煤礦采掘工作面高效綜合防塵技術(shù)探析

雷 鈞

（潞安集團(tuán)常村煤礦， 山西 長治 046100）

1 常村煤礦井下環(huán)境概況

常村煤礦由于防塵技術(shù)環(huán)節(jié)薄弱造成煤礦現(xiàn)場的粉塵不能及時(shí)得到處理，導(dǎo)致當(dāng)?shù)爻涑庵邼舛鹊姆蹓m。主要體現(xiàn)在以下方面：參數(shù)選取失當(dāng)造成現(xiàn)場的噴霧無法對粉塵產(chǎn)生吸附凝聚作用；截割以及支架移動(dòng)過程產(chǎn)生的高濃度粉塵擊潰了礦場的防塵技術(shù)手段，大量的職工面臨嚴(yán)重的健康威脅；風(fēng)機(jī)氣流的作用使得掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的粉塵亂飛，僅靠現(xiàn)場抽風(fēng)形成的負(fù)壓無法吸附大量粉塵，現(xiàn)場的凈化裝置幾乎失效。

在沒有有效措施干預(yù)的情況下，該地區(qū)的粉塵含量已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)，除了對環(huán)境造成的巨大污染，更重要的是直接威脅了該地區(qū)職工的身體健康，使得工人患塵肺病的概率大幅提升，高濃度的粉塵含量讓礦區(qū)面臨風(fēng)險(xiǎn)極高的粉塵爆炸威脅。

2 綜合防塵技術(shù)常村煤礦采掘工作面的應(yīng)用

2.1 全斷面高效捕塵技術(shù)

塵霧耦合就是通過水霧將彌散在空氣中的粉塵吸附聚集在一起，當(dāng)聚合物的質(zhì)量達(dá)到臨界點(diǎn)，就會(huì)由于自身重力作用降落地面。當(dāng)然，在實(shí)際的應(yīng)用中原理會(huì)比這稍顯復(fù)雜，需要用到氣壓于風(fēng)流理論[1]。

水霧的產(chǎn)生依賴現(xiàn)場的噴霧裝置，通過噴嘴噴發(fā)出來的噴霧向外擴(kuò)散，滿足一定條件便會(huì)形成噴霧活塞，由于前方的空氣被水霧擠走，導(dǎo)致后部形成相對穩(wěn)定的真空狀態(tài)，在噴霧裝置的噴口處就產(chǎn)生負(fù)壓，那些吸附粉塵的水霧受到負(fù)壓的作用進(jìn)入噴管內(nèi)部，由于內(nèi)部不斷進(jìn)行撞擊使得凝結(jié)現(xiàn)象發(fā)生，這個(gè)過程非常復(fù)雜。當(dāng)粉塵再度回到空氣中時(shí)已經(jīng)無法克服自身的重力作用便會(huì)迅速下沉。這一過程又會(huì)在噴出口形成新的負(fù)壓，導(dǎo)致新一輪的粉塵凈化，這樣的一個(gè)過程就會(huì)對粉塵進(jìn)行第二凈化作用，整個(gè)流程如圖1所示。

圖1 機(jī)理示意圖

在整個(gè)降塵裝置中，發(fā)射噴霧的噴嘴是最為基礎(chǔ)的構(gòu)件，它所能表現(xiàn)出來的霧化能力很大程度上也決定了該降塵裝置的效果。為了獲得最好的效果，課題組廣泛研究國內(nèi)外的噴嘴，結(jié)合礦區(qū)的環(huán)境特性確定了最終的噴嘴，為了驗(yàn)證性能，在重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過專業(yè)的仿真裝置測試噴嘴的霧化效果，精準(zhǔn)的得到了噴嘴的范圍、霧滴噴出的速率、濃度等數(shù)據(jù)。由于工作面不同高度位置情況不同，需要據(jù)此選取噴嘴并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得最佳的噴霧形成角度以及壓力參數(shù)等，保證噴霧的濃度、速度以及粒度達(dá)到最佳，形成最佳的霧場覆蓋狀況。

2.2 專用的負(fù)壓引射除塵技術(shù)

由于現(xiàn)場不同的割煤工序和支架移動(dòng)各自產(chǎn)生的煤塵數(shù)量以及特點(diǎn)并不相同，故而需要根據(jù)各自的特點(diǎn)研發(fā)專用的除塵技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)涉及的內(nèi)容比較多，但是最為關(guān)鍵的當(dāng)屬噴霧。按照粒度—速度—濃度塵霧禍合的作用機(jī)理，需要經(jīng)歷一系列的實(shí)驗(yàn)測試確定噴嘴參數(shù)，這樣就可以模擬得到最好的降塵，形成覆蓋全局的噴霧場，也能有效地節(jié)約水資源，水源的利用率達(dá)到最高[2]。如圖2所示極為該技術(shù)的示意圖。

圖2 架間負(fù)壓引射除塵技術(shù)示意圖

粉塵的運(yùn)動(dòng)受到風(fēng)速影響，兩次之間的關(guān)系可以通過數(shù)值模擬的方式得到基本的移動(dòng)規(guī)律，通過風(fēng)幕的封閉式粉塵控制技術(shù)的模擬，利用密閉環(huán)境下的除塵理論進(jìn)行推算。如果綜掘工作面可以看作是密閉的空間，空間內(nèi)部的粉塵可以借助抽風(fēng)的方式排出去，基于這樣的原理就可以將掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)產(chǎn)生的大量粉塵捕捉，最終沉降下去。

2.3 風(fēng)幕封閉式控塵技術(shù)及裝備研發(fā)

綜掘工作面利用風(fēng)幕封閉式控塵技術(shù)配合輕質(zhì)的風(fēng)筒（如圖3所示）就可產(chǎn)生一種旋流風(fēng)幕，這種風(fēng)幕可以遏制塵土對外擴(kuò)散。一般將輕質(zhì)的風(fēng)筒設(shè)置于掘進(jìn)機(jī)前端10～60 m的位置，保證空氣幕的形成，粉塵被控制在其中，一般情況下，風(fēng)筒每間隔5～6 d 需要移動(dòng)一次[3]。

工作面的除塵，通過負(fù)壓、抽離混合的方式完成降塵。由風(fēng)筒直吹形成的軸向風(fēng)可經(jīng)轉(zhuǎn)為往側(cè)壁出風(fēng)，形成多處出風(fēng)口，在狹長的巷道中形成旋流風(fēng)幕。由于負(fù)壓的作用，工作面的風(fēng)被風(fēng)筒逐步抽離，而旋流風(fēng)幕則不停的往工作面移動(dòng)，對內(nèi)部的風(fēng)流造成影響，在較原先更短距離內(nèi)完成風(fēng)流場的轉(zhuǎn)變，形成的新風(fēng)流可以對粉塵起到控制作用，施工人員不再被粉塵圍困，安全性大大提高。

圖3 附壁新型輕質(zhì)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)示意圖

圖4所為待研發(fā)的新型控塵技術(shù)示意圖。在經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)分析與模擬之后，會(huì)選擇控塵效果最好的地方安裝該技術(shù)裝置。

圖4 擬研發(fā)的風(fēng)幕封閉式控塵技術(shù)示意圖

這種綜掘工作面風(fēng)幕封閉式控塵技術(shù)的應(yīng)用會(huì)體現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)，其中最為明顯的優(yōu)點(diǎn)是會(huì)大幅減少截割頭工作時(shí)產(chǎn)生的粉塵數(shù)量，這在很大程度上降低了后續(xù)控塵時(shí)的工作量。

3 應(yīng)用效果

通過在常村煤礦礦場一系列的試驗(yàn)與應(yīng)用，該方法的降塵效果得到了肯定，根據(jù)所設(shè)的檢測點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)來看，降塵效率超過了60%，而呼塵的降塵效率更是突破72%，極大改善了原本惡劣的施工環(huán)境，職工人員身體安全提到保障，于此同時(shí)，企業(yè)也可以減少由于職業(yè)病造成的賠償支出。由于高效的降塵能力，大大降低了粉塵爆炸事件發(fā)生的概率。