煤礦采掘工作面綜合防塵技術(shù)研究與應(yīng)用

韓長海 褚 鵬 于衍達(dá)

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 齊河 251100）

1 概 況

邱集煤礦現(xiàn)有礦井防塵技術(shù)無法有效控制現(xiàn)場(chǎng)的高濃度粉塵，存在一些不足：采煤工作面內(nèi)液壓支架噴嘴與噴霧參數(shù)選擇不合理，導(dǎo)致霧化效果差，未形成全斷面霧場(chǎng)；工作面截割、移架產(chǎn)生的粉塵濃度較高，人行道內(nèi)粉塵易積聚且現(xiàn)有的防塵技術(shù)效果不理想，嚴(yán)重危害采煤機(jī)司機(jī)等工作人員健康；掘進(jìn)工作面難以有效控制掘進(jìn)機(jī)截割產(chǎn)生的高濃度粉塵，局部通風(fēng)機(jī)壓入的風(fēng)流導(dǎo)致粉塵運(yùn)移混亂，由于抽風(fēng)負(fù)壓的作用范圍較小，單獨(dú)依靠抽塵凈化裝置控塵效果較差。

在不采用任何防塵措施的情況下，綜采工作面產(chǎn)塵占井下產(chǎn)塵總量的80%以上，工作面作業(yè)點(diǎn)瞬時(shí)原始總粉塵濃度可高達(dá)1800mg/m3以上，移架工序個(gè)別時(shí)刻高達(dá)1300mg/m3左右。粉塵嚴(yán)重超標(biāo)，不僅污染環(huán)境，而且危害作業(yè)人員身心健康，大大增加了現(xiàn)場(chǎng)工人患?jí)m肺病的概率。邱集煤礦現(xiàn)開采煤層為7、11層，其煤層煤塵爆炸指數(shù)均大于35%，具有爆炸危險(xiǎn)性，屬于礦井重大安全隱患。

2 工作原理

2.1 全斷面高效捕塵

本文中塵霧耦合的概念是指在礦井采掘生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，相對(duì)封閉的噴霧場(chǎng)中的霧滴與飛揚(yáng)的固態(tài)塵粒的惰性凝結(jié)，會(huì)在一定程度上抑制塵粒的表面張力，進(jìn)而濕潤飛揚(yáng)的塵粒，增加其自重使之沉降。

噴嘴由噴管內(nèi)向外噴霧時(shí)，當(dāng)水霧的擴(kuò)散直徑不小于噴管內(nèi)徑時(shí)，便形成了噴霧活塞，前方的空氣被源源不斷的水霧推出去，后部形成真空，從而在噴口處形成負(fù)壓，使含塵氣流經(jīng)吸氣部分進(jìn)入氣流引射裝置的噴管內(nèi)。在噴管內(nèi)，吸入的粉塵受到水霧的反復(fù)撞擊、碰撞，被強(qiáng)迫與霧滴凝結(jié)，噴出管子后，失去了在空氣中的懸浮能力，很快沉降下來。同時(shí)，被凈化的空氣與水霧組成的混合物繼續(xù)由噴管以較高速度噴出，在噴出端形成負(fù)壓場(chǎng)，卷吸周圍的含塵氣流進(jìn)入噴霧場(chǎng)，氣流中的粉塵得到進(jìn)一步的凈化，從而實(shí)現(xiàn)二次降塵。如圖1所示。

圖1 機(jī)理示意圖

2.2 優(yōu)選噴嘴高效霧化

噴嘴作為噴霧降塵裝置的最基本元件，其霧化能力（霧流形狀和霧粒大小）直接決定了噴霧降塵的效果。因此，課題組收集國內(nèi)外典型礦用霧化噴嘴，并精選適于綜放工作面的高效噴霧降塵用噴嘴，在礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，采用基于PDI200MD激光相位多普勒干涉儀的風(fēng)流-霧滴-粉塵三相介質(zhì)耦合沉降仿真實(shí)驗(yàn)裝置開展高效霧化噴嘴性能測(cè)定試驗(yàn)，測(cè)得噴霧場(chǎng)的范圍、霧滴的粒度、速度、濃度等數(shù)據(jù)，優(yōu)選出適合邱集煤礦綜采工作面不同位置的高效降塵用霧化噴嘴并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試確定合理的噴霧角度、壓力等參數(shù)，達(dá)到粒度-速度-濃度多因素塵霧耦合進(jìn)而形成全斷面霧場(chǎng)。

2.3 綜采工作面專用的負(fù)壓引射除塵技術(shù)

根據(jù)綜采工作面主要工序割煤和移架的產(chǎn)塵量及產(chǎn)塵特點(diǎn)研發(fā)出適應(yīng)綜采工作面專用的負(fù)壓引射除塵技術(shù)，其中噴霧作為負(fù)壓引射除塵技術(shù)中的關(guān)鍵所在。根據(jù)粒度-速度-濃度塵霧耦合機(jī)理，通過噴霧性能測(cè)試試驗(yàn)合理設(shè)計(jì)噴嘴安設(shè)位置、角度、數(shù)量等，既考慮能得出最優(yōu)降塵效果，形成覆蓋煤壁到液壓支柱間全斷面空間的噴霧場(chǎng)以及包裹采煤機(jī)滾筒的噴霧場(chǎng)，又最大限度節(jié)約水量。如圖2所示。

基于綜掘工作面的風(fēng)流-粉塵數(shù)值模擬運(yùn)移規(guī)律，以及風(fēng)幕封閉式控塵技術(shù)的數(shù)值模擬，并依據(jù)密閉除塵理論推知，假設(shè)將綜掘工作面視為一個(gè)相對(duì)密閉的空間，將其空間內(nèi)產(chǎn)生的粉塵通過抽出式除塵風(fēng)機(jī)抽出，因而能有效地將掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的粉塵很大程度地捕捉沉降。

圖2 架間負(fù)壓引射除塵技術(shù)示意圖

2.4 綜掘工作面風(fēng)幕封閉式控塵技術(shù)及裝備研發(fā)

綜掘工作面利用風(fēng)幕封閉式控塵技術(shù)和附壁新型輕質(zhì)風(fēng)筒形成旋流風(fēng)幕，從而有效控制截割頭產(chǎn)塵向外擴(kuò)散。附壁新型輕質(zhì)風(fēng)筒設(shè)計(jì)在距掘進(jìn)頭10～60m范圍內(nèi)，可形成有效控塵截割頭產(chǎn)塵向外擴(kuò)散的空氣幕，每5～6d移動(dòng)1次風(fēng)筒。圖3為附壁新型輕質(zhì)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 附壁新型輕質(zhì)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)示意圖

在綜掘工作面壓抽混合通風(fēng)除塵方式中，通過附壁新型輕質(zhì)風(fēng)筒直吹工作面的軸向風(fēng)流或全部轉(zhuǎn)為吹向巷道周壁的多徑向方向出風(fēng)，在巷道內(nèi)形成多向旋流風(fēng)幕，工作面風(fēng)流受負(fù)壓作用被風(fēng)筒抽出，多向旋流風(fēng)幕連續(xù)向工作面軸向流動(dòng)，互相影響內(nèi)部旋流風(fēng)流場(chǎng)，在更短的距離內(nèi)，將其快速轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂品蹓m污染效果更好、速度更快的控塵風(fēng)流場(chǎng)，抑制工作面粉塵飛揚(yáng)，有效地阻隔塵向人員施工區(qū)域擴(kuò)散。

圖4 擬研發(fā)的風(fēng)幕封閉式控塵技術(shù)示意圖

圖4為擬提出的綜掘工作面旋流風(fēng)幕封閉式控塵技術(shù)示意圖。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝位置將會(huì)在針對(duì)綜掘工作面的數(shù)值模擬后，在控塵最有效的位置進(jìn)行安裝。

通過研發(fā)綜掘工作面風(fēng)幕封閉式控塵技術(shù)及形成旋流風(fēng)幕的附壁新型輕質(zhì)風(fēng)筒，建立適于綜掘工作面風(fēng)幕封閉式控塵技術(shù)體系，控制截割頭產(chǎn)塵向外擴(kuò)散的風(fēng)幕，有效控制現(xiàn)場(chǎng)高濃度粉塵。

3 效益分析

該綜合技術(shù)工藝已在本礦井采掘工作面全面使用，通過在采掘工作面布點(diǎn)檢測(cè)，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的平均降塵率為63.6%，呼塵平均降塵率為72.5%，工作環(huán)境得到了很大程度的改善，有效減少作業(yè)區(qū)域粉塵飛揚(yáng)對(duì)作業(yè)職工造成的身體傷害，同時(shí)也給企業(yè)降低因職工過量吸入煤（巖）塵產(chǎn)生的醫(yī)療費(fèi)用和賠償，更有效地降低了采掘工作面煤塵爆炸的可能性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工安全起到有力保障。

4 結(jié)論

該項(xiàng)礦井綜合防塵技術(shù)的研究成果在邱集煤礦的成功應(yīng)用，為開采7號(hào)煤層和11號(hào)煤層及相鄰礦井企業(yè)的粉塵防治提供了工藝方法和技術(shù)方案，并給具有煤塵爆炸隱患的在生產(chǎn)礦井提供了借鑒，為礦井降塵措施的實(shí)施、優(yōu)化以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐提供參考依據(jù)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。