高瓦斯礦井半煤巖巷綜掘工作面粉塵綜合治理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

趙 群

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦， 陜西 延安 727307）

引言

隨著煤礦生產(chǎn)工藝的不斷提高，我國巷道掘進(jìn)基本實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化水平，但是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的細(xì)微懸浮粉塵也隨之增多，所產(chǎn)生的粉塵不僅對(duì)井下作業(yè)環(huán)境具有嚴(yán)重的污染作用，職工若是長期在這種環(huán)境中工作，將會(huì)患上職業(yè)性疾病。嚴(yán)重的粉塵對(duì)各種設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。有效消除掘進(jìn)過程產(chǎn)生的粉塵，改善作業(yè)環(huán)境，對(duì)保障煤礦從業(yè)者的身體健康能起到至關(guān)重要的作用。

1 煤礦概況

1010 輔運(yùn)順槽位于一號(hào)煤礦十盤區(qū)，十盤區(qū)位于一號(hào)煤礦井田北部、北一大巷組西翼，盤區(qū)由南向北單翼順序布置采面開采。十盤區(qū)南鄰五盤區(qū)，北鄰十一盤區(qū)，西鄰七盤區(qū)，東鄰十二盤區(qū)，煤層由西向東、由南向北逐漸變薄。1010 輔運(yùn)順槽矩形巷道，掘進(jìn)寬度為5.2 m，掘進(jìn)高度為2.8 m，S掘＝14.56 m2，采用EBZ-200 型掘進(jìn)機(jī)沿煤層底板掘進(jìn)。掘進(jìn)范圍內(nèi)煤層厚度為1.0～2.75 m，平均厚度2.3 m，結(jié)構(gòu)簡單，傾角1～5°，屬于穩(wěn)定煤層。直接頂為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖互層，厚度為7.27～12.0 m，平均厚度8.5 m，粉砂巖為灰黑色、致密、較硬、鈣質(zhì)膠結(jié)，水平及波狀層理，夾薄層泥巖。砂質(zhì)泥巖為灰黑色、易風(fēng)化、易破碎，斷口平坦，含植物化石及云母片。老頂為細(xì)粒砂巖，厚度7.7～11.1 m，平均厚度10.7 m，細(xì)粒砂巖為灰白色，石英、長石為主，夾黑色泥巖，層面可見白云母片，水平波狀層理，中部夾有薄層泥巖。底板為砂質(zhì)泥巖，厚度為0.3～8.6 m，平均厚度2.3 m，灰黑色、易風(fēng)化、易破碎，含少量植物化石碎屑。

2 綜掘工作面粉塵防治現(xiàn)狀

2.1 綜掘工作面粉塵產(chǎn)生機(jī)理及分布

由于煤巖地板為泥巖，遇水易膨脹，不適宜采用注水減塵，而且煤層及頂板含水量少，故1010 輔運(yùn)順槽粉塵主要來源于綜掘機(jī)截割煤層和頂板，所產(chǎn)生的粉塵主要以細(xì)微粉塵為主，伴有粗粒粉塵，極易隨風(fēng)流擴(kuò)散到掘進(jìn)工作面后巷內(nèi)。粉塵在風(fēng)流的作用下，會(huì)彌漫于整個(gè)巷道之中，分流現(xiàn)象顯著，表現(xiàn)為粗粉粒沿回風(fēng)側(cè)沉積，細(xì)微粉塵分層懸浮，且懸浮高度隨著粉塵粒徑的增大逐漸降低。高濃度粉塵主要分布在工作面15 m 范圍內(nèi)，其中截割頭附近是高濃度粉塵聚集區(qū)，粉塵濃度最高，且受迎頭風(fēng)流場(chǎng)影響，高濃度粉塵區(qū)在工作面3～7 m 處呈旋渦狀分布，周圍遍布許多不穩(wěn)定的小型旋渦狀高濃度粉塵區(qū)，之后粉塵在風(fēng)流作用下向后巷飄逸，并在30 m 后逐漸擴(kuò)散到巷道全斷面。在重力沉降和擴(kuò)散稀釋的作用下，粉塵濃度沿程不斷減小，粉塵顆粒在隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng)30 m 后，隨機(jī)擴(kuò)散到整個(gè)巷道，巷道內(nèi)全塵濃度趨于穩(wěn)定[1]。

2.2 現(xiàn)有防塵系統(tǒng)及不足

通過對(duì)1010 輔運(yùn)順槽掘進(jìn)期間粉塵分布情況、工作面風(fēng)流場(chǎng)和現(xiàn)有降塵設(shè)施、設(shè)備的研究，分析1010 輔運(yùn)順槽降塵效果不佳的原因，具體如下：

1）綜掘機(jī)內(nèi)噴霧失效，受井下的惡劣的生產(chǎn)條件和復(fù)雜作業(yè)工序限制，掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧頭被煤巖粒、鐵銹、水垢等雜質(zhì)堵塞，導(dǎo)致內(nèi)噴霧失效。

2）掘進(jìn)機(jī)外噴霧噴嘴壓力不足，霧化效果差。掘進(jìn)機(jī)設(shè)有前置的外噴霧及兩側(cè)的外噴霧，開啟時(shí)基本呈柱狀噴射，霧化效果差，不能形成霧狀將截割頭包裹住。

3）距掘進(jìn)面正頭約50 m 處設(shè)置有全斷面降塵水幕，霧化效果良好，對(duì)粉塵有較好的捕捉，但含塵霧滴隨著風(fēng)流不斷擴(kuò)散，進(jìn)一步惡化了井下作業(yè)環(huán)境。

4）工作面風(fēng)流場(chǎng)研究不透徹，長壓短抽除塵風(fēng)機(jī)吸塵效果差。風(fēng)筒出風(fēng)口和除塵風(fēng)機(jī)相對(duì)空間位置、風(fēng)筒出分量、除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量不匹配，導(dǎo)致大量粉塵隨風(fēng)流逃逸至后巷，造成除塵風(fēng)機(jī)除塵效率降低，后巷作業(yè)環(huán)境惡化。

3 防塵系統(tǒng)升級(jí)改進(jìn)

根據(jù)對(duì)1010 輔運(yùn)順槽粉塵分布情況、工作面風(fēng)流場(chǎng)和現(xiàn)有降塵設(shè)施、設(shè)備的研究，提出了相應(yīng)的降塵處理方法。

3.1 綜掘機(jī)高壓噴霧降塵技術(shù)

主機(jī)放置于綜掘機(jī)機(jī)身上，高壓霧化除塵器安裝于掘進(jìn)機(jī)截割頭后方的伸縮部上，中間通過高壓膠管連接，主機(jī)可將綜掘機(jī)水壓提高多6～8 MPa，高壓霧化除塵器將將水霧化成微小水霧并以極高的速度噴射出去。該裝置可實(shí)現(xiàn)與綜掘機(jī)聯(lián)動(dòng)開啟和手動(dòng)開啟兩種模式。當(dāng)裝置開啟后，會(huì)在掘進(jìn)截割頭部位形成高壓水霧屏障，將塵源位置完全覆蓋，最大限度地將工作面塵源點(diǎn)粉塵濕潤沉降。

3.2 工作面風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能噴霧降塵技術(shù)

3.2.1 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能噴霧系統(tǒng)主要由控制箱、傳感器、電磁閥、網(wǎng)關(guān)和地面計(jì)算機(jī)組成，整體結(jié)構(gòu)輕盈小巧，便于安裝調(diào)試[2-3]。控制箱采用可編程控制器PLC 做運(yùn)算，顯示界面通過光纖，可直觀、清晰地顯示在地面上位機(jī)。各種參數(shù)的設(shè)置、調(diào)節(jié)均采用上位機(jī)軟件直接進(jìn)行輸入設(shè)置，操作方便靈活。傳感器包括觸動(dòng)傳感器和粉塵濃度監(jiān)測(cè)。觸動(dòng)傳感器安裝在綜掘機(jī)二運(yùn)上，通過捕捉二運(yùn)開啟的振動(dòng)信號(hào)，控制智能噴霧電磁閥的開啟和關(guān)閉。粉塵濃度傳感器安裝在智能噴霧上風(fēng)側(cè)附近，通過收集粉塵濃度閾值，控制智能噴霧電磁閥的開啟和關(guān)閉。

3.2.2 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能噴霧系統(tǒng)原理

該裝置手動(dòng)閥與供水、壓風(fēng)管路連接，手動(dòng)閥門處于常開狀態(tài)，電磁球閥處于常閉狀態(tài)。當(dāng)傳感器感應(yīng)到設(shè)定范圍內(nèi)的觸動(dòng)、粉塵等信號(hào)時(shí)，將信號(hào)傳遞到控制箱，控制箱控制電動(dòng)閥開啟，實(shí)現(xiàn)噴霧灑水降塵功能。也可在地面上位機(jī)設(shè)置噴霧開啟時(shí)間區(qū)間，進(jìn)行特殊時(shí)間的強(qiáng)制降塵。粉塵濃度傳感器信號(hào)優(yōu)先于觸動(dòng)傳感器信號(hào)開啟智能噴霧，防止移動(dòng)綜掘機(jī)和檢修噴霧時(shí)誤開啟噴霧。

3.3 長壓短抽除塵風(fēng)機(jī)降塵技術(shù)優(yōu)化

采用控制變量法[4-5]，研究附壁風(fēng)筒關(guān)閉狀態(tài)下供風(fēng)風(fēng)筒口出風(fēng)量Q、除塵風(fēng)筒口吸風(fēng)量Qc、附壁風(fēng)筒打開狀態(tài)下供風(fēng)風(fēng)筒口出風(fēng)量Q1、附壁風(fēng)筒距離工作面正頭位置L1、供風(fēng)風(fēng)筒距離工作面位置L2、除塵風(fēng)筒距離工作面位置L3等因數(shù)對(duì)除塵效率的影響，并大致確定工作面控塵面位置。工作面風(fēng)流場(chǎng)各參數(shù)關(guān)系圖，如圖1 所示。

3.4 智能集中消塵區(qū)降塵技術(shù)

順槽內(nèi)每隔500 m 設(shè)一組智能集中消塵區(qū)，其主要由智能噴霧降塵系統(tǒng)、多組風(fēng)水聯(lián)動(dòng)全斷面噴霧、膠帶雨棚、水倉和地坪組成，采用粉塵傳感器精確控制集中噴霧的啟停，膠帶雨棚可防止噴霧水噴到膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)，影響煤質(zhì)[6-7]。

4 降塵效果分析

為研究噴霧壓力、霧化效果和降塵率的關(guān)系，綜掘機(jī)外噴霧采用增壓泵，并安裝壓力表，霧化效果暫按進(jìn)風(fēng)、進(jìn)水壓力比值計(jì)算。噴霧壓力達(dá)到6～8 MPa時(shí)降塵率最高。噴霧壓力保持在6 MPa、風(fēng)、水壓力比為3∶1 時(shí)，降塵效率最高。

為了方便現(xiàn)場(chǎng)施工，附壁風(fēng)筒安裝在距風(fēng)筒出風(fēng)口5 m 的位置，在此基礎(chǔ)上研究控塵面位置，僅用肉眼觀測(cè)巷道中部粉塵濃度分界線，距離正頭煤壁位置即為控塵面位置。當(dāng)Q=Q1=Qc，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量L2=7 m、L3=5 m 時(shí)，控塵面距離工作面最近，即為理想最佳控塵面。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得：

1）當(dāng)附壁風(fēng)筒風(fēng)量/風(fēng)筒最大供風(fēng)量=1/3 時(shí)，除塵效果最佳。

2）在滿足情況1）時(shí)，保持風(fēng)筒供風(fēng)量恒定，測(cè)得除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量和供風(fēng)風(fēng)筒出風(fēng)量比值為9∶8 時(shí)，除塵效果最佳，且此時(shí)控塵面向工作面方向移動(dòng)了0.3 m。將以上參數(shù)輸入控制系統(tǒng)內(nèi)。當(dāng)Qc恒定時(shí)，附壁風(fēng)筒出風(fēng)量及風(fēng)筒供風(fēng)量與降塵率的關(guān)系，如表1所示。當(dāng)Q 恒定時(shí)，除塵風(fēng)筒吸風(fēng)量、供風(fēng)風(fēng)筒出風(fēng)量與降塵率的關(guān)系，如表2 所示。

表1 附壁風(fēng)筒出風(fēng)量及風(fēng)筒供風(fēng)量與降塵率的關(guān)系（QC 恒定）

表2 除塵風(fēng)筒吸風(fēng)量及供風(fēng)風(fēng)筒出風(fēng)量與降塵率的關(guān)系（Q 恒定）

5 結(jié)論

1）噴霧壓力達(dá)到6～8 MPa 時(shí)，降塵率最高。噴霧壓力保持在6 MPa、風(fēng)、水量比為3∶1 時(shí)，降塵效率最高。

2）當(dāng)附壁風(fēng)筒風(fēng)量/風(fēng)筒最大供風(fēng)量=1/3 時(shí)，除塵效果最佳。

3）除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量和供風(fēng)風(fēng)筒出風(fēng)量比值為9∶8 時(shí)，除塵效果最佳。

4）工作面前部30 m 范圍內(nèi)作業(yè)區(qū)域能見度得到很大提高，視野清晰，霧化效果好，更符合降塵機(jī)理，能取得了92%以上的降塵效果，總粉塵質(zhì)量濃度控制在10 mg/m3以內(nèi)，極大地改善了工作面的勞動(dòng)衛(wèi)生條件，保證了綜掘面安全生產(chǎn)。