽塵凈化。當(dāng)掘進(jìn)作業(yè)結(jié)束時，控、除塵設(shè)備停止工作，工作面通風(fēng)系統(tǒng)恢復(fù)至正常通風(fēng)狀態(tài)。

3.3 降塵效果考察

綜掘工作面采用掘進(jìn)機(jī)高壓外噴霧和控除塵一體化裝置后，在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處和掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾15m處分別布置一個粉塵濃度測點(每個測點重復(fù)測量三次取平均值)，在距離巷道地板高度為1.5m處采用AZF-02型呼吸性粉塵采樣器進(jìn)行采樣，在實驗室用梅特勒電子天平AL204對采樣前的濾膜和采樣后的濾膜分別進(jìn)行稱重，采用Bettersize系列激光粒度分布儀分別對采樣前和采樣后的濾膜粉塵進(jìn)行粒度分布測試從而獲得R1和R2，并根據(jù)公式(1)、(2)、(3)來計算測點總粉塵和呼吸性粉塵降塵效率，測試結(jié)果如表3所示。

(1)

式中：c為粉塵濃度，mg/m3；m1為采樣前濾膜的質(zhì)量，mg；m2為采樣后濾膜的質(zhì)量，mg；v為采樣流量，L/min；t為采樣時間，min。

(2)

式中：η總為總粉塵降塵效率，%；c1為采取措施前的總粉塵濃度，mg/m3；c2為采取措施后的總粉塵濃度，mg/m3。

(3)

式中：η呼為總粉塵降塵效率，%；R1為采取措施前的濾膜粉塵中粒徑小于7.07μm的粉塵所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；R2為采取措施后的濾膜粉塵中粒徑小于7.07μm的粉塵所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

根據(jù)表3可知，采用掘進(jìn)機(jī)高壓外噴霧及控除塵一體化裝置降塵措施時，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處和機(jī)尾15m處的總粉塵降塵效率分別為91.2%和92.8%，呼吸性粉塵降塵效率分別為91.3%和90.8%，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處和機(jī)尾15m處總粉塵降塵效率較單獨采用高壓外噴霧分別提高了14.6%和16.5%，呼吸性粉塵降塵效率教單獨采用高壓外噴霧分別提高了19.1%和18.8%，降塵效果明顯。

表3 測點粉塵濃度

4 結(jié)論

(1)通過對高河礦煤層進(jìn)行產(chǎn)塵性能分析測試和結(jié)果計算，表明該煤層產(chǎn)塵能力偏大；破碎性指標(biāo)偏低，煤破碎后粒度分布范圍較窄；破碎程度指標(biāo)λ值偏高，煤經(jīng)破碎后產(chǎn)生的細(xì)粉塵較多，細(xì)粉塵和呼吸性粉塵在破碎后粉塵中占的比例大。

(2)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時司機(jī)處總粉塵及呼吸性粉塵濃度最大，對于不同的作業(yè)工序割頂煤時的粉塵產(chǎn)生量最大，割中煤次之，掃底最小。

(3)在掌握綜掘工作面產(chǎn)塵性能和掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時不同工序時粉塵的產(chǎn)塵規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用了掘進(jìn)機(jī)外噴霧和控除塵一體化裝置的綜合防降塵措施后，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處和機(jī)尾15m處的總粉塵降塵效率分別為91.2%和92.8%，呼吸性粉塵降塵效率分別為91.3%和90.8%，極大的改善了作業(yè)人員的工作環(huán)境。