大采高綜采面一體化降塵技術(shù)研究

張 琪

(霍州煤電集團有限責任公司 三交河煤礦， 山西 臨汾 041600)

煤礦粉塵是煤礦在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各類固體細微顆粒的總稱。粉塵是煤礦五大災害之一，對井下工人身體健康造成危害，同時也給煤礦安全生產(chǎn)帶來威脅[1]. 采煤工作面是煤礦井下產(chǎn)塵量最大的工作場所，其粉塵產(chǎn)生量占礦井總粉塵產(chǎn)生量的45%～80%，在沒有采取有效措施的情況下，采煤工作面的粉塵濃度可達5 000～10 000 mg/m3[2-3]. 國內(nèi)外學者針對綜采面粉塵治理問題進行了深入研究，常見的粉塵防治方法有噴霧降塵、除塵器除塵、通風排塵、抑塵劑抑塵等[4-5]. 同時，磁化水、云霧降塵、泡沫抑塵等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)[6]. 大采高綜采面具有作業(yè)空間大、生產(chǎn)強度高的特點，常規(guī)單一降塵技術(shù)難以有效控制采煤機和移架產(chǎn)生的高濃度粉塵。

三交河煤礦2-502工作面煤層厚度4.5 m，工作面風速2 m/s，采用綜合機械化一次采全高采煤方法，采煤機割煤過程中產(chǎn)生較大的粉塵。同時，工作面片幫嚴重，片幫瞬間粉塵產(chǎn)生量2 000～5 000 mg/m3. 采用現(xiàn)有的防塵手段已不能完全控制工作面的粉塵污染，其降塵效率通常能達到40%左右，工作面仍有1 000 mg/m3以上的粉塵，嚴重影響著礦井的安全生產(chǎn)。為了應對這一情況，提出大采高綜采面一體化降塵技術(shù)，解決大采高綜采面降塵難題。

1 大采高綜采面塵源濃度特性分析

為了解大采高綜采面粉塵產(chǎn)生的特點，弄清大采高綜采面粉塵治理的重點區(qū)域和環(huán)節(jié)，在割煤期間和多工序同時作業(yè)期間，采用粉塵采樣儀現(xiàn)場采樣，濾膜稱重法測定粉塵濃度。三交河煤礦2-502大采高綜采面塵源濃度測定結(jié)果見表1.

表1 三交河煤礦2-502大采高綜采面塵源濃度測定結(jié)果表

采煤機割煤期間和多工序同時作業(yè)期間工作面和回風巷全塵和呼吸性粉塵濃度變化趨勢見圖1. 從圖1可以看出，粉塵濃度可以分為高中低3個等級。采煤機割煤期間和多工序同時作業(yè)期間，機組司機處全塵濃度最高，為700 mg/m3左右，位于粉塵濃度的第一等級;機組回風流全塵濃度次之，為380 mg/m3左右，位于粉塵濃度的第二等級；各種條件下呼吸性粉塵濃度最低，為200 mg/m3左右，位于粉塵濃度的第三等級。由此可知，機組司機處是大采高綜采面粉塵治理的重點區(qū)域。

圖1 粉塵濃度變化趨勢圖

相較全塵濃度，同屬于第三等級的呼吸性粉塵雖然濃度較低，但卻是造成塵肺病的主要原因。同時，機組司機處呼吸性粉塵和回風流呼吸性粉塵濃度無明顯降低，現(xiàn)有措施下呼吸性粉塵無明顯沉降。因此，應采取有效措施提高呼吸性粉塵的降塵效果。

呼吸性粉塵濃度比例見圖2. 由圖2可以看出，機組司機處的呼吸性粉塵比例較低，大顆粒粉塵隨著粉塵運移優(yōu)先沉降，回風流呼吸性粉塵比例上升。

圖2 呼吸性粉塵濃度比例圖

2 塵源點高效噴霧降塵技術(shù)

2.1 液壓支架塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)

1) 系統(tǒng)組成。

液壓支架塵源追蹤噴霧降塵技術(shù)是通過在采煤機滾筒塵源處形成從支架上方自上而下的始終覆蓋滾筒范圍的噴霧水幕,降低采煤機割煤時的粉塵濃度，能夠改善采煤作業(yè)點的勞動衛(wèi)生條件。液壓支架塵源跟蹤立體噴霧系統(tǒng)主要由高壓水源、高壓水質(zhì)過濾器、主控制箱、紅外發(fā)射器、紅外接收器、通訊電纜、高壓水管路等組成，其布置見圖3.

圖3 液壓支架塵源追蹤噴霧降塵布置示意圖

2) 系統(tǒng)工作原理。

當接收器檢測到安裝在采煤機機身上的發(fā)射器發(fā)射的紅外光信號后，控制箱將相應的位置信息上傳給主控制箱，再由主控制箱將位置信息下傳給所有聯(lián)機的控制箱，按主控制箱設(shè)定的程序和參數(shù)，由這些控制箱判斷是否打開其所帶的電磁閥，如需打開，則打開電磁閥并執(zhí)行噴霧延時。在噴霧延時時間內(nèi)，若發(fā)射器順序移動到下一位置并被下一位置的接收器檢測到，則執(zhí)行新位置接收器的功能，原位置點接收器的功能隨即終止。

2.2 采煤機高壓噴霧引射降塵技術(shù)

1) 系統(tǒng)組成。

采煤機高壓噴霧引射降塵器做為煤礦采煤機外噴霧降塵研制開發(fā)的新型降塵器,主要由保護箱、引射裝置、管路系統(tǒng)及高壓噴嘴等組成，見圖4.

圖4 采煤機高壓噴霧引射降塵系統(tǒng)示意圖

降塵器安裝在采煤機前、后搖臂附近，以不影響采煤機的正常操作、工作，能有效防止采煤機落煤、落矸破壞，并能有效降塵為前提，用4個M24螺栓將降塵器固定牢靠；高壓膠管安裝在工作面電纜夾內(nèi)直至采煤機。

2) 系統(tǒng)工作原理。

高壓水經(jīng)過降塵器高壓噴嘴時形成的高速水霧流引射工作面的含塵氣流，含塵氣流在引射裝置內(nèi)被凈化處理；同時噴霧射流在采煤機截割滾筒周圍形成均勻的噴霧水幕，阻止粉塵向外擴散并消除盡可能多的粉塵。

3 含塵氣流負壓誘導自動降塵技術(shù)

3.1 回風巷粉塵超限自動降塵技術(shù)

1) 系統(tǒng)組成。

系統(tǒng)主要由粉塵濃度傳感器、光控傳感器、電磁閥、噴霧架、精密水質(zhì)過濾器、主控制箱等組成，見圖5. 一旦被檢測場所的粉塵濃度超過設(shè)定限值，該系統(tǒng)能夠自動打開噴霧系統(tǒng)進行降塵，一旦粉塵濃度降低到設(shè)定限值以下時，則停止噴霧。在系統(tǒng)噴霧過程中遇人員通過噴霧點時能自動關(guān)閉噴霧并延時。

圖5 回風巷粉塵超限自動降塵圖

2) 系統(tǒng)工作原理。

采用粉塵傳感器實現(xiàn)粉塵連續(xù)、實時、在線監(jiān)測，按礦井粉塵管理標準設(shè)置回風流粉塵超限濃度，當回風流中粉塵濃度達到超限濃度值時，粉塵濃度傳感器的頻率信號被自動灑水裝置的控制箱感應，然后由控制箱給自動灑水裝置的電磁閥發(fā)出打開動作命令，從而自動打開噴霧降塵裝置；當噴霧降塵將風流中的粉塵濃度降低到符合礦井粉塵管理標準時，主控箱再給電磁閥發(fā)出關(guān)閉動作命令，實現(xiàn)停止噴霧的功能。

3.2 高性能霧化噴嘴及負壓誘導式噴霧技術(shù)

傳統(tǒng)的噴霧降塵方式，由于沒有對噴嘴機理進行系統(tǒng)研究，噴嘴霧化效果差，降塵效果不理想，且沒有很好地考慮煤礦用水中雜質(zhì)較多的特點，致使噴嘴的壽命較短、可靠性差，噴霧降塵的效能未能充分發(fā)揮。因此，優(yōu)化大采高回采工作面副巷凈化水幕、皮帶機頭噴霧等地的噴嘴結(jié)構(gòu)，確定出適合不同位置的高性能霧化噴嘴及合理的噴霧壓力等參數(shù)，以提高工作面的噴霧降塵效率。同時，在回采工作面進回風順槽的水幕安設(shè)負壓誘導式降塵噴霧。

4 大采高綜采面一體化降塵技術(shù)效果分析

三交河煤礦引進液壓支架塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)、采煤機高壓噴霧引射降塵技術(shù)、回風巷粉塵超限自動降塵技術(shù)、高性能霧化噴嘴及負壓誘導式噴霧技術(shù)，并針對現(xiàn)場粉塵特性進行技術(shù)優(yōu)化，形成了集塵源點高效噴霧降塵和含塵氣流負壓誘導自動降塵為一體的大采高綜采面一體化降塵技術(shù)。為檢驗應用效果，對大采高綜采面一體化降塵技術(shù)應用前后粉塵濃度進行了現(xiàn)場測定，數(shù)據(jù)見表2,降塵效率見圖6.

表2 一體化防塵技術(shù)應用前后粉塵濃度表

圖6 降塵效率圖

由表2和圖6可以看出，大采高綜采面一體化降塵技術(shù)的應用明顯降低了機組司機處和回風流中全塵和呼吸性粉塵的濃度，機組司機處全塵降塵效率最高，可達到85%.全部測試降塵效率均在75%以上。經(jīng)考察，大采高綜采面一體化降塵技術(shù)能夠明顯降低工作面和回風流全塵和呼吸性粉塵濃度，降塵效率高，降塵效果好。

5 結(jié) 論

針對大采高綜采工作面粉塵治理難題，提出大采高綜采面一體化降塵技術(shù)，并在三交河煤礦2-502工作面進行應用，得到如下結(jié)論：

1) 通過大采高綜采面塵源濃度特性分析，確定機組司機處是大采高綜采面粉塵治理的重點區(qū)域。大顆粒粉塵隨著粉塵運移優(yōu)先沉降，呼吸性粉塵隨運移占比逐漸升高，不易沉降，呼吸性粉塵是粉塵治理的重點。

2) 引進先進,優(yōu)化現(xiàn)有降塵技術(shù)，綜合利用液壓支架塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)、采煤機高壓噴霧引射降塵技術(shù)、回風巷粉塵超限自動降塵技術(shù)、高性能霧化噴嘴及負壓誘導式噴霧技術(shù)，形成了集塵源點高效噴霧降塵和含塵氣流負壓誘導自動降塵為一體的大采高綜采面一體化降塵技術(shù)。

3) 大采高綜采面一體化降塵技術(shù)在三交河煤礦2-502工作面的現(xiàn)場應用表明,該技術(shù)能夠明顯降低工作面全塵和呼吸性粉塵濃度，降塵效率最高達到85%，全部測試降塵效率均在75%以上，降塵效率高，降塵效果好。