潞寧礦22116綜采工作面綜合防塵措施及效果研究

白建喜

(潞安化工集團(tuán) 潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036706)

粉塵是煤礦五大災(zāi)害之一。高濃度粉塵能夠引發(fā)塵肺病、心腦血管疾病，甚至造成煤塵爆炸。塵肺病是我國第一大職業(yè)病，嚴(yán)重危害工人身心健康。煤塵瓦斯爆炸是最嚴(yán)重的煤礦動(dòng)力災(zāi)害，比例遠(yuǎn)超普通瓦斯爆炸。采煤面是煤礦井下主要產(chǎn)塵點(diǎn)之一，某些礦井粉塵濃度最高可能達(dá)到3 000 mg/m3。機(jī)械化采煤效率高，但也產(chǎn)生了大量粉塵。本文針對(duì)潞寧礦22116綜采面研究了其粉塵產(chǎn)生的主要特點(diǎn)，提出了高效的粉塵治理技術(shù)方案，為其他相似礦井提供參考。

1 工作面概況

潞寧礦位于山西省忻州市寧武縣，隸屬于潞安化工集團(tuán)，年產(chǎn)煤210萬t，煤種為低灰、低磷、特低硫、高發(fā)熱量的氣煤。22116工作面屬于侏2號(hào)煤層，平均傾角為4.5°，工作面平均走向長度為1 877.233 m，傾向長178.6 m，面積約為335 273.8 m2，可采段煤層厚度3.5 m，容重為1.48 t/m3，預(yù)計(jì)可采儲(chǔ)量約173.6萬t。工作面位于井田二二區(qū)采區(qū)中下部，上部為二二采區(qū)22114采空區(qū)，煤柱12 m，下部為二二采區(qū)22118回采工作面，煤柱10 m，西南為2號(hào)煤層采區(qū)三條下山，東北部為二二采區(qū)三條下山。利用MG500/1140-GWD采煤機(jī)走向長壁一次采全高，日產(chǎn)煤4 000 t。

2 綜合降塵方案設(shè)計(jì)與效果評(píng)估

2.1 采煤面綜合降塵技術(shù)

依據(jù)潞寧礦22116綜采面的特點(diǎn)構(gòu)建了適用于采煤機(jī)的泡沫降塵系統(tǒng)，如圖1所示。發(fā)生泡沫所用的高壓水由直徑25 mm、耐壓強(qiáng)度10 MPa的高壓膠管輸送至發(fā)泡劑添加裝置，壓力水流經(jīng)射流引射裝置，在裝置內(nèi)部形成負(fù)壓吸入發(fā)泡劑混合形成均勻的發(fā)泡液，發(fā)泡液通過分配器后向左右兩側(cè)滾筒輸送，然后再至自吸空氣式發(fā)泡裝置，見圖2，分別服務(wù)于采煤機(jī)左右滾筒，發(fā)泡劑溶液從發(fā)泡裝置入口高速射出，自動(dòng)吸入15～20倍于液體流量的環(huán)境空氣，被吸入的空氣經(jīng)加速、壓縮，直至被粉碎成離散相的小氣泡，被液膜隔開，生成大量氣液兩相泡沫，再通過分配器分散運(yùn)輸至滾筒附近的噴頭處噴射，分別對(duì)采煤機(jī)截割滾筒產(chǎn)塵源進(jìn)行覆蓋，快速沉降浮塵。

圖1 泡沫抑塵系統(tǒng)安裝與布置示意

圖2 安設(shè)于采煤機(jī)上的自吸空氣式發(fā)泡裝置

采煤機(jī)滾筒割煤破碎是最主要的產(chǎn)塵點(diǎn)，因此泡沫主要向滾筒周圍噴射。噴頭入口直徑38 mm、出口槽寬6 mm，兩只噴頭的擴(kuò)散角均為80～90°，泡沫噴射流型為弧扇形，實(shí)現(xiàn)泡沫與粉塵的充分接觸，泡沫噴頭實(shí)物見圖3。

圖3 泡沫噴頭實(shí)物

在22116綜采工作面，隨采煤機(jī)實(shí)時(shí)移動(dòng)的電纜槽里只能放置1趟電纜管和1趟水管，無法再加入壓風(fēng)管路，傳統(tǒng)的發(fā)泡方式無法實(shí)施。該泡沫抑塵系統(tǒng)無需提供壓風(fēng)管路，徹底解決了這一難題。其要求的水源壓力為5～6 MPa，流量1.5～2.0 m3/h。

采煤機(jī)開始截割前打開供水閥門，先用清水沖洗管路。采煤機(jī)開始截割作業(yè)時(shí)，打開控制閥門，發(fā)泡劑與水混合均勻后形成發(fā)泡液，通過自吸空氣式旋流發(fā)泡裝置制備出降塵泡沫，通過泡沫運(yùn)輸管路輸送至噴頭處向滾筒周圍噴射。而后觀察泡沫噴射流型和泡沫形態(tài)，通過調(diào)節(jié)閥門改變發(fā)泡劑、水量、風(fēng)量等的添加量，經(jīng)過多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最佳的發(fā)泡劑添加比例是1%的水量。同時(shí)，還要調(diào)整噴頭角度以及在滾筒搖臂上的安裝位置，實(shí)現(xiàn)泡沫對(duì)滾筒的最佳包裹。

表1 不同位置的粉塵濃度

除了采煤機(jī)滾筒截割產(chǎn)塵以外，液壓支架在移架過程中也會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。采煤機(jī)持續(xù)前移割煤時(shí)頂板需要支架前推繼續(xù)支撐，此時(shí)支架先下落，然后前移，最后再向上支撐。在這個(gè)過程中支架與頂板強(qiáng)烈擠壓會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，但這些粉塵在支架頂端無法下落，當(dāng)支架移架時(shí)粉塵從兩臺(tái)支架中間的縫隙掉落至人行道和工作面中，加劇了工作面粉塵污染。支架前移時(shí)，其頂部后方的煤體碎塊會(huì)沿著支架斜臂掉落，掉落過程中煤體相互碰撞也會(huì)發(fā)生破碎產(chǎn)塵。因此，在兩臺(tái)液壓支架中間的頂部安裝擴(kuò)散角為60°的兩組大流量噴頭，控制頂板掉落的粉塵；在尾部安裝兩個(gè)擴(kuò)散角為45°的小角度噴嘴，控制尾部落煤產(chǎn)生的新粉塵及揚(yáng)塵，如圖4所示。

圖4 支架噴霧示意

雖然已經(jīng)采用了采煤機(jī)滾筒泡沫抑塵和液壓支架架間噴霧降塵技術(shù)，采煤面作業(yè)過程中仍然會(huì)有部分殘余粉塵隨空氣向回風(fēng)巷運(yùn)移，因此在回風(fēng)巷設(shè)置一個(gè)全斷面的水幕簾用以捕集空氣中的粉塵。水霧噴射到帶有網(wǎng)孔的布簾上，水滴在網(wǎng)眼中間形成水膜，能夠保證對(duì)通過粉塵的捕集效率。雖然水幕簾是二次的被動(dòng)除塵技術(shù)，但由于其直接作用于全斷面的粉塵，因此治理效果十分明顯。網(wǎng)眼孔徑為4 mm，周圍布置全自動(dòng)霧化噴嘴，水霧所用水的水壓為1.5 MPa，噴嘴的開閉通過紅外傳感器控制，當(dāng)檢測(cè)到有行人通過時(shí)自動(dòng)關(guān)閉供水開關(guān)，以免水霧打濕作業(yè)人員的衣服。

圖5 粉塵濃度超限自動(dòng)噴霧空間布置正視圖

2.2 降塵效果

根據(jù)我國對(duì)作業(yè)空間粉塵濃度的要求，在采煤機(jī)后方和回風(fēng)巷與工作面交界處均布置1個(gè)測(cè)塵點(diǎn)以計(jì)算除塵效果，利用直讀式測(cè)塵儀測(cè)量粉塵濃度，每次測(cè)量都同時(shí)測(cè)定呼吸性粉塵和總粉塵濃度，而后根據(jù)公式(1)計(jì)算降塵率。

(1)

式中：μ為除塵率，%；c1為沒有降塵措施時(shí)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。

通過采用泡沫降塵技術(shù)、支架架間噴霧、巷道水幕簾三種技術(shù)綜合治理粉塵以后，采煤機(jī)后方10 m處的總粉塵降塵率高達(dá)91.2%，濃度從1 103.4 mg/m3降低到97.1 mg/m3，呼吸性粉塵降塵率達(dá)到90.2%，濃度從559.8 mg/m3降低到55.1 mg/m3，水幕簾后方5 m處全塵濃度從739.3 mg/m3降低到35.5 mg/m3，降塵率高達(dá)95.2%，呼塵濃度從425.8 mg/m3降低到21.2 mg/m3，降塵率高達(dá)95%.

3 結(jié) 語

采用了泡沫抑塵技術(shù)、支架架間噴霧技術(shù)、回風(fēng)巷全斷面水幕簾捕塵技術(shù)綜合治理22116綜采工作面粉塵危害，在采煤機(jī)后方10 m處的總粉塵降塵率高達(dá)91.2%，呼吸性粉塵降塵率達(dá)到90.2%；水幕簾后方5 m處全塵和呼吸性粉塵降塵率分別高達(dá)95.2%和95%，除塵效果顯著。