綜掘工作面綜合降塵系統(tǒng)的研究

周偉光

（山西金地煤焦有限公司赤峪煤礦，山西 呂梁 032100）

現(xiàn)階段綜掘是礦井巷道主要掘進方式，同時也是井下主要產(chǎn)塵點。隨著礦井綜合機械化水平的不斷提升以及采掘速度不斷增加，井下采掘作業(yè)面粉塵濃度均不斷提升，給井下作業(yè)人員身體健康以及作業(yè)環(huán)境等均造成顯著影響?，F(xiàn)階段礦井降塵主要采用通風、噴霧等方式，存在降塵效率低，呼吸性粉塵防治效果不佳等問題，當掘進巷道頂?shù)装鍘r性為遇水膨脹、崩解的軟巖時，噴霧降塵會降低巷道圍巖強度，從而制約巷道圍巖控制。

1 粉塵的危害與特征

粉塵是指生產(chǎn)過程中形成的微小礦石顆粒懸浮于空氣中。在綜掘工作面，粉塵的質(zhì)量濃度可以達到300～1000mg/m3，是國家標準1mg/m3的幾百倍。如此高的粉塵濃度不僅降低了工作面作業(yè)空間的能見度，還危害到工人的身體健康。在煤礦井下作業(yè)時，工人的眼睛由于沒有防護，通常會進入大量的粉塵，這增加了工人患眼部疾病的風險，容易造成眼睛干澀和視線模糊等。雖然工人在鼻部已經(jīng)做了防護，但是仍不可避免地會吸入一定量的粉塵。這些粉塵容易堆積在肺部，隨著堆積量的增加，容易引發(fā)嚴重的職業(yè)病，主要是塵肺病。工人一旦患上塵肺病會出現(xiàn)呼吸困難的癥狀，從而喪失勞動能力。當綜掘機電設備上堆積大量的粉塵時，會導致一些關鍵部件出現(xiàn)腐蝕和磨損的問題，影響設備的使用壽命。當粉塵進入到綜掘機電設備液壓系統(tǒng)內(nèi)部時，容易導致液壓設備管路出現(xiàn)堵塞的情況，造成動力不足，甚至引發(fā)嚴重的機械故障。值得注意的是，設備的粉塵并不容易清理，一些粉塵遇水后容易凝結成堅固的物質(zhì)。綜掘工作面粉塵主要是綜掘過程中產(chǎn)生的細小顆粒，以及少量頂?shù)装迥囗搸r、砂巖等截割產(chǎn)生的細小顆粒。綜掘過程中能被高速氣流吹散的細小顆粒粒徑范圍在7～200μm 之間。綜掘粉塵的產(chǎn)生與粉塵特性關系密切，防塵技術選擇也與礦塵的性質(zhì)密切相關。綜掘過程中在機械力的作用下，一次塵化作用于粉塵的能量不足以使粉塵擴散飛揚，塵粒不可能單獨在綜掘空間內(nèi)傳播，造成局部環(huán)境粉塵污染現(xiàn)象。在綜掘施工過程中，外部風流致使粉塵擴散，主要有：除塵風機吸風流、除塵噴霧流場、供風風筒風流、綜掘搖臂以及滾筒旋轉(zhuǎn)風流，這些風流場對二次揚塵作用越明顯，危害越大[1]。

2 產(chǎn)塵方面

綜掘工作面掘進過程中，支護、鑿巖、機械材料裝卸、爆破以及片幫冒頂?shù)冗^程產(chǎn)生大量粉塵，尤其鑿巖機作業(yè)打炮眼以及爆破時更易產(chǎn)生高濃度粉塵。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，塵肺病患者中大多從事煤礦井下一線生產(chǎn)工作多年，且煤礦巖石綜掘工作面工作人員患病率遠高于其他工作地點，原因在于，綜掘面的粉塵量為煤礦井下粉塵濃度最高的地點。煤礦井下綜掘工作面掘進過程中產(chǎn)塵量大的原因在于：煤壁未受到外界壓力時，各個方向受力不變，而當綜掘機的截割頭與煤壁接觸時，破壞了原有的受力平衡，在截割頭與煤壁的接觸點產(chǎn)生了1 個三向的應力狀態(tài)，受力不平衡，導致煤壁擠壓變形，進而產(chǎn)生破碎；綜掘機截割頭繼續(xù)向前，壓縮接觸點煤塊，產(chǎn)生密實核，密實核應力大于四周煤塊應力，煤塊將會被進一步擠壓粉碎，截割頭后撤時，接觸點應力急劇減小，伴隨有細小的煤塊破碎并下落，此時便有大量的煤塵產(chǎn)生[2]。

3 降塵原理

在實際生產(chǎn)過程中，需要采取合適的降塵措施，這就要明確降塵的機理。粉塵是空氣中的一種固體懸浮物，因此，可以采取2 種方式來進行降塵：

1.使空氣中的粉塵沉積到地面上?？紤]到粉塵的質(zhì)量較小，自然下沉需要的時間較長，通常需要采用其他輔助材料使粉塵下降；

2.加快空氣流動，稀釋空氣中的粉塵，從而實現(xiàn)降塵。

第一種方式的原理是利用重力來進行降塵，第二種方式的原理是利用空氣流動進行降塵。然而，井下空間狹窄，需要采用聯(lián)合方式來降塵[3]。

4 綜掘工作面綜合降塵系統(tǒng)分析

4.1 通風降塵

礦井通風按照通風工作方式可分為壓入式通風、抽出式通風與混合式通風3 種。其中，壓入式通風適用于掘進工作面，主要特點在于通過局部通風機作為礦井通風的動力風筒，利用動力風筒進行導風，我國掘進工作面大都采用這種通風方式。在掘進巷道出風口的進風側(cè)外大約10m 的位置布置局部通風機，局部通風機將新鮮風流通過風筒送至掘進面，同時將掘進工作面產(chǎn)生的含塵氣流排出掘進工作面，采用將風機布置在通風巷道中的方式，通風的安全性得以提高。此外，與抽出式通風相比，壓入式通風風流射流強度高，風流有效射程遠，能夠稀釋和排出更多體積的含塵氣體，通風效率高，工作面粉塵濃度降低速率快。由于采用壓入式通風，風筒出口的風速較大，綜掘工作面掘進過程中產(chǎn)生的粉塵能夠及時排出，安全性增加，這樣可以起到預防瓦斯聚集的作用，降低瓦斯帶來的危害；同時，由于通風風速較大，對于掘進工作面的降溫也能起到一定的促進作用，壓入式通風所采用的風筒為方便安裝、質(zhì)量較輕且成本相對廉價的柔性風筒。壓入式通風方式也有其缺點：當含塵的污風氣流沿著巷道排出時，由于采用壓入式通風，在風筒出口處會形成射流區(qū)，射流區(qū)射流會導致周圍形成渦流區(qū)域，含塵氣流進入渦流區(qū)域內(nèi)，粉塵聚集于渦流區(qū)域，致使該區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度上升，而掘進面的工作人員又大多正好處于該渦流區(qū)域內(nèi)，對其身體健康影響較大；同時，隨著掘進工作面不斷向前開采，排出污風所需時間逐漸增加。煤礦井下多采用串聯(lián)通風系統(tǒng)，當掘進工作面通風與其他工作面相聯(lián)通時，可能會導致掘進工作面的污風擴散到其他工作面，導致粉塵污染更加嚴重[4]。

4.2 控制粉塵外溢

采用附壁風筒將局部供風全部或者絕大部分改為吹至巷道斷面及周壁的徑向風流；在除塵風機吸入風流作用下在巷道迎頭形成充滿整個斷面的并阻礙粉塵向外擴散的氣幕，將截割頭破巖時產(chǎn)生的粉塵控制在空氣幕與迎頭巖壁間，達到降低粉塵外溢目的，降低粉塵對綜掘司機的影響并改善巷道內(nèi)空氣質(zhì)量。附壁風筒是形成徑向新鮮風流氣幕關鍵，傳統(tǒng)的鋼質(zhì)或者鐵質(zhì)附壁風筒具有重量重、移動以及安全不方便等問題。而高分子附壁風筒具有質(zhì)量輕、抗靜電以及阻燃等特點，可大幅降低工作人員勞動強度，故而在巷道迎頭使用。采用高分子材料附壁風筒對風流進行控制，現(xiàn)場使用的附壁風筒長度為1.7m，通過附壁風筒側(cè)向出風口以及內(nèi)部圓形擋板控制風流方向，打開圓形擋板后可將90%風流流向改為徑向，剩余10%從軸向出風口排出；關閉圓形擋板后則風流100%由軸向排出[5]。

4.3 噴霧降塵系統(tǒng)

目前最有效的最廣泛使用的濕式除塵方法，粉塵微粒與水霧顆粒碰撞、攔截產(chǎn)生重力沉降等來捕集粉塵。但掘進機內(nèi)噴霧的噴嘴易發(fā)生堵塞，實現(xiàn)降塵和維護都比較困難，外噴霧水流量大，不僅銹蝕機器，還會導致煤的含水量增大，掘進機噴霧系統(tǒng)還存在電機冷卻水的低壓和噴霧水的高壓之間的矛盾。

目前，綜掘機上都裝有噴霧降塵系統(tǒng)。在掘進過程中，通過不斷地噴霧來進行降塵。噴霧時需要合理地控制水霧顆粒。水霧顆粒過大，可以快速使粉塵下沉，但是難以快速降低粉塵的濃度；水霧顆粒過小，可以使水與粉塵充分結合，但這會導致粉塵下沉的速度過慢，不利于快速降低粉塵的濃度。在綜掘工作面，需要快速降低空氣中的粉塵濃度，這就要求水霧顆粒不能太小?？紤]到很多粉塵與水相溶過慢，通常情況下，在噴霧液中加入添加劑。添加劑的類型則需要根據(jù)粉塵的類型來確定，主要有肥皂水、洗衣粉等，可以通過比較各種添加劑條件下的潤濕角來比較添加劑的效果。需要注意的是，雖然噴霧降塵系統(tǒng)能快速降低掘進工作面空氣粉塵的濃度，但是粉塵的濃度還是高于國家標準的幾十倍。此時，通過增加噴霧的數(shù)量已不能進一步降低空氣中粉塵的濃度，需要采取其他的降塵措施[6]。

4.4 泡沫降塵

我國的泡沫降塵技術研究始于20 世紀80 年代。煤科院上海研究所針對泡沫降塵機理開展了理論研究與實驗分析，但并未廣泛應用于實踐。20 世紀90 年代后期，北京科技大學蔣仲安教授利用泡沫在膠帶轉(zhuǎn)載點及鑿巖區(qū)域進行了降塵實驗，發(fā)現(xiàn)泡沫相對于噴霧的降塵效果有顯著提高，并且對呼吸性粉塵的抑制能力特別突出。

21 世紀，中國礦業(yè)大學王德明教授研究了泡沫降塵理論與工程應用，呼吸性粉塵除塵效率達83.75%。經(jīng)過多年發(fā)展，掘進工作面泡沫降塵系統(tǒng)的核心部件為發(fā)泡劑添加裝置、泡沫發(fā)生裝置、泡沫噴射裝置3個部分。其中發(fā)泡劑添加裝置中壓力損失最大，其次是發(fā)泡器?，F(xiàn)有泡沫噴頭由于存在結構缺陷，泡沫量損失較大，射流形態(tài)難以控制。

4.5 化學除塵

噴霧降塵時普通軟化水受到表面張力較高等因素影響，難以將細微的巖塵有效、快速包裹并沉降，從而導致噴霧降塵效果不佳。根據(jù)13 采區(qū)運輸大巷掘進時粉塵物SiO2含量高、顆粒小以及呼吸性粉塵占比高等特點，提出使用新型化學除塵劑進行降塵，采用的除塵劑主要由陰離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑、非離子表面活性劑以及無機鹽等按照0.25%、0.15%、0.20%、0.10%而成。電動除塵劑添加裝置結構由計量泵、儲液罐、流量計、安全閥、壓力表、Y 型過濾器等構成，存儲在儲液罐內(nèi)的新型化學除塵劑通過Y 型過濾器、流量計以及水表后進入到計量泵內(nèi)，再通過計量泵加壓將新型化學除塵劑注入噴霧降塵用水中；Y 型過濾器主要用于過濾新型化學除塵劑中大顆粒雜質(zhì)，避免噴霧系統(tǒng)堵塞；流量計用以控制新型化學除塵劑添加量。在噴霧降塵用水中添加新型化學除塵劑后，噴霧水表面張力≤30mN/m；沉降0.3g 以內(nèi)粉塵耗時≤10s；10s后接觸角降低0°；相對于普通的軟化水降塵效率提升10%以上[7]。

4.6 高效除塵技術要點

要把握主要風流場在綜掘工作面的變化規(guī)律，優(yōu)化并設計適合綜掘工藝的高效除塵風機吸風口結構，以提高污塵空氣流的凈化效率，并應重視以下方面：

1.減少粉塵的二次風流影響，及時控制產(chǎn)塵。

2.降低入風口風流風壓，提高除塵風機吸風口風壓。

3.除塵風機選定后，可通過除塵風機吸風口結構調(diào)整提升風壓。

4.除塵系統(tǒng)由除塵風機本體、環(huán)形內(nèi)凹結構吸風口、風機尾部的排污風、風水聯(lián)動噴霧降塵系統(tǒng)、配套的掘進巷道分風增壓裝置及綜掘機滾筒側(cè)面煤體潤濕孔等部分組成。系統(tǒng)利用分風、增壓結構及噴霧降塵系統(tǒng)提升污風吸收能力，調(diào)整滾筒出水口位置，利用高壓水、離心力進行截割煤體潤濕[8]。

5 結語

綜掘工作面內(nèi)的粉塵濃度較大，對安全生產(chǎn)和工人的生命健康十分不利，非常有必要采取有效的降塵措施。

一種方式是使空氣中的粉塵沉積到地面上，但考慮到粉塵的重量較小，自然下沉需要的時間較長，通常需要采用其他輔助材料使粉塵下降。

另一種方式是加快空氣流動，將空氣中的粉塵進行稀釋，從而實現(xiàn)降塵。

針對目前煤礦掘進工作面除塵技術存在諸多問題，為進一步改善綜采工作面工人的工作環(huán)境，降低粉塵濃度，針對掘進機駕駛員和轉(zhuǎn)運點的粉塵污染問題，長壓短抽混合通風技術是一種新的技術創(chuàng)新研究與探索思路。