王國(guó)法，張崇宏

(1.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013; 2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (煤炭科學(xué)研究總院)，北京100013;3.兗礦集團(tuán)綜機(jī)管理中心，山東鄒城273500)

綜述

煤礦綜采和綜放工作面降塵與清潔生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展

王國(guó)法1，2，張崇宏3

(1.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013; 2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (煤炭科學(xué)研究總院)，北京100013;3.兗礦集團(tuán)綜機(jī)管理中心，山東鄒城273500)

分析我國(guó)綜采和綜放工作面煤層治理現(xiàn)狀，介紹澳大利亞煤礦煤層控制標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)著名的二十英里煤礦礦井降塵和清潔生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及技術(shù)特點(diǎn)，探討煤礦降塵技術(shù)基礎(chǔ)研究和煤礦清潔生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展方向，提出綜采綜放工作面降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方案。

綜采和綜放;工作面降塵;清潔生產(chǎn);降塵系統(tǒng)

煤礦生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生大量煤塵，煤塵是煤礦生產(chǎn)中的六大災(zāi)害之一。煤塵不但嚴(yán)重危害煤礦井下職工的健康，而且存在煤塵爆炸等嚴(yán)重的事故隱患，煤塵沉積粘附在井下設(shè)備和精密儀器上，會(huì)加速機(jī)械設(shè)備的磨損，縮短精密儀器的使用壽命。綜采和綜放工作面是煤礦生產(chǎn)集中作業(yè)點(diǎn)，也是主要產(chǎn)塵源，綜采和綜放工作面通過(guò)降塵實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)是國(guó)內(nèi)外煤礦和煤礦職工共同追求的目標(biāo)。世界主要產(chǎn)煤國(guó)家以法規(guī)或規(guī)程的形式規(guī)定了煤礦井下工作面煤塵標(biāo)準(zhǔn)，然而，我國(guó)大多數(shù)煤礦長(zhǎng)期達(dá)不到限制標(biāo)準(zhǔn)要求，一些煤礦對(duì)工作面降塵不重視，甚至沒(méi)有采取充分的降塵措施。根據(jù)測(cè)定，在沒(méi)有采取有效防塵措施的情況下，綜采工作面的粉塵濃度可達(dá)2500～3000mg/m3，而綜放工作面粉塵情況則比一般的綜采工作面更為嚴(yán)重，綜放面內(nèi)產(chǎn)塵量可達(dá)礦井總塵量的60%以上，采煤機(jī)割煤、移架和放煤等工序平行作業(yè)時(shí)，有些煤礦個(gè)別瞬時(shí)原始總粉塵濃度甚至高達(dá)8000～10000mg/m3，即使采取措施，多數(shù)工作面的粉塵情況依然相當(dāng)惡劣，采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)粉塵濃度最大可達(dá)1000mg/m3以上。上述這些粉塵濃度數(shù)據(jù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。

新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)煤炭開(kāi)采技術(shù)水平大幅提高，綜合機(jī)械化采煤工藝得到了普遍的應(yīng)用，厚煤層大采高長(zhǎng)壁開(kāi)采技術(shù)和放頂煤長(zhǎng)壁開(kāi)采技術(shù)居國(guó)際領(lǐng)先水平。隨著煤炭工業(yè)開(kāi)采技術(shù)水平的進(jìn)步，生產(chǎn)率的大幅提高，粉塵對(duì)工人職業(yè)健康的危害日益凸顯出來(lái)。深入研究煤塵產(chǎn)生與擴(kuò)散規(guī)律和降塵原理，開(kāi)發(fā)煤塵綜合治理技術(shù)和自動(dòng)化高效降塵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦清潔生產(chǎn)已成為煤礦技術(shù)進(jìn)步的重要目標(biāo)。

1 我國(guó)綜采和綜放工作面煤塵治理現(xiàn)狀

我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》2011版《煤礦作業(yè)場(chǎng)所職業(yè)危害防治規(guī)定 (試行)——煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范—AQ1020－2006》和《煤礦采掘工作面高壓噴霧降塵技術(shù)規(guī)范—AQ1021－2006》分別對(duì)煤塵規(guī)定了限制標(biāo)準(zhǔn)。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定呼吸性粉塵、全塵濃度標(biāo)準(zhǔn)，等效8小時(shí)內(nèi):游離二氧化硅含量10%以下;呼吸性粉塵濃度3.5mg/m3以下;全塵濃度10mg/m3以下?！睹旱V作業(yè)場(chǎng)所職業(yè)危害防治規(guī)定 (試行)》中規(guī)定呼吸性粉塵、全塵濃度標(biāo)準(zhǔn)，等效8小時(shí)內(nèi):游離二氧化硅含量5%以下;呼吸性粉塵濃度5mg/m3以下;全塵濃度10mg/m3以下。

我國(guó)自“七五”期間，研究綜采工作面綜合防塵技術(shù)，重點(diǎn)解決了長(zhǎng)鉆孔煤層注水和液壓支架?chē)婌F降塵等技術(shù)。一些先進(jìn)礦井一直比較重視工作面煤塵治理，但大多數(shù)煤礦對(duì)煤塵治理和清潔生產(chǎn)的意識(shí)還不夠強(qiáng)，措施不到位，綜采和綜放工作面煤塵普遍超過(guò)安全規(guī)程要求，距國(guó)外先進(jìn)水平有較大差距。目前，國(guó)內(nèi)綜放工作面粉塵的防治主要通過(guò)三方面實(shí)現(xiàn):一是在采煤之前，通過(guò)注水工藝來(lái)提高煤體的潤(rùn)濕性或采取合理的開(kāi)采工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)降低煤體產(chǎn)塵的可能性;二是在開(kāi)采時(shí)，利用特定的防塵技術(shù)控制塵源，使粉塵存在于特定的空間和位置，不能進(jìn)一步擴(kuò)散;三是利用相關(guān)除塵技術(shù)或設(shè)備，及時(shí)地把產(chǎn)生的粉塵過(guò)濾或排除掉。依據(jù)這三方面，綜放工作面防塵技術(shù)主要有以下幾種:

(1)煤層預(yù)先注水防塵 煤層預(yù)先注水濕潤(rùn)煤體是采煤工作面防塵的基本措施，目前我國(guó)已經(jīng)有較多的應(yīng)用。煤層預(yù)先注水基本防塵機(jī)理是通過(guò)打鉆孔向煤體中注水，提高煤體的含水量和潤(rùn)濕性，從而減少采煤時(shí)粉塵的產(chǎn)生。

(2)采煤機(jī)噴霧防塵 機(jī)械化采煤中，尤其以采煤機(jī)產(chǎn)塵最為突出，采煤機(jī)滾筒割煤及向刮板輸送機(jī)裝煤時(shí)產(chǎn)生大量的粉塵，成為綜放工作面防塵的重點(diǎn)。采煤機(jī)割煤時(shí)采用滾筒搖臂徑向霧屏及液壓支架探梁輔助噴霧降塵技術(shù)、采煤機(jī)內(nèi)、外噴霧降塵技術(shù)、采煤機(jī)高壓噴霧負(fù)壓二次降塵技術(shù)，而采煤機(jī)滾筒內(nèi)噴霧效果差的問(wèn)題一直沒(méi)有解決。

(3)液壓支架移架自動(dòng)噴霧降塵 液壓支架在降柱和前移過(guò)程中的產(chǎn)塵量約占整個(gè)工作面產(chǎn)塵量的30%左右，有的高達(dá)900～1600mg/m3。研制了液壓支架自動(dòng)噴霧控制閥，實(shí)現(xiàn)了液壓支架在降柱、移架、推溜過(guò)程中的自動(dòng)噴霧除塵，獲得較廣泛的應(yīng)用。

(4)放煤自動(dòng)噴霧降塵 放煤時(shí)的產(chǎn)塵量較大，約占整個(gè)工作面產(chǎn)塵量的30%以上。采用在放頂煤支架后部放煤機(jī)構(gòu)處安裝放煤自動(dòng)噴霧控制閥即噴霧裝置，實(shí)現(xiàn)放煤時(shí)自動(dòng)噴霧降塵，取得了較好的效果。

(5)空氣幕隔塵 利用在條形風(fēng)口中吹出條縫形空氣射流，實(shí)現(xiàn)將塵源擴(kuò)散出來(lái)的煤塵與周?chē)諝飧綦x，從而保證工作區(qū)的清潔生產(chǎn)條件。

2 國(guó)外先進(jìn)礦井降塵和清潔生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 澳大利亞礦山安全要求

澳大利亞昆士蘭《礦山安全健康規(guī)程2001－89礦山安全健康管理體系》要求必須采取措施保證:每個(gè)礦工接觸呼吸性粉塵的含量必須在可接受的范圍內(nèi)，并且礦工所呼吸空氣中的呼吸性粉塵的濃度不得超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn) (按照澳大利亞AS2985.5的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，等效8小時(shí)內(nèi)):煤塵為3mg/m3，游離二氧化硅為0.1mg/m3。

2.2 美國(guó)礦井降災(zāi)和清潔現(xiàn)狀

以美國(guó)著名的二十英里礦為例，該礦于1983年投產(chǎn)，1989年安裝生產(chǎn)第1個(gè)長(zhǎng)壁工作面。計(jì)劃年商品煤產(chǎn)量為9Mt到11Mt。該礦煤層具有低硫、高揮發(fā)性、高發(fā)熱量的特點(diǎn)。煤層厚度平均為2.4～3m，煤層埋藏深度為210～480m。煤層灰分9.8%，原始水分10.3%，發(fā)熱量26.3MJ/kg，低瓦斯礦井。煤層直接頂、底板為復(fù)合性頁(yè)巖，較松軟。生產(chǎn)布局為1個(gè)長(zhǎng)壁工作面和2個(gè)連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工作面。該礦采用抽出式通風(fēng)方式，共有5個(gè)進(jìn)風(fēng)風(fēng)井，3個(gè)回風(fēng)井。礦井總通風(fēng)量為36800m3/ min，其中長(zhǎng)壁工作面供風(fēng)量為 2265～3400m3/ min;每個(gè)連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工作面的供風(fēng)量為1700～2265m3/min，使用2臺(tái)局部通風(fēng)機(jī)向3個(gè)掘進(jìn)迎頭供風(fēng)。井下膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)全長(zhǎng)約為12.8km。主大巷膠帶寬度為1524mm，帶速為4.7m/s。巷道膠帶帶寬為1.8m，帶速為4.2m/s。在主大巷膠帶以里設(shè)有一個(gè)緩沖煤倉(cāng)，用來(lái)調(diào)節(jié)膠帶煤流量，整個(gè)膠帶的設(shè)計(jì)運(yùn)量可以到達(dá)5000t/h。

礦井供水主要用于防塵系統(tǒng)和設(shè)備冷卻用水，設(shè)計(jì)供水能力為270m3/h。地面水由2路供向井下，2路在井底車(chē)場(chǎng)匯集。然后經(jīng)直徑為219.1mm的管路供至約3.2km以外的加壓站。加壓泵站的功率為320kW，采用變頻控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)井下供水能保持一個(gè)較為穩(wěn)定的壓力。泵站的正常工作壓力為3MPa，供水流量為270m3/h。

該礦在供水系統(tǒng)中添加液體化學(xué)降塵劑 (Polo Citrus)，化學(xué)降塵劑的作用除了增加降塵效果以外，還可以起到冷卻系統(tǒng)除垢的作用?；瘜W(xué)添加劑在井底加壓泵站添加，添加比例為1∶35，約增加噸煤成本2.6美元。

為保證水質(zhì)，在井底加壓泵站還安裝了具有反沖洗功能的水質(zhì)過(guò)濾器，除去粒徑大于100μm的懸浮物顆粒。經(jīng)過(guò)井底加壓泵站后，采用直徑168.3mm的管路分別向掘進(jìn)迎頭和長(zhǎng)壁工作面供水。在工作面單軌吊泵站 (距離工作面約為600m)處設(shè)另外一組加壓泵站。該站的功率為300kW，也采用變頻控制。采煤面泵站最大壓力5.3MPa，工作壓力通常為3.3MPa，供水流量可達(dá)240m3/h，采用4條75mm的鋼管向工作面供水。為防止供水管路的垢、銹影響水質(zhì)，在工作面加壓泵站安裝了具有反沖洗功能的水質(zhì)過(guò)濾器，對(duì)水進(jìn)行二次過(guò)濾，除去粒徑大于200μm的懸浮物顆粒。

長(zhǎng)壁工作面降塵系統(tǒng)從工作面泵站通過(guò)4路75mm鋼管由單軌吊吊掛向工作面供水，其中:1路鋼管供至工作面中部，變成50mm的高壓膠管供采煤機(jī)冷卻及內(nèi)外噴霧用水;1路鋼管貫穿整個(gè)工作面，利用10組環(huán)形系統(tǒng)供支架?chē)婌F用水，環(huán)形系統(tǒng)膠管為50mm;1路由50mm的膠管供轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)噴霧用水;1路經(jīng)減壓閥減壓后，供運(yùn)輸設(shè)備電機(jī)、減速箱冷卻水。

采煤機(jī)設(shè)有完善的內(nèi)外噴霧裝置，內(nèi)外噴霧共安裝了160個(gè)噴頭。其中每個(gè)滾筒安裝的54個(gè)內(nèi)噴霧噴頭位于截齒后方，滾筒采用刀型截齒;采煤機(jī)機(jī)身工作面?zhèn)劝惭b有2組共32個(gè)外噴霧噴頭，其中16組噴頭傾斜向工作面頂板，16組噴頭垂直工作面煤壁;在采煤機(jī)搖臂上安裝了可調(diào)節(jié)式伸縮臂外置噴霧降塵裝置，共安裝噴頭16個(gè)，主順側(cè)噴霧降塵裝置要比滾筒切割線長(zhǎng)出300mm，以便安裝在端頭的噴頭偏向工作面尾順側(cè)，控制含塵風(fēng)流沿工作面煤壁流動(dòng)，避免流向人行道。采煤機(jī)的內(nèi)外噴霧系統(tǒng)用水量約為60m3/h。

支架?chē)婌F系統(tǒng)(如圖1所示):每個(gè)支架安裝了31個(gè)噴頭，共分4個(gè)單獨(dú)的回路，由電磁閥控制。其中:主頂梁前端水幕，噴頭4個(gè)，在采煤機(jī)割煤時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)3架、下風(fēng)側(cè)5架同時(shí)噴霧(兩滾筒之間的支架?chē)婌F不開(kāi));主頂梁頂板噴霧，噴頭8個(gè)，移架時(shí)噴霧潤(rùn)濕支架上方煤巖體;支架采空側(cè)噴霧，噴頭15個(gè)，移架時(shí)噴霧，防止后部粉塵進(jìn)入人行道;支架側(cè)護(hù)板噴霧，噴頭4個(gè)，移架時(shí)噴霧，減少漏煤矸的粉塵。為防止主頂梁和側(cè)護(hù)板噴霧水流向人行道，還在側(cè)護(hù)板上設(shè)有引流槽。

工作面轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)粉塵控制采用除塵風(fēng)機(jī)和噴霧系統(tǒng)相結(jié)合的方式。共安裝2臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭除塵風(fēng)機(jī)功率為22kW，破碎機(jī)除塵風(fēng)機(jī)功率為7.5kW;共安裝噴頭60個(gè)，其中破碎機(jī)安裝噴頭40個(gè)，轉(zhuǎn)載機(jī)安裝噴頭20個(gè)。

圖1 支架?chē)婌F系統(tǒng)

2.3 國(guó)外煤礦清潔生產(chǎn)技術(shù)的特點(diǎn)

(1)在降塵和防塵措施設(shè)計(jì)上將人的工作環(huán)境放在首位，降塵裝置在避免造成人身潮濕的前提下實(shí)現(xiàn)效果最佳。

(2)從巷道布置 (工作面專(zhuān)用回風(fēng)巷，回風(fēng)巷無(wú)人作業(yè))、采煤工藝 (采煤機(jī)單向割煤，避免人員進(jìn)入回風(fēng)側(cè)作業(yè))、可靠的防塵措施、有效的個(gè)體防護(hù) (頭盔)4個(gè)方面采取綜合措施，最大限度地使作業(yè)人員減少吸塵。

(3)工作面各設(shè)備設(shè)計(jì)制造時(shí)，充分考慮防塵的需要，使采煤機(jī)與支架本身具有良好的降塵和防塵功能。

(4)提高工作面自動(dòng)化水平，減少工作面用人。采煤機(jī)記憶割煤、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架，工作面巷道超前無(wú)支護(hù)等，大大減少了工作面用人，使作業(yè)人員在新鮮風(fēng)流中作業(yè)成為可能。

(5)工作面噴霧降塵系統(tǒng)自動(dòng)化控制。

(6)多噴頭、大水量。例如，一架液壓支架安裝31個(gè)噴嘴，采煤機(jī)的噴霧用水量能達(dá)到60m3/h。

(7)不片面追求霧化效果，采用大水量預(yù)濕破碎煤體，減少粉塵產(chǎn)生，而不是待粉塵飛揚(yáng)后，依靠水霧降塵。這一點(diǎn)突破了一般噴霧降塵的理念，另一好處就是避免人身淋濕。

(8)采用降塵與控塵相結(jié)合，將剩余煤塵控制在人行道以外。

(9)高度重視防塵供水系統(tǒng)參數(shù)。噴霧泵采用變頻控制，通過(guò)調(diào)整泵的流量實(shí)現(xiàn)噴霧水的壓力恒定，從而確保好的降塵效果。

(10)法律保障，人心所向。保護(hù)勞工的身體健康，是嚴(yán)格的法律規(guī)定，不管是對(duì)企業(yè)管理者還是對(duì)勞工來(lái)說(shuō)都已經(jīng)深入人心，成為自覺(jué)的行動(dòng)。勞工強(qiáng)大的自我保護(hù)意識(shí)對(duì)作業(yè)環(huán)境提出了高要求;強(qiáng)大的工會(huì)為勞工維權(quán)提供了保障。

3 綜采綜放工作面降塵與清潔生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新

3.1 煤礦降塵技術(shù)基礎(chǔ)研究

重點(diǎn)研究解決難溶水煤層開(kāi)采作業(yè)中煤塵產(chǎn)生和擴(kuò)散規(guī)律、煤塵控制原理與方法、綜合降塵系統(tǒng)及關(guān)鍵元器件技術(shù)和基于機(jī)器視覺(jué)的煤塵在線檢測(cè)等國(guó)內(nèi)外煤塵防治的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)采取理論研究、實(shí)驗(yàn)分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，建立了煤塵動(dòng)力學(xué)模型并實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬;建立考慮霧滴的兩相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型并實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬;優(yōu)化高壓引射負(fù)壓降塵系統(tǒng)噴嘴參數(shù);建立煤塵實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)。

研究難溶水煤層煤塵與降塵劑的吸附沉降規(guī)律，對(duì)難溶水煤層煤塵的防治無(wú)論是用煤層注水還是噴霧降塵，都面臨水對(duì)煤塵的濕潤(rùn)問(wèn)題，因此需要研究水對(duì)煤塵的濕潤(rùn)機(jī)理并研究表面活性劑對(duì)煤塵親水性的作用機(jī)理，進(jìn)而為降塵劑的研制提供理論支持。與此同時(shí)研究在一般重力場(chǎng)中煤塵與降塵劑的吸附沉降規(guī)律，為噴霧降塵方法的研究提供理論支持。

建立噴霧降塵過(guò)程氣體－顆粒兩相流動(dòng)模型，深入研究噴霧降塵的原理和方法，研究顆粒的形狀、風(fēng)流場(chǎng)的建立、噴霧場(chǎng)各參數(shù)的確定等。同時(shí)，攻克數(shù)學(xué)模型的數(shù)值求解，包括偏微分方程組的離散化和壓力與速度耦合關(guān)系的處理等。

高壓引射負(fù)壓降塵系統(tǒng)噴嘴參數(shù)優(yōu)化，噴嘴作為其中最基本的元件，直接影響到降塵效果。影響噴嘴性能好壞的參數(shù)主要有:條件霧化角、霧滴粒徑、霧滴分布均勻度和霧滴速度等，要研究各參數(shù)對(duì)噴嘴噴霧效果的影響規(guī)律，并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到噴霧角度、霧化程度、噴霧距離等的最優(yōu)匹配，提高降塵效率。

煤塵圖像的處理算法，采用有效的智能算法來(lái)對(duì)煤塵圖像進(jìn)行處理，為最終的煤塵測(cè)量打下良好的基礎(chǔ)。圖像處理算法包括圖像預(yù)處理、分割和識(shí)別算法，所有的處理算法必須同時(shí)滿足有效性和快速性，這樣才能保證對(duì)煤塵實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)。

3.2 綜采綜放工作面降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

3.2.1 綜采綜放工作面降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

(1)以主動(dòng)抑塵技術(shù)措施為主，被動(dòng)防塵為輔。

(2)對(duì)支架的工作循環(huán)過(guò)程形成全方位的防降塵系統(tǒng)。

(3)對(duì)采煤機(jī)割煤產(chǎn)生的粉塵實(shí)施立體式全覆蓋的防塵技術(shù)措施。

(4)對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)實(shí)施全封閉，并抽塵凈化。

(5)提高自動(dòng)化和智能化程度，盡可能減少人為操作防塵設(shè)施。

3.2.2 一般綜采和綜放工作面主要塵源點(diǎn)分析

(1)采煤機(jī)割煤產(chǎn)生的粉塵、割煤過(guò)程中煤炭垮落沖擊產(chǎn)生的粉塵，估計(jì)產(chǎn)塵濃度約1000mg/m3。

(2)支架降柱、移架產(chǎn)生的粉塵，產(chǎn)塵濃度約100mg/m3。

(3)放頂煤過(guò)程中煤炭垮落產(chǎn)生的沖擊粉塵。產(chǎn)塵濃度視煤的硬度和放煤高度而定，這部分粉塵通過(guò)設(shè)計(jì)合理的噴霧可以引向采空區(qū)，防止擴(kuò)散至人行道側(cè)。

(4)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)產(chǎn)塵，產(chǎn)塵濃度約100mg/m3。

3.2.3 綜放工作面綜合降塵系統(tǒng)

(1)供水系統(tǒng) 是工作面防塵系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，一方面要保障水質(zhì)要求，另一方面必須保證供水量和供水壓力的穩(wěn)定性。加壓泵站采用變頻控制技術(shù)并加裝自動(dòng)反沖洗水質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)，除去粒徑大于 100μm的懸浮物顆粒，泵站最大供水壓力16MPa。

(2)主動(dòng)抑塵措施 首先對(duì)工作面的煤層進(jìn)行煤層注水可注性鑒定，確定注水工藝和注水參數(shù)，并采用煤層注水監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煤層注水自動(dòng)化。該系統(tǒng)利用高壓流量壓力傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)各種注水參數(shù)，并具有動(dòng)靜壓自動(dòng)切換、遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)識(shí)別跑水等功能，可針對(duì)不同煤層地質(zhì)條件，采用合適的注水工藝，保證注水的效果。

采煤機(jī)機(jī)身工作面?zhèn)劝惭b有2組共32個(gè)外噴霧噴頭，其中16個(gè)噴頭傾斜向工作面頂板，16個(gè)噴頭垂直工作面煤壁。這2組噴嘴的作用有2個(gè):一是保障含塵氣流沿煤壁流動(dòng);二是捕集部分粉塵和濕潤(rùn)煤壁。

(3)采煤機(jī)噴霧降塵系統(tǒng) 采煤機(jī)割煤過(guò)程中必須采用外噴霧進(jìn)行割煤過(guò)程中的降塵。外噴霧分2個(gè)部分:一是在機(jī)身上固定的噴霧系統(tǒng)，該噴霧系統(tǒng)的主要作用是將含塵氣流引向煤壁，防止含塵氣流擴(kuò)散到人行道一側(cè)而危害作業(yè)人員，同時(shí)濕潤(rùn)煤體和捕集部分粉塵;二是跟蹤采煤機(jī)滾筒的高壓外噴霧降塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要作用是捕集已飛揚(yáng)起的粉塵。

在采煤機(jī)搖臂上安裝了可調(diào)節(jié)式伸縮臂外置噴霧降塵裝置，共安裝噴頭16個(gè)，主順側(cè)噴霧降塵裝置要比滾筒切割線長(zhǎng)出300mm，以便安裝在端頭的噴頭偏向工作面尾順側(cè)，控制含塵風(fēng)流沿工作面煤壁流動(dòng)，避免流向人行道。內(nèi)外噴霧系統(tǒng)用水量約為60m3/h。如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)綜合防塵效果

跟蹤采煤機(jī)滾筒的高壓外噴霧降塵系統(tǒng)如圖3所示，利用主頂梁前端水幕，噴頭4個(gè)，在采煤機(jī)割煤時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)3架、下風(fēng)側(cè)5架同時(shí)噴霧 (兩滾筒之間的支架?chē)婌F不開(kāi))。

圖3 跟蹤采煤機(jī)滾筒的高壓外噴霧降塵系統(tǒng)

采煤機(jī)塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)應(yīng)用于采煤工作面時(shí)，采煤機(jī)上安裝1個(gè)紅外發(fā)射器，每個(gè)支架的前立柱處安裝1個(gè)紅外接收器，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行至某一位置時(shí)，該位置對(duì)應(yīng)的接收器接收到信號(hào)后，其配接的控制箱負(fù)責(zé)將該接收器的位置信息，以廣播通訊方式發(fā)送給所有聯(lián)機(jī)的控制箱，按統(tǒng)一設(shè)定的程序和參數(shù)，由這些控制箱自行判斷是否打開(kāi)其控制的電磁閥，執(zhí)行噴霧降塵及延時(shí)功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)前、后滾筒及下風(fēng)流的定點(diǎn)跟蹤噴霧，減小粉塵產(chǎn)生量并消除采煤機(jī)下風(fēng)流粉塵污染。

(4)支架移架及放頂煤噴霧降塵系統(tǒng) 每個(gè)支架安裝了25個(gè)噴頭，共分4個(gè)單獨(dú)的回路，由電磁閥控制。其中:主頂梁前端水幕，噴頭4個(gè)，在采煤機(jī)割煤時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)3架、下風(fēng)側(cè)5架同時(shí)噴霧 (兩滾筒之間的支架?chē)婌F不開(kāi));主頂梁頂板噴霧，噴頭8個(gè)，移架時(shí)噴霧潤(rùn)濕支架上方煤巖體;支架采空側(cè)噴霧，噴頭6個(gè)，放頂煤時(shí)相鄰3架同時(shí)噴霧，防止后部粉塵進(jìn)入人行道;支架側(cè)護(hù)板噴霧，噴頭4個(gè)，移架時(shí)噴霧，減少漏煤矸的粉塵。為防止主頂梁和側(cè)護(hù)板噴霧水流向人行道，應(yīng)在側(cè)護(hù)板上設(shè)有引流槽。全部噴霧均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化噴霧。

(5)工作面轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)防塵系統(tǒng) 粉塵控制采用除塵風(fēng)機(jī)和噴霧系統(tǒng)相結(jié)合的方式。共安裝2臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭除塵風(fēng)機(jī)功率為11kW，破碎機(jī)除塵風(fēng)機(jī)功率為11kW;共安裝噴頭60個(gè)，其中破碎機(jī)安裝噴頭40個(gè)，轉(zhuǎn)載機(jī)安裝噴頭20個(gè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜采綜放工作面煤塵綜合治理技術(shù)和自動(dòng)化降塵系統(tǒng)還在開(kāi)發(fā)完善中。目前，該項(xiàng)創(chuàng)新研究和工程應(yīng)用，從理論角度討論煤塵圖像預(yù)處理、分割和識(shí)別算法;煤塵擴(kuò)散機(jī)理和水霧降塵機(jī)理;建立煤塵動(dòng)力學(xué)模型并實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬;建立考慮霧滴的兩相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型并實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬，理論分析用于指導(dǎo)實(shí)際開(kāi)采作業(yè)的防塵工作。從實(shí)踐角度借助于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析驗(yàn)證理論模型的正確性;利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)時(shí)再現(xiàn)采掘面煤塵產(chǎn)生與擴(kuò)散場(chǎng)景。開(kāi)發(fā)的新型綜采綜放工作面煤塵自動(dòng)化降塵系統(tǒng)，將突破現(xiàn)有降塵技術(shù)的瓶頸，為實(shí)現(xiàn)煤礦工作面清潔生產(chǎn)提供保障。

［1］王國(guó)法.放頂煤液壓支架與綜采放頂煤技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2010.

［2］Victor S.L＇vov，Anna Pomyalov.One－fluid description of turbulently flowing suspension［J］.Chaotic Dynamics，2002(3).

［3］Patankar NA，Joseph D D.Modeling and numerical simulation of Particulate flows by the Eulerian-Lagrangian approach［J］ . Int.J.Multiphase Flow，2001，27(10):1659－1684.

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［6］劉榮華.綜采工作面隔塵理論及應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2010.

［責(zé)任編輯:施紅霞］

Development of Dustfall and Clean Production Technology in Full-mechanized Mining and Caving Mining Face

WANG Guo-fa1，2，ZHANG Chong-hong3

(1.Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources Mining＆Environment Protection，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 3.Full-mechanized Equipment Management Center，Yanzhou Mining Group，Zoucheng 273500，China)

Current coal dust prevention status of full-mechanized mining and caving mining face in China was analyzed，and Australian coal dust control standard and mine dustfall and clean production status and technical character of American known 20 Miles Mine was introduced.Basic research of mine dustfall technology and clean production technology tendency was discussed and dustfall system design and development projection for full-mechanized mining and caving mining face was put forward.

full-mechanized mining and caving mining;dustfall in face;clean production;dustfall system

TD714.4

A

1006-6225(2012)04-0001-05

2012－04－09

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃)重大項(xiàng)目:煤炭智能化掘采技術(shù)與裝備 (一)(2012AA06A407)

王國(guó)法 (1960－)，男，山東文登人，研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)首席科學(xué)家，天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部開(kāi)采裝備技術(shù)研究所所長(zhǎng)，國(guó)家級(jí)有突出貢獻(xiàn)中青年專(zhuān)家，長(zhǎng)期從事煤礦開(kāi)采技術(shù)與裝備研究。