煤礦工作面通風與防塵的技術研究

弓 超，樊勝杰

(潞安化工集團 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046100)

1 采煤工作面粉塵危害程度評價

1.1 粉塵危害評價標準

采煤過程會產(chǎn)生大量煤塵和巖塵，對于煤礦井下作業(yè)場所和人行道空氣中的粉塵含量，《煤礦安全規(guī)程》作出了明確規(guī)定，具體濃度標準見表1。

表1 煤礦井下粉塵種類及濃度標準

粉塵中游離二氧化硅含量不同，其工作場所空氣中粉塵容許濃度標準也不盡相同，具體規(guī)定見表2。

表2 工作場所空氣中粉塵容許濃度標準

粉塵中的游離二氧化硅含量，生產(chǎn)性粉塵濃度超標倍數(shù)以及作業(yè)現(xiàn)場工人接塵時間肺總通氣量可以在很大程度上表征粉塵危害程度，本文通過綜合分析以上3項指標，并結(jié)合生產(chǎn)性粉塵作業(yè)危害程度分級標準(GB 5817-86)，對采煤工作面的粉塵危害程度進行分級，共分為5個等級，分別是：0級、I級危害、II級危害、III級危害、Ⅳ級危害。

1.2 粉塵危害評價結(jié)果

經(jīng)實地監(jiān)測，該煤礦回采工作面的粉塵濃度為673～964 mg/m3，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》、《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》以及《生產(chǎn)性粉塵作業(yè)危害程度分級》相關規(guī)定，該煤礦粉塵濃度遠遠超出規(guī)定允許濃度，嚴重影響煤礦安全生產(chǎn)和作業(yè)人員身體健康，經(jīng)綜合評價認為該煤礦粉塵危害程度為最高級的IV級危害，必須采取有效的措施防治粉塵。

2 余吾煤業(yè)通風防塵案例分析

2.1 余吾煤業(yè)N1105工作面通風系統(tǒng)

2.1.1 工作面通風系統(tǒng)

N1105工作面通風系統(tǒng)設計為“U型兩進一回”通風系統(tǒng)，N1105膠帶巷進風(5號貫以外布置有N1103膠帶巷輔助進風)，N1105回風巷回風，布置有N1105高抽巷，用以對回采過程中采空區(qū)及圍巖裂隙涌出的瓦斯進行抽采，從而降低工作面風排瓦斯壓力，如圖1所示。

圖1 N1105工作面通風系統(tǒng)示意

2.1.2 瓦斯涌出量預測

N1105工作面煤層原始瓦斯含量為8.5 m3/t， N1105工作面試采前實測最大殘余可解析含量為4.809 2 m3/t。

N1105工作面煤層最大可解析瓦斯含量為4.809 2 m3/t，利用AQ1018-2006分源預測法對工作面的最大瓦斯涌出量進行預測。N1105工作面絕對瓦斯涌出量為33.54 m3/min。N1105工作面回采期間采用高抽巷、裂隙帶鉆場、平行孔及采空區(qū)埋管措施進行瓦斯抽采。根據(jù)N1105工作面抽采情況及相鄰工作面低負壓抽采系統(tǒng)抽采能力，預計N1105工作面低負壓抽采能力(順層鉆孔除外)為20 m3/min，則N1105工作面最大風排量為13.54 m3/min。

2.2 礦井粉塵監(jiān)測及個體防護

1) 總粉塵的粉塵濃度監(jiān)測，分為井下監(jiān)測、地面監(jiān)測和粉塵散度監(jiān)測，檢測時間頻率分別為每月2次、每月1次、每6個月1次。

2) 個體呼吸性粉塵監(jiān)測，分為綜采工作面監(jiān)測和其他場所監(jiān)測，時間頻率分別是每3個月1次、每6個月1次。

3) 粉塵中游離SiO2含量監(jiān)測，需要提取接塵作業(yè)場所測定樣品，樣品有效數(shù)量不低于3個，時間頻率為每6個月1次，工作面變更時進行1次測定。

4) 監(jiān)督作業(yè)人員佩戴過濾式防塵口罩，口罩數(shù)量與自救器數(shù)量一致。

3 采煤工作面粉塵防治技術

3.1 井下灑水防塵措施

煤礦井下灑水、消防系統(tǒng)采用合流制，是將井下排水進行處理至水質(zhì)符合標準后使用，由地面消防水池供給地面靜壓清水池(V=2×300 m3)，設置加壓泵房1座：V=9 m×6 m×3.3 m，消防泵2臺：型號：XBD6/15-80×3 (1備1用) ,Q=54 m3/h，H=60 m 。管道引入方式為副井引入，由于消火栓的靜壓和出口壓力最大不超過1.0 MPa和 0.5 MPa，同時考慮到靜壓水池與井有200～400 m的高差，因此在水流送至各灑水點之前，需要在井底利用減壓閥減壓。

井下消火栓及消防支管出口壓力一般0.4 MPa，井下其他各用水設施出口壓力大于1.0 MPa的采用動壓給水。

井下降塵灑水696.09 m3/d，井下消防用水162.00 m3/d，井下自動噴水滅火用水57.6 m3/d。

3.2 煤層注水防塵措施

相比其他防塵措施，從根本上減少采煤過程中粉塵產(chǎn)生量的措施是煤塵注水，其除塵率可達60%～80%，較理想的情況下，煤塵注水措施可以將總粉塵濃度減少75%～85%，呼吸性粉塵濃度減少65%以上。煤層注水的方法是通過鉆孔的方式，將水從鉆孔內(nèi)注入到煤層中，將每層浸濕，使得煤體中的水分增加，進而減少粉塵的產(chǎn)生。

3.3 綜合通風防塵管理措施

防塵工作的根本目的是從根本上減少粉塵產(chǎn)生量，盡可能減少工作面的浮沉量；對于已經(jīng)產(chǎn)生的浮沉，需要采取適當?shù)姆椒ㄊ蛊涑两?，避免粉塵進入風流，隨著風流飛揚，對作業(yè)人員工作效率和身體健康產(chǎn)生不利影響。對于降塵之后剩余的粉塵，需要從井下排出地面，主要方式是足量的風流進行稀釋，需要合理控制風速，避免因風速過大，導致粉塵重新飛揚。

在對粉塵進行管控時，首先要分析粉塵來源，采掘工作面是礦井粉塵最主要的來源場所，產(chǎn)塵之后，粉塵飛揚受到風流速度的影響，除此之外，煤巖石的裝卸和轉(zhuǎn)載運輸同樣會對粉塵飛揚產(chǎn)生影響。在粉塵防控措施設計中，需要綜合考慮各個作業(yè)場所和工作面，其中包括采掘工作面、煤巖裝卸點、運輸巷、膠帶斜巷、工作面運輸巷等主要產(chǎn)塵和聚塵場所。

1) 安裝靜壓水管，在膠帶、回風巷鋪設靜壓水管。

2) 采煤機安裝內(nèi)、外噴霧裝置。為減少割煤過程中擾動煤體產(chǎn)生大量粉塵，需要采取割煤機安裝噴霧的方式，減少煤塵產(chǎn)生，噴霧流量根據(jù)實際情況選擇，內(nèi)噴霧和外噴霧工作壓力2 MPa和4 MPa，噴霧裝置故障或無水時需停止采煤作業(yè)。

3) 定時檢查維修防塵設施。檢修班防塵段需要確保防塵設施的正常使用，需要每天對各防塵設施進行檢查維修。

4) 安裝自動噴霧系統(tǒng)，安裝位置在支架小梁下和后連桿機構(gòu)下安裝架間、放煤自動噴霧系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在降架和放煤的過程中，噴霧同步打開，達到及時降塵的目的，維護人員為支架及檢修工和放煤工。

5) 安裝噴霧設置，設施安裝位置為各轉(zhuǎn)載點，為保證霧化效果，達到降塵目的，要求噴嘴固定牢固且與落煤點的距離不大于0.5 m，負責維護的人員為各轉(zhuǎn)載點司機及檢修工。

6) 破碎機兩側(cè)封閉，出煤口安裝灑水裝置，裝置噴頭數(shù)量為3個。

7) 每班設專職防塵員，并嚴格執(zhí)行“五位一體”開工制度。對工作面膠帶、回風巷進行沖洗，沖洗距離為距工作面100 m范圍內(nèi)，沖洗頻率為每班一次，對距離工作面100 m外也要進行定期沖洗，沖洗頻率為每天至少一次。除此之外，生產(chǎn)班也需要安排人員進行防塵灑水，主要方式是跟隨采煤機作業(yè)，灑水范圍是整個工作面以及支架處，并向通風調(diào)度匯報防塵情況。

8) 做好個體防護，佩帶防塵口罩。

9) 進風流設置兩道凈化水幕，位于膠順工具房往里50 m范圍及膠順轉(zhuǎn)載機機頭往里至大溜機頭處?；仫L巷距工作面50 m范圍內(nèi)安裝兩道捕塵網(wǎng)及配套風流凈化水幕，出水方向與風向一致，呈順風向下趨勢，各個噴頭間的距離為500 mm，與水平面夾角控制在30～45°范圍內(nèi)，通過凈化水幕噴射對捕塵網(wǎng)進行沖洗，巷道整個斷面需要被捕塵網(wǎng)覆蓋，為達到更好的防塵效果，安裝聯(lián)動水幕，在作業(yè)進行過程中，捕塵網(wǎng)須打開水幕，且水幕捕塵網(wǎng)能夠隨時移動，及時滿足工作面降塵需求。

10) 在工作面回風巷與回風大巷交叉口安裝凈化水幕，數(shù)量為一組，具體位置為交叉口下風側(cè)10 m范圍內(nèi)，噴頭間距為500 mm，且出水方向與水平面夾角控制在30～45°范圍內(nèi)。

11) 在膠帶巷安裝三道凈化水幕，出水方向與風向一致，呈順風向下趨勢，三道水幕具體位置分別是：內(nèi)部距離工作面200 m的位置；距膠順輔運巷口100 m的位置；上述兩道凈化水幕的中間，水幕設置可移動，在實際作業(yè)過程中，根據(jù)回采作業(yè)移動到需要位置。

4 綜采工作面粉塵防治技術現(xiàn)場效果進行驗證及總結(jié)

1) 煤炭生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵通常附著在井壁和土壤上，大量粉塵懸浮在礦井通道中。煤礦生產(chǎn)人員若長期處于高濃度粉塵環(huán)境中，會對呼吸系統(tǒng)造成嚴重損害，并威脅健康。因此，通風除塵、井下灑水防塵和佩戴防塵口罩，尤為重要。

2) 煤層注水技術始于二戰(zhàn)期間的蘇聯(lián)。我國經(jīng)過幾十年的探索研究，最終闡明了煤層注水降塵的潤濕機理，為煤層注水降塵提供了理論依據(jù)。本次采用混合式煤層注水方式 ，實踐證明對于預防煤礦粉塵和煤與瓦斯爆炸有著十分明顯的效果。

3) 采煤和采煤機割煤作業(yè)，容易給綜采采煤工作面帶來大量粉塵，數(shù)據(jù)顯示，約有60%的粉塵都是在采煤時產(chǎn)生的。余吾煤業(yè)通過給采煤機安裝內(nèi)、外噴霧裝置，實際降塵效果顯著。實踐證明，這種形式的噴霧降塵不僅可以防止灰塵逐漸擴散到人行道上，而且有效降低了綜采采煤工作面的粉塵濃度。

4) 做好煤炭運輸過程中的噴霧降塵工作，可以減少采煤過程中的粉塵量。特別是運輸巷降塵時，由于膠帶具有一定的平均輸送速度，兩條膠帶之間的高度存在一定差異，因此，細粉塵會在空氣阻力和氣流的影響下懸浮，并隨氣流擴散，造成粉塵污染。通過對礦井粉塵污染程度的現(xiàn)場測試，可以得出原運輸巷周圍的粉塵濃度為453 mg/m3(國家標準為225 mg/m3)。采用噴霧降塵措施和加壓水噴霧降塵后，運輸巷周圍的粉塵濃度調(diào)整為213 mg/m3，降塵效果顯著。

5) 工作面采煤時，手動打開水幕捕塵網(wǎng)，并使水幕的位置隨著采煤工作的移動而有規(guī)律地移動；工作面卸煤時，打開凈化水幕，并在防塵網(wǎng)簾上灑水，以捕集煤塵。經(jīng)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，不使用捕塵網(wǎng)時，采煤工作面煤塵濃度為15 mg/m3。安裝凈化水幕后，粉塵濃度平均降至6 mg/m3，平均降塵率達到60%.

綜合數(shù)據(jù)顯示，余吾煤業(yè)在采煤工作面、煤巖裝卸點、運輸通道、膠帶斜巷、工作面輸送槽等主要產(chǎn)塵、集塵場所，采取了一系列綜合防塵通風管理措施，在預防井下煤塵事故、改善井下工業(yè)衛(wèi)生條件、降低員工職業(yè)病風險等方面取得了顯著成效。