圣天寶地清城礦厚煤層綜放工作面降塵技術應用

付向東

(山西圣天寶地清城煤礦有限公司，山西 陽泉 045000)

粉塵是主要的空氣污染物之一，長期吸入大量粉塵，尤其是呼吸性粉塵、PM2.5等細微粒徑的粉塵顆粒極容易在支氣管、肺泡等呼吸系統(tǒng)內部沉積，粉塵顆粒進入下呼吸系統(tǒng)后就很難排出，可能會造成肺部的纖維化，最終引發(fā)塵肺病——我國第一大職業(yè)病。據(jù)統(tǒng)計，目前我國塵肺病患者累計約80萬人，每年新增約1.5萬人，高濃度煤塵還容易造成粉塵爆炸，其威力遠高于瓦斯爆炸。煤礦采煤面是礦井最大的產(chǎn)塵源之一。近年來隨著煤炭需求量增加，厚煤層逐漸被開發(fā)出來，放頂煤和一次采全高等采煤方法，由于煤體破裂高度增加，粉塵危害更加嚴重，因此需要對厚煤層綜采面粉塵防治進行詳細研究。

1 15107采煤面概況

圣天寶地清城煤礦位于山西省陽泉市西北方向，年產(chǎn)量150萬t。15107采煤面位于第15號煤層，煤層平均厚度為7.2 m，平均傾向8°，工作面東部和西部分別是已經(jīng)開采完畢的15105工作面和15109工作面，南部是15號煤的采區(qū)巷道，上部沒有采空區(qū)。工作面走向長度為855 m，傾斜長度為148 m，工作面開采面積為126 540 m2，可采儲量為112萬t。

工作面利用MG200/500-WD型采煤機割煤，前后滾筒分別位于上方和下方，割煤深度為600 mm，在采煤面兩端斜切進刀，進刀區(qū)段長度為40 m，如圖1所示：(a)步驟為采煤機割至工作面溜頭(尾)后，停機調換滾筒上下位置，隨機拉架和推溜暫停，采煤機反向斜切進刀；(b)步驟為采煤機反向斜切進刀后，隨機拉架、推溜和收后溜，停機調換滾筒上下位置，割至工作面溜頭(尾)掃掉三角煤；(c)步驟為割至溜頭(尾)后，停機調換滾筒上下位置；反向至進刀處暫停；(d)步驟為前移溜頭(尾)，并拉架推溜至采煤機后3～5 m處，采煤機正常割煤至溜尾(頭)。

圖1 采煤機斜切進刀方式

2 15107綜放面產(chǎn)塵特性分析

煤塵的產(chǎn)生其實是大尺寸煤體破碎變成多個小尺寸煤體碎塊的過程。對于15107采煤面，其平均采高為2.5 m，煤層平均厚度為7.2 m，此外還有4.7 m厚度的煤層通過放頂?shù)袈溟_采，因此該工作面產(chǎn)塵位置主要有以下幾點：

1) 采煤機雙滾筒截割產(chǎn)塵。滾筒割煤時，主要依靠滾筒上固定的多個截齒與煤體相互碰撞使其破碎實現(xiàn)割煤效果。煤體因截齒侵入受擠壓、剪切等作用，從整體的大尺寸煤壁破碎成小尺寸碎煤塊，期間產(chǎn)生大量粉塵。截齒侵入煤體時，煤體與齒尖接觸的地方所受壓力最大，形成密實核(即粉化核)，當壓力超過煤體的強度極限后，煤體發(fā)生破碎，密實核積聚的能量在破碎瞬間釋放出來，內部的高密度粉化核被拋向空中形成粉塵。煤體內部原生、次生裂隙中也可能含有大量粉塵，破碎后也會暴露在空氣中隨風流移動。另外，由于該工作面采用放頂煤技術，因此煤體穩(wěn)定性相對較差，易受采動影響，因此采煤機割煤時很容易出現(xiàn)距滾筒較遠處煤壁大面積跨落的現(xiàn)象，煤體掉落至底板后碰撞沖擊產(chǎn)生大量揚塵。

2) 放頂落煤產(chǎn)塵。煤體在支架后方掉落時相互碰撞，產(chǎn)生大量粉塵。由于該空間內空氣流速較低，產(chǎn)生的粉塵通常沉積在煤體表面，當放煤口打開后，大量碎煤體涌入隨膠帶機向巷道中運移，此時受工作面風流影響，膠帶機上煤流中的沉積粉塵將被揚起，污染巷道內的空氣。

3) 移架產(chǎn)塵。該工作面放頂煤開采過程中，采煤機割煤厚度占煤層平均厚度的34.74%，其余煤體受重力自然下落，因此受采動影響，頂部未被截割的煤體堅硬程度和整體性很差，極易破碎。液壓支架的作用則是用高壓力向上支撐頂部破碎的煤體，在此過程中，頂部煤體受強烈擠壓作用破碎產(chǎn)生粉塵。當采煤機向前割煤時，支架需要跟隨移動，此時支架與頂部煤體之間滑動摩擦，移動到位后再次向上擠壓支撐。可以看出，支架移動過程中將伴隨大量煤體碎塊破碎產(chǎn)塵，相鄰兩臺支架間出現(xiàn)縫隙，粉塵會從縫隙中掉落，隨人行道氣流向回風側運移污染整條巷道。

4) 轉載點產(chǎn)塵。轉載點處為具有高度差的兩段膠帶機，碎煤體從上膠帶向下膠帶轉運時，大量煤流在掉落點相互碰撞，極易造成破碎產(chǎn)塵以及沉積粉塵二次飛揚。

3 綜合降塵技術應用效果測定

3.1 降塵技術應用

根據(jù)前文對產(chǎn)塵特性的分析可以看出，圣天寶地清城礦15107采煤面主要粉塵點為采煤機滾筒割煤產(chǎn)塵、支架移架落塵、膠帶轉載點揚塵等，因此需要對這些產(chǎn)塵點分別采取有效的降塵措施。

針對采煤機雙滾筒割煤產(chǎn)塵采用負壓二次大流量噴霧降塵技術，既能夠噴射大流量水霧潤濕粉塵，又能夠吸入含塵氣流，使其再次潤濕沉降，如圖2所示。從正面視角來看，負壓二次噴霧裝置噴射角度隨滾筒一同移動，保證噴霧能夠全覆蓋割煤產(chǎn)塵區(qū)域。噴霧壓力為5 MPa，使霧滴能夠噴射至較遠位置潤濕遠端煤體，防止遠端煤壁跨落時產(chǎn)生粉塵。從俯視視角來看，噴射裝置安裝在搖臂旋轉電機上，這樣既能夠保證噴射角度與滾筒保持一致，又能有效避免掉落的煤體碎塊砸到噴射裝置。

由于支架移架過程中有大量粉塵從頂部縫隙中掉落，因此在支架頂部安裝向兩側噴射水霧的負壓二次噴霧降塵裝置，吸塵口位于噴霧中部，其中位于支架前側的噴霧朝中部和下部噴射，位于后側的噴霧朝支架下方噴射，如圖3所示。

圖2 采煤機負壓二次大流量噴霧降塵裝置示意

圖3 液壓支架架間負壓二次噴霧降塵裝置示意

為了治理膠帶機運輸過程中產(chǎn)生的二次揚塵，在工作面兩端安設針對采煤空間的全斷面捕塵水幕簾，捕塵網(wǎng)固定在支架側方，能夠隨支架一同移動。同時在距離回風巷與工作面交界處2 m的位置布置全斷面捕塵水幕簾，如圖4所示。

圖4 全斷面水幕簾示意

3.2 降塵效果分析

我國對煤礦井下粉塵治理工作十分重視，出臺了一系列相關標準規(guī)定。根據(jù)《煤礦井下粉塵綜合防治技術規(guī)范》等標準中對測塵點的規(guī)定，在采煤機下風向10 m處、回風巷水幕簾后方3 m處設置測塵點，同時測量該地點的總粉塵和呼吸性粉塵濃度，測定儀器采用CCZ-1000型直讀式測塵儀。測塵結果如表1所示。除塵率按照公式(1)計算。

(1)

式中：μ為除塵率，%；c1為沒有降塵措施時的粉塵濃度，mg/m3；c2為采用綜合降塵措施后的粉塵濃度，mg/m3。

表1 各測塵點粉塵濃度

根據(jù)表1中的測塵數(shù)據(jù)可以看出，采用了綜合降塵措施以后，采煤機下風側10 m處的全塵平均濃度從1 157.6 mg/m3降低至164.7 mg/m3，呼吸性粉塵平均濃度從411.9 mg/m3降低至65.7 mg/m3，降幅分別為85.8%和84%(即除塵率)?；仫L巷水幕簾后方3 m處全塵濃度從380.8 mg/m3降低至35.9 mg/m3，呼吸性粉塵濃度從194.5 mg/m3降低至20.9 mg/m3，除塵率分別為90.6%和89.3%.粉塵治理效果較好。

4 結 語

1) 綜放工作面粉塵主要產(chǎn)自采煤機滾筒割煤、支架移架、放頂煤破碎、膠帶輸送煤流、轉載點轉運等5處，需要綜合治理才能實現(xiàn)較好的降塵效果。

2) 利用以負壓二次降塵為基礎的降塵技術以后，采煤機下風側10 m處的全塵和呼塵平均降塵率分別為85.8%和84%，回風巷水幕簾后方3 m處全塵和呼吸性平均除塵率分別為90.6%和89.3%.