壽陽(yáng)新元煤礦采煤面除塵技術(shù)研究

馮彥強(qiáng)

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司,山西 晉中 045400)

1 工作面概況

壽陽(yáng)新元煤礦是山西潞安化工集團(tuán)的重點(diǎn)礦井,新元公司是潞安化工集團(tuán)有限公司的生產(chǎn)礦井之一,井田東西走向長(zhǎng)為15.6 km,南北傾斜寬為9.6 km,面積為136.77 km2,主采煤層為3號(hào)煤、9號(hào)煤、15號(hào)煤,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300萬(wàn)噸/年,核定生產(chǎn)能力為270萬(wàn)噸/年。目前開采3號(hào)煤、9號(hào)煤,其中,3號(hào)煤平均厚度為2.8 m,9號(hào)煤平均厚度為3.4 m,層間距為44 m;煤種主要為貧煤、貧瘦煤及無(wú)煙煤,屬中低灰、特低硫、低磷、中高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤,截至2022年底,礦井保有資源儲(chǔ)量為130 326.9萬(wàn)噸,可采儲(chǔ)量為62 365.9萬(wàn)噸。工作面走向和傾向平均長(zhǎng)度分別為2 200 m和240 m,采高為3.6 m,采煤機(jī)滾筒截割深度為0.6 m.

2 采煤面粉塵產(chǎn)生特點(diǎn)分析

經(jīng)過(guò)對(duì)壽陽(yáng)新元煤礦采煤面的長(zhǎng)期觀測(cè)分析發(fā)現(xiàn),其主要產(chǎn)生粉塵的區(qū)域?yàn)椴擅簷C(jī)滾筒割煤和液壓支架移架兩個(gè)過(guò)程。目前礦用采煤機(jī)多數(shù)為雙滾筒布置,當(dāng)采煤機(jī)前進(jìn)時(shí),前方的滾筒位于上部,用以截割煤壁頂板附近和中上部煤體;后方的滾筒位于下部,割煤時(shí),用于截割破碎壁面下方的煤體,這樣上下兩個(gè)滾筒就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)某些中小采高礦井的一次成型全斷面截割。在開采過(guò)程中,當(dāng)采煤機(jī)的移動(dòng)方向和工作面風(fēng)流方向相同時(shí),認(rèn)為是順風(fēng)割煤條件,反之認(rèn)為是逆風(fēng)割煤條件。根據(jù)前人研究結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),雖然兩種割煤條件下粉塵質(zhì)量濃度在采煤機(jī)周圍的分布情況略有差異,但主要產(chǎn)塵區(qū)域基本相近,都是由于采煤機(jī)滾筒上的截齒和煤體碰撞而產(chǎn)生的粉塵,滾筒旋轉(zhuǎn)割煤時(shí),其前半部分是粉塵的主要產(chǎn)生源頭。高強(qiáng)度截割時(shí),對(duì)煤體的應(yīng)力分布有強(qiáng)烈擾動(dòng),煤層在生成過(guò)程中存在很多原生裂隙,這些裂隙內(nèi)部含有較多原生粉塵,當(dāng)煤體破碎時(shí),沿原生裂紋擴(kuò)展形成自由面,這些粉塵受振動(dòng)影響被釋放向空氣中,在工作面風(fēng)流作用下擴(kuò)散至整個(gè)斷面。這一過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵范圍大、隨機(jī)性強(qiáng),且產(chǎn)生時(shí)強(qiáng)度較大。

采煤機(jī)向前割煤推進(jìn)時(shí),液壓支架需要跟隨工作面一同向前推移,滿足對(duì)頂板的支撐以避免大范圍空頂,支架在移動(dòng)時(shí)伴隨著落架、前移、升架3個(gè)步驟,升架時(shí),支架向上支撐頂板,強(qiáng)大的擠壓力使支架和頂板之間的煤體碎塊發(fā)生粉碎,但由于空間不夠無(wú)法隨空氣飄散。當(dāng)支架需要前移時(shí)開始落架,此時(shí)兩支架之間出現(xiàn)空隙,升架時(shí)產(chǎn)生的粉塵從空隙中掉落擴(kuò)散至人行道和機(jī)道內(nèi),這種粉塵具有明顯的周期性且位置比較固定,往往都從相鄰兩臺(tái)支架中間掉落。

3 綜采面粉塵治理效果

3.1 降塵技術(shù)應(yīng)用

1) 采煤機(jī)降塵技術(shù)。針對(duì)采煤機(jī)產(chǎn)塵的降塵系統(tǒng)如圖1所示。在采煤面運(yùn)輸巷中,安裝清水箱和高壓水泵,通過(guò)25 mm礦用防爆高壓膠管將高壓水運(yùn)送至采煤機(jī)機(jī)身上的降塵裝置處,清水箱內(nèi)部存水為工作面日常用水。

圖1 降塵用水布置示意

采煤機(jī)高壓霧化降塵設(shè)備的噴射部件安裝示意如圖2所示。噴射部件通過(guò)固定器安裝在采煤機(jī)機(jī)身與截割臂相連的電機(jī)外殼上。固定器上面開有3個(gè)定位孔,孔位置根據(jù)采煤機(jī)搖臂外殼上的螺孔確定。噴射部件上面同樣開有3個(gè)定位孔,利用定位銷和固定器相連,安裝完成后,再調(diào)整噴嘴噴射角度。根據(jù)本文對(duì)采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)塵的分析,降塵設(shè)備的噴射部件內(nèi)部包含5個(gè)擴(kuò)散角度為30°的實(shí)心錐噴頭,其噴射軸線如圖2(a)中所示,能夠?qū)L筒形成霧滴場(chǎng)包裹。由于噴射裝置固定在搖臂上,可以根據(jù)滾筒上下擺動(dòng)而同時(shí)移動(dòng),保證了霧滴場(chǎng)對(duì)產(chǎn)塵區(qū)域的實(shí)時(shí)覆蓋,如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn),噴霧供水壓力越大,產(chǎn)生的霧滴粒徑越小,更容易潤(rùn)濕粉塵顆粒,同時(shí)擴(kuò)散角度也隨之減小。為保證噴霧對(duì)粉塵的潤(rùn)濕效果,同時(shí)兼顧采煤機(jī)滾筒產(chǎn)塵范圍大的特點(diǎn),確定噴霧壓力為8 MPa.

圖2 噴射裝置水平和垂直投影圖

圖3 霧滴場(chǎng)噴射三維示意

2) 液壓支架架間負(fù)壓二次降塵技術(shù)。根據(jù)前文對(duì)液壓支架跟隨采煤機(jī)移架過(guò)程中的產(chǎn)塵特點(diǎn)分析,設(shè)計(jì)了以水噴霧作為主要降塵介質(zhì),同時(shí)兼具負(fù)壓引射效果吸入含塵空氣直接將其凈化的負(fù)壓二次噴霧引射降塵技術(shù),如圖4所示。負(fù)壓二次噴霧引射降塵裝置固定在兩臺(tái)液壓支架之間上頂板的下方,在朝向采煤機(jī)道以及煤壁的方向布置3個(gè)擴(kuò)散角度為45°的平扇形噴頭,其噴射方向和在工作面斷面上與水平線呈0°、45°和90°夾角,這樣能夠在機(jī)道中形成幾乎無(wú)縫隙的噴霧簾,可以直接潤(rùn)濕整個(gè)機(jī)道斷面的粉塵,提高降塵效果。噴射裝置后部和側(cè)面開孔,當(dāng)噴霧從噴射裝置內(nèi)部高速噴出時(shí),在周圍卷吸空氣形成負(fù)壓,通過(guò)后部和側(cè)面開孔增強(qiáng)其在人行道處和兩支架之間的負(fù)壓場(chǎng)。側(cè)面開孔方向朝上風(fēng)向,增加了對(duì)含塵氣流的吸入能力。根據(jù)圖4中的原理圖可以看出,在采煤機(jī)開始前進(jìn)割煤時(shí),液壓支架跟隨采煤機(jī)一同移動(dòng),期間伴隨支架的下降、前移、上升,在機(jī)道處產(chǎn)生的粉塵直接被噴射的霧滴場(chǎng)捕獲潤(rùn)濕;在人行道處,下落的粉塵被后方吸塵口吸入噴射裝置中,上風(fēng)向隨風(fēng)流吹來(lái)的含塵空氣經(jīng)由側(cè)面吸塵口被吸進(jìn)噴射裝置內(nèi)部,這些含塵氣流直接在噴射裝置內(nèi)部與霧滴相互碰撞最終被潤(rùn)濕沉降,如圖5所示。

圖4 液壓支架架間負(fù)壓二次降塵裝置原理

圖5 支架間引射噴霧原理

根據(jù)本文對(duì)產(chǎn)塵特點(diǎn)的分析可知,采煤機(jī)滾筒割煤過(guò)程中產(chǎn)塵點(diǎn)并不局限在滾筒周圍,距離滾筒較遠(yuǎn)處的底板上也會(huì)產(chǎn)生粉塵,這部分粉塵會(huì)隨風(fēng)流直接向整個(gè)開采斷面擴(kuò)散,利用采煤機(jī)外噴霧治理效果不佳,因此,在回風(fēng)巷中設(shè)置了全斷面捕塵水幕簾,用于捕獲斷面中隨風(fēng)流飄散的粉塵。

3.2 降塵效果分析

為了確定設(shè)計(jì)的采煤機(jī)機(jī)身噴霧降塵裝置和液壓支架架間負(fù)壓二次降塵裝置的粉塵治理效果,根據(jù)我國(guó)《工作場(chǎng)所空氣中粉塵測(cè)定》和《煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于產(chǎn)塵作業(yè)場(chǎng)所粉塵測(cè)定地點(diǎn)的規(guī)定,在采煤機(jī)下風(fēng)測(cè)距離采煤機(jī)10 m的位置和回風(fēng)巷水幕簾后方3 m處,分別設(shè)定1個(gè)測(cè)塵點(diǎn),共采用4臺(tái)CCZ-1000直讀式測(cè)塵儀測(cè)定粉塵質(zhì)量濃度,每個(gè)測(cè)點(diǎn)利用兩臺(tái)分別測(cè)定其呼吸性粉塵(呼塵)濃度和總粉塵(全塵)濃度,每次測(cè)定采樣時(shí)間為5 min,采樣流量為20 L/min,呼塵和全塵利用專用采樣頭進(jìn)行采樣。除塵率按照公式(1)計(jì)算。

(1)

式中:μ為除塵率,%;c1為沒(méi)有降塵措施時(shí)的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3;c2為采用綜合降塵措施后的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3.

圖6 采煤機(jī)和回風(fēng)巷水幕簾后的全塵呼塵治理效果

根據(jù)綜采面現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處的粉塵質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)結(jié)果(圖6)可以看出,沒(méi)有任何防塵措施對(duì)粉塵進(jìn)行治理時(shí),全塵在采煤機(jī)下風(fēng)測(cè)10 m處的平均濃度為1 368.9 mg/m3,呼塵平均濃度為636.1 mg/m3;回風(fēng)巷后方3 m處的全塵和呼塵原始平均濃度分別為770.5 mg/m3和389.7 mg/m3,遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家規(guī)程對(duì)煤礦工作地點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度的規(guī)定,亟需高效降塵措施進(jìn)行處理。當(dāng)利用了綜合降塵措施以后,在回風(fēng)巷水幕簾后方3 m處的降塵率相對(duì)更高,全塵和呼塵的降塵率均為95.1%,殘余濃度分別為37.8 mg/m3和19.2 mg/m3;采煤機(jī)下風(fēng)向10 m處的全塵和呼塵質(zhì)量濃度降低到了86.1 mg/m3和39.5 mg/m3,降塵率均為93%以上。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 采煤面粉塵主要來(lái)自采煤機(jī)雙滾筒割煤破碎產(chǎn)塵、碎煤塊從煤壁掉落至地面產(chǎn)生揚(yáng)塵和液壓支架移架時(shí)兩臺(tái)支架中間落塵。

2) 結(jié)合采煤面產(chǎn)塵情況采取了降塵措施以后,在采煤機(jī)下風(fēng)測(cè)10 m處,對(duì)全塵的降塵率為93.7%,呼塵的降塵率為93.8%;在回風(fēng)巷水幕簾后方3 m處,對(duì)全塵的降塵率為95.1%,呼塵的降塵率為95.1%.