礦用泡沫抑塵系統(tǒng)在綜掘機(jī)上的應(yīng)用

康克甫

貴州能渝煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，中國(guó)·貴州 金沙 551800

1 引言

11402 機(jī)巷掘進(jìn)工作面布置在K14煤層，K14煤層直接頂為厚度0.5～5m 灰色中厚層狀粉砂巖，含碳化植物化石。老頂為厚度4m 的深灰色薄層狀泥巖，夾0.2m 左右細(xì)砂巖。直接底為厚度0.5m 的深灰色粘土質(zhì)泥巖，含植物化石碎片。老底為厚度3.2m 的灰色薄至中厚層狀細(xì)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，水平層理。煤層厚度為1.7～2.1m，平均1.9m，煤層傾角一般在33～35°。巷道掘進(jìn)采用三一重工EBZ200H 型掘進(jìn)機(jī)，矸石運(yùn)輸方式采用綜掘機(jī)二運(yùn)加礦車轉(zhuǎn)運(yùn)，機(jī)車運(yùn)輸?shù)姆绞?。防塵措施主要采取綜掘機(jī)內(nèi)外噴霧降塵，外噴霧降塵，巷道全斷面噴霧降塵等措施，掘進(jìn)工作面工作人員和后方運(yùn)輸人員必須佩戴3M 防塵口。在實(shí)際使用過(guò)程中，綜掘機(jī)內(nèi)外噴霧效果不好，掘進(jìn)巷道內(nèi)產(chǎn)生大量含煤粉塵。

2 掘進(jìn)機(jī)截割產(chǎn)塵機(jī)理分析

掘進(jìn)機(jī)截割煤巖時(shí)尖銳的刀齒會(huì)與煤巖接觸部分產(chǎn)生很高的接觸應(yīng)力，接觸應(yīng)力隨截割力增大而增大，突破極限值時(shí)，就會(huì)在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生破碎。破碎發(fā)生區(qū)域較小，破碎煤巖粒徑也比較小，因此破碎體不會(huì)排除至截齒外，只有隨著刀體的進(jìn)一步前進(jìn)，才會(huì)再次破碎，直至形成壓固核或密實(shí)核，刀齒的能量會(huì)利用密實(shí)核傳給其周圍煤巖。粉塵的產(chǎn)生是由于密實(shí)核積聚的能量釋放，解除了其約束狀態(tài)造成的。在未破碎的煤巖與密實(shí)核之間區(qū)域是許多微裂紋集合體，這些集合體會(huì)隨著截齒截割力的增大而逐漸失穩(wěn)，當(dāng)截割力達(dá)到一定界限時(shí)，裂紋徹底失穩(wěn)形成自由面而放出能量造成粉塵飛揚(yáng)。

掘進(jìn)機(jī)截齒類型有兩種，分別為鎬型齒和刀型齒，下面介紹鹽井一礦使用鎬型截齒破煤過(guò)程中的產(chǎn)塵機(jī)理。

如圖1所示，鎬型截齒破煤時(shí)截齒以速度Vj破入煤體，在截齒破入受力體瞬間時(shí)，鎬型截齒表面對(duì)煤巖體的壓力超過(guò)其抗壓強(qiáng)度，煤巖體破碎，破碎面為圓錐面。施力加大截齒繼續(xù)破入，鎬刃周圍煤巖破碎為粉末，形成密實(shí)核并不斷擴(kuò)大，其對(duì)周圍煤巖張力也不斷增大。如果煤巖體張力合力2R 大于BC 與AD 處拉應(yīng)力合力時(shí)，則會(huì)在距離BC 與AD近距離處形成自由面，煤巖以1、2、3 的順序崩落，結(jié)束了密實(shí)核的約束狀態(tài)，其本身積聚的能量得到釋放[1]。

圖1 鎬型截齒破煤產(chǎn)塵機(jī)理

3 井下粉塵的危害

①含有大量煤塵的粉塵遇到電氣設(shè)備失爆產(chǎn)生電氣火花、火星、弧光等容易產(chǎn)生粉塵爆炸，造成礦井災(zāi)難事故。

②粉塵對(duì)工作人員身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害，長(zhǎng)期在掘進(jìn)工作面工作人員塵肺病發(fā)病率高。

③掘進(jìn)工作面及后方巷道內(nèi)能見(jiàn)度低，容易發(fā)生安全事故。

④大量的粉塵污染環(huán)境。

4 泡沫抑塵系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布置

需要現(xiàn)場(chǎng)裝配的部件有：發(fā)泡一體化裝置、噴頭支架、噴頭和堵頭。需要現(xiàn)場(chǎng)加工的部件有：泡沫分配器和噴頭支架的安裝機(jī)構(gòu)。其中噴頭支架的安裝機(jī)構(gòu)是用來(lái)固定噴頭支架的，其上設(shè)置供噴頭滑動(dòng)的螺栓槽，便于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)噴頭角度和覆蓋范圍[2]。

泡沫降塵系統(tǒng)在11402 巷掘進(jìn)工作面的布置情況如圖2所示。降塵所用水流為原降塵用水的一部分，氣源為壓風(fēng)的一部分。風(fēng)水一體閥門的兩個(gè)接口分別與水管和風(fēng)管連接，發(fā)泡劑添加裝置和發(fā)泡劑箱底部相連，依靠水管中水流的動(dòng)力把發(fā)泡劑添加至水管中，風(fēng)水一體閥門出口端的壓風(fēng)管接到發(fā)泡器上，連接管路都用直徑為19mm 的高壓膠管、發(fā)泡器、發(fā)泡劑添加裝置和發(fā)泡劑箱連成一體固定在掘進(jìn)機(jī)臺(tái)面上，生成的泡沫采用直徑為38mm 的膠管輸送至泡沫分配器的入口，裝有泡沫噴頭的噴頭支架由直徑為25mm 的膠管和分配器的出口端連接，最后由噴頭噴灑至產(chǎn)塵點(diǎn)，抑制礦塵的擴(kuò)散。泡沫一體化發(fā)生裝置布置在司機(jī)側(cè)。

由于整個(gè)掘進(jìn)工作面的產(chǎn)塵點(diǎn)主要在掘進(jìn)機(jī)的截齒處，所以泡沫噴頭的作用范圍應(yīng)該是切割滾筒的四周。由于泡沫會(huì)因重力作用向下運(yùn)動(dòng)，掘進(jìn)機(jī)截割頭下側(cè)不易布置噴頭，泡沫噴頭的布置重點(diǎn)是掘進(jìn)機(jī)截割頭的上部和兩翼，因此上部和兩翼的噴頭支架上各并排布置兩個(gè)噴頭，總計(jì)六個(gè)噴頭，剩余的噴頭安裝口使用堵頭將其封閉。噴頭的布置情況如圖2所示。噴頭所噴出泡沫的擴(kuò)散形式分別為：上部?jī)蓚€(gè)噴頭呈水平扇形分布噴出，左右兩翼的四個(gè)噴頭呈傾斜扇形噴出，噴頭擴(kuò)散角度均為45°。噴頭布置好以后，把水管和風(fēng)管連接到發(fā)泡器上，最后把發(fā)泡器和泡沫噴頭接通。根據(jù)設(shè)計(jì)的方案和多次井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察和測(cè)算，并增加安裝墊塊，最終將泡沫降塵系統(tǒng)安裝完畢[3]。

圖2 系統(tǒng)的安裝與布置示意圖

5 應(yīng)用效果分析

泡沫降塵系統(tǒng)在11402 巷掘進(jìn)工作面安裝完畢后，進(jìn)行了一系列應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明，泡沫降塵系統(tǒng)降塵優(yōu)勢(shì)明顯，效果顯著。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)在司機(jī)處布置了粉塵濃度測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)得了無(wú)措施時(shí)全塵及呼吸性粉塵濃度、防塵噴霧降塵時(shí)全塵及呼吸性粉塵濃度、泡沫降塵時(shí)全塵及呼吸性粉塵濃度各6 組數(shù)據(jù)，參考通風(fēng)科已有的測(cè)塵數(shù)據(jù)，最終取各種情況下有效數(shù)據(jù)各4 組并進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

表1 降塵效率的比較

11402 機(jī)巷屬于全巖巷掘進(jìn)工作面，通過(guò)對(duì)比分析可知，防塵噴霧降塵時(shí)全塵及呼吸性粉塵濃度可分別達(dá)到941.28mg/m3和402.88mg/m3，降塵效率分別為22.3%和25.4%。而泡沫降塵時(shí)全塵及呼吸性粉塵濃度分別為277.38mg/m3和120.5mg/m3，降塵效率分別為77.1%和77.7%。從所測(cè)得數(shù)據(jù)來(lái)看，泡沫降塵與防塵噴霧降塵相比，對(duì)全塵和呼吸性粉塵的降塵效果明顯，分別是其降塵效率的3.46 倍和3.06 倍。

6 結(jié)語(yǔ)

從以上試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析可知，泡沫除塵技術(shù)的降塵效果優(yōu)于防塵噴霧降塵，可使司機(jī)側(cè)的粉塵有很大的降低，對(duì)司機(jī)工人的身心健康有很大幫助，起到了良好的作用。泡沫降塵技術(shù)的應(yīng)用可有效地降低井下掘進(jìn)工作面的粉塵濃度，降低職工肺塵病發(fā)病率，防止煤塵爆炸，保證井下安全生產(chǎn)。