王文寬

(中國中煤能源集團有限公司,北京 100120;中煤大同能源有限責任公司,山西 大同 037000)

礦井防塵智能化技術(shù)研究是礦井智能化建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]，其目的在于實現(xiàn)對礦井防塵裝備運行狀態(tài)和效果的監(jiān)測監(jiān)控,根據(jù)防塵效果的實際情況,自動調(diào)整防塵裝備的運行狀態(tài),使之能與生產(chǎn)系統(tǒng)和其他安全系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動,達到實時高效降塵的目的。

根據(jù)某煤礦井下的生產(chǎn)技術(shù)條件和粉塵危害現(xiàn)狀、粉塵的物化特性及產(chǎn)塵特點等，制定粉塵綜合防控技術(shù)方案。在對煤礦井下各塵源點粉塵的擴散規(guī)律、粉塵濃度及粉塵粒度分布測試、煤層注水可注性鑒定、粉塵濃度與爆炸強度的關(guān)系等課題進行研究的基礎(chǔ)上,有針對性地開展煤礦井下各塵源點粉塵的綜合防控技術(shù)研究[4],開發(fā)出可靠性高、反應快速的煤礦粉塵監(jiān)測系統(tǒng),提交一批以呼吸性粉塵治理為主的關(guān)鍵技術(shù)成果和裝備[5-7],構(gòu)建該煤礦標準化綜合防塵系統(tǒng)和煤礦粉塵危害遠程監(jiān)控平臺,使煤礦井下各塵源點的總粉塵濃度降低95%以上,呼吸性粉塵濃度降低85%以上,實現(xiàn)煤礦井下粉塵濃度的遠程監(jiān)測和粉塵治理設(shè)備的遠程監(jiān)控,形成一套煤礦粉塵危害控制的管理制度和標準體系。

1 設(shè)計原則與建設(shè)內(nèi)容

1.1 設(shè)計原則

按照高起點、高標準、分階段、分步驟解決問題的指導思想進行。堅持“安全第一、預防為主、綜合治理”方針,從科學和可持續(xù)發(fā)展的高度,貫徹落實國家關(guān)于煤礦職業(yè)危害防治工作的方針、政策、法規(guī)和標準,著力構(gòu)建礦井管理到位、治理達標的綜合治理工作體系[8-12],把粉塵職業(yè)危害防治意識在企業(yè)職工中牢固地樹立起來。在治理措施上堅持以下原則:

1)以主動抑塵技術(shù)措施為主,被動防塵為輔。

2)自動化程度高,最終實現(xiàn)礦井綜合粉塵防治智能化。

1.2 示范礦井建設(shè)內(nèi)容

把握井下粉塵的基本性質(zhì),合理進行方案設(shè)計，如表1所示。

表1 基礎(chǔ)試驗研究明細表

通過調(diào)研該煤礦的基本概況,完成各塵源點的粉塵濃度測定、粉塵基本性質(zhì)測定及煤層注水的基礎(chǔ)試驗研究,找出礦井生產(chǎn)過程中各塵源點產(chǎn)塵特性和采掘工作面粉塵擴散規(guī)律及沿程沉降規(guī)律。在此基礎(chǔ)上確定合理的防塵技術(shù)方案,為粉塵綜合治理提供基礎(chǔ)保障。

2 建立完善的粉塵綜合防治系統(tǒng)

2.1 綜采工作面綜合防塵系統(tǒng)的建立

2.1.1通過理論分析和試驗研究確定適合該礦的煤層注水工藝,建立自動監(jiān)控的煤層注水系統(tǒng)

根據(jù)地質(zhì)資料查得,該礦2號煤層原煤含水量低,原煤水分為1.01%～2.58%,平均1.61%,煤層普氏系數(shù)2～3,煤層硬度大,煤層孔隙率、煤層吸水率沒有進行相應試驗測定。

按照現(xiàn)行煤層注水設(shè)計,注水時間為鉆孔開始注水至煤體全面濕潤為止,注水煤體全面濕潤的標志為濕潤范圍內(nèi)煤壁出現(xiàn)均勻的“出汗”滲水。注水時間通常為7～10 d。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煤層注水10 d后,煤壁并沒有出現(xiàn)出汗的現(xiàn)象。由于該礦煤層硬度大,采用的低壓煤層注水方法,無法有效地對煤體進行充分濕潤,起不到應有的防塵作用。針對2號煤層的具體情況需要進行煤層高壓注水試驗,初步計劃利用水力壓裂技術(shù),通過該技術(shù)提高煤層的透氣性,將注水壓力提高到20 MPa左右進行試驗。由于注水壓力的提高,如果封孔不牢造成跑水則會嚴重影響注水的效果,因此原有封孔工藝也需要改進優(yōu)化。最終還是需要通過試驗確定適合該礦的煤層注水方法與工藝。

為方便研究，引進了自動監(jiān)控的煤層注水系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由壓力傳感器、流量傳感器、注水裝置控制箱、電磁閥、封孔器、分流器、高壓注水泵等組成,可同時實現(xiàn)4路流量和壓力的在線監(jiān)測,可與安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用。具有瞬時流量、瞬時壓力、累計流量、累計時間的測量功能,能自動記錄和保存,并可隨時查閱。同時，能監(jiān)測注水過程中“跑水”現(xiàn)象,及時切斷該路水源。根據(jù)現(xiàn)場實際條件設(shè)定動壓注水時間與靜壓注水時間,并能自動切換、能對水箱水位和注水水壓進行監(jiān)測,當水箱缺水或水壓超高時,系統(tǒng)自動控制水泵停止運行保護，水泵。具有參數(shù)斷電保護功能,斷電后恢復供電,仍按原存儲的參數(shù)進行工作。具有通信接口,進行系統(tǒng)遠程監(jiān)測和遠程控制。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 自動監(jiān)控煤層注水系統(tǒng)圖

2.1.2采煤機割煤過程中含塵氣流控制除塵裝置及采煤機割煤自動跟蹤高壓噴霧降塵系統(tǒng)

采煤機割煤時產(chǎn)塵量大、呼吸性粉塵濃度較高、煤體垮落沖擊產(chǎn)塵及落煤揚塵極其嚴重,采用任何單一的技術(shù)手段都難以有效治理采煤機割煤時的粉塵污染,只有采取綜合防塵措施才能解決采煤機割煤時的粉塵問題。

目前該礦采煤機內(nèi)外噴霧均能正常使用,但是外噴霧采用采煤機冷卻水,水壓低,射程短,霧化效果差,除塵效果不理想。架間噴霧采用手動壓風噴霧降塵設(shè)施,壓風噴霧霧化效果好,但是由于壓力低,抗風干擾能力差,工作面風速為約為1.5 m/s,壓氣噴霧根本無法到達采煤機滾筒就被工作面風流吹向下風側(cè)方向,擴散到人行道,不但影響工人作業(yè)視線,而且打濕工人衣服,惡化工人工作條件。此外,手動支架噴霧操作,加大工人工作量。

鑒于以上原因,在采煤機上風流通過順風高壓噴霧形成的控塵霧屏對風流引射和控制,迫使含塵氣流緊靠煤壁運動,避免渦流產(chǎn)生,把含塵氣流控制在截割電機溜槽與煤壁之間較小的區(qū)域,避免含塵氣流污染采煤司機的工作空間和向人行道空間擴散,提高降塵效率。同時在采煤工作面利用采煤機二次負壓噴霧降塵技術(shù)形成的噴霧對滾筒的中下部進行噴霧降塵，利用采煤機塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)從支架上噴霧在滾筒周圍形成強大、厚實的水霧包圍圈,使采煤機滾筒處于三維“立體”噴霧包圍中,使粉塵有效濕潤和就地沉降,消滅滾筒處產(chǎn)生的粉塵；并通過不同的噴霧組合,對沿人行道和煤壁之間較小區(qū)域運動的含塵氣流進行高效噴霧降塵,使含塵氣流得到有效凈化。其中塵源跟蹤系統(tǒng)按照135架支架容量考慮配備。圖2是采煤機塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)圖。

圖2 采煤機塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)組成示意圖

2.1.3建立液壓支架降柱、移架聯(lián)動高壓噴霧降塵系統(tǒng)

該支架、降架、移架的過程中,會產(chǎn)生大量的粉塵,如果不對該部分粉塵進行防治,降架、移架過程中產(chǎn)生的粉塵會被工作面的風流吹揚,擴散到人行道,污染工作面作業(yè)環(huán)境。因此在采煤工作面液壓支架上安裝液壓支架降柱、移架聯(lián)動高壓噴霧降塵系統(tǒng)。按照現(xiàn)在采煤面135架支架容量考慮配備該系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 液壓支架自動控制噴霧降塵系統(tǒng)示意圖

2.1.4采用轉(zhuǎn)載點、破碎機密閉噴霧降塵及抽塵凈化系統(tǒng)對煤炭運輸轉(zhuǎn)載和破碎時產(chǎn)生的粉塵實施控制

系統(tǒng)布置示意圖見圖4,除塵器選用礦用濕式過濾旋流除塵器。該除塵器利用軸流風機串聯(lián)風壓疊加的原理,在一臺電動機上設(shè)置了前、后共兩級葉輪,減小了除塵器的體積。除塵器主要由過濾除塵段、配套風機、旋流脫水段等三部分組成。除塵器的開停與破碎機開?？刂崎_關(guān)聯(lián)動。

圖4 破碎機密閉抽塵、除塵系統(tǒng)布置示意圖

2.1.5進、回風風流粉塵濃度超限自動噴霧降塵系統(tǒng)和粉塵濃度連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的建立

該系統(tǒng)用粉塵濃度傳感器感應風流中的粉塵濃度,當粉塵濃度超過事前設(shè)定的濃度值時,自動打開凈化水幕。在有人通過時可以感應到人體輻射的紅外線,關(guān)閉水幕,延時一定時間后自動打開水幕,實現(xiàn)風流凈化。當粉塵濃度低于設(shè)定的濃度值時,自動關(guān)閉凈化水幕。系統(tǒng)組成如圖5所示,可實現(xiàn)粉塵濃度超限自動噴霧功能,測得的粉塵濃度值實時顯示。裝置可以單獨自成系統(tǒng)使用,也可與礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用,實現(xiàn)粉塵濃度在線監(jiān)測[13]。

圖5 粉塵濃度超限自動噴霧降塵系統(tǒng)組成示意圖

兩巷在距工作面煤壁50 m處,距皮帶頭50 m處及回風順槽距回風口50 m處各安裝一道固定水幕,但是該水幕為手動控制,水幕的開關(guān)受人為影響比較大。并且目前回風巷沒有安裝粉塵濃度傳感器進行粉塵濃度連續(xù)監(jiān)測。根據(jù)這種情況可在進、回風巷各安裝粉塵濃度超限自動噴霧降塵系統(tǒng)一套。

2.2 綜掘工作面綜合防塵系統(tǒng)的建立

2.2.1掘進面迎頭分段式快速注水系統(tǒng)

通過對國內(nèi)外技術(shù)的對比分析,結(jié)合該礦煤層特點,在掘進工作面采用“三壓帶”分段式注水技術(shù)對綜掘面進行煤層注水。掘進面“三壓帶”分段式注水技術(shù)是利用分段膨脹式注水封孔器分別在同一鉆孔內(nèi),向煤體前方的卸壓帶、集中應力帶及原始應力帶影響的范圍內(nèi)進行封孔并注水。由于第一段、第二段封孔器封孔注水后,煤體前方“三壓帶”影響范圍前移,在原集中應力帶及原始應力帶影響范圍內(nèi)形成新的卸壓帶,從而使“三壓帶”的封孔注水,實際變?yōu)樵谌齻€“卸壓帶”影響范圍內(nèi)的封孔注水;卸壓帶影響范圍內(nèi)的煤體裂隙較發(fā)育且張量不大,為煤體注水提供“注水通道”。在“壓力滲流”“自然滲流”的共同作用下,使沿鉆孔整個深度范圍內(nèi)的煤體得到較充分、均勻的預濕潤,有效降低掘進時粉塵的產(chǎn)生，如圖6所示。煤層注水具體參數(shù)需要在煤層性質(zhì)分析和現(xiàn)場試驗后方能確定。

圖6 掘進面“三壓帶”分段封孔注水示意圖

2.2.2渦流供風控塵與除塵器抽塵凈化系統(tǒng)

在綜掘工作面安裝渦流供風控塵與除塵器抽塵凈化系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)管理、維護較簡單,通風費用低,并能有效排除瓦斯的積聚和滯留的粉塵,可實現(xiàn)粉塵的就地凈化,在國外應用廣泛。系統(tǒng)主要由除塵器、吸塵罩、控塵裝置、負壓風筒以及連接管路等組成,如圖7所示。

圖7 掘進面通風除塵系統(tǒng)效果圖

2.2.3掘進機高壓外噴霧降塵系統(tǒng)

掘進機內(nèi)外噴霧會存在由于噴嘴堵塞和系統(tǒng)密封漏水等原因不能正常使用的情況。掘進機在破煤掘進的過程是掘進工作面的主要的產(chǎn)塵源,如果掘進內(nèi)外噴霧不能正常使用,無法在第一時間在產(chǎn)塵源處將粉塵降下來,粉塵會在風流的作用下迅速擴散到整個工作面迎頭,這時再對粉塵進行治理難度會大大的提高。在綜掘工作面安裝掘進機高壓外噴霧降塵系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由高壓噴霧泵站、高壓精密水質(zhì)過濾器、高壓管路和高壓噴霧降塵器組成,圖8為掘進機高壓外噴霧降塵系統(tǒng)示意圖。

圖8 高壓外噴霧引射降塵系統(tǒng)

采煤機高壓外噴霧系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)為：噴霧壓力≥8 MPa，噴霧流量20～30 L/min。

2.2.4巷道風流粉塵濃度自動監(jiān)控系統(tǒng)

目前在回風順槽掘進面迎頭向外30 m范圍內(nèi)設(shè)置兩道手動風流凈化水幕,水幕的開關(guān)受人為影響比較大。并且目前回風巷沒有安裝粉塵濃度傳感器進行粉塵濃度連續(xù)監(jiān)測。此種情況下在回風巷安裝粉塵濃度超限自動噴霧降塵系統(tǒng)一套。系統(tǒng)組成與采煤工作面粉塵濃度超限自動噴霧降塵系統(tǒng)一致，如表2所示。

表2 單個綜掘工作面防塵系統(tǒng)及設(shè)備明細表

2.3 錨噴工作面綜合防塵系統(tǒng)的建立

錨噴作業(yè)采用人工拌料、加填水泥、手扶式噴漿,作業(yè)強度大效率低,且具有一定的安全隱患[8-10],更重要的是操作過程中粉塵產(chǎn)生量大,嚴重危害職工的身體健康,是基建礦井最大的塵源點之一。為了有效治理錨噴面上下料過程中沖擊產(chǎn)塵、下料機構(gòu)漏排氣產(chǎn)塵、噴槍噴射產(chǎn)塵及回彈產(chǎn)塵等粉塵危害,制定了錨噴面防塵技術(shù)配套方案,系統(tǒng)組成示意圖如圖9所示。

圖9 錨噴面防塵總體方案系統(tǒng)組成示意圖

總體思路:采用新型噴漿機——除塵一體化裝置,優(yōu)化設(shè)計噴漿機結(jié)構(gòu)、提高密封板耐磨性、封閉漏排氣口進行集中凈化處理等,有效降低漏排產(chǎn)塵。通過在噴漿機旁一體設(shè)計輸送裝置及抽塵凈化裝置,有效降低上料高度,從而有效降低高上料帶的沖擊產(chǎn)塵問題,利用抽塵凈化裝置進一步對上、下料過程中沖擊產(chǎn)塵進行抽塵凈化處理。通過研究設(shè)計出低回彈新型噴槍,使錨噴熟料在噴槍內(nèi)被充分濕潤,從而有效降低噴槍噴射產(chǎn)塵及回彈產(chǎn)塵。

3 要素粉塵檢測實驗和管理

3.1 建立粉塵檢測實驗室

為提高礦井粉塵檢測能力,以便于動態(tài)跟蹤考察礦井防塵效果,指導防塵系統(tǒng)的優(yōu)化,同時滿足礦安全專篇要求,建立了礦井粉塵防治實驗室。粉塵實驗室的功能按照常規(guī)的煤塵工業(yè)分析、粉塵濃度測試、粉塵粒度分析、游離二氧化硅含量測定等，可以分成煤質(zhì)分析實驗室、粉塵物化性能實驗室、煤樣制備實驗室、煤塵爆炸性實驗室四個部分。

不同實驗室實現(xiàn)的功能如下:

1)煤質(zhì)分析實驗室。主要測定煤的水分、灰分、揮發(fā)份、固定碳(統(tǒng)稱為工業(yè)分析)及發(fā)熱量和全硫。

2)粉塵物化性能實驗室。主要測定粉塵的游離二氧化硅含量、粉塵粒度分布、粉塵相對真密度。

3)煤樣制備實驗室。主要是將需要進行測定的煤樣進行縮分、烘干、破碎,然后按照分析測試標準要求制備成相應粒度的分析樣品。

4)煤塵爆炸性實驗室。主要是對需要進行煤塵爆炸性鑒定的煤樣,進行煤塵爆炸性鑒定。

3.2 建立完善的粉塵治理、管理體系

礦井粉塵綜合治理是非常龐大的系統(tǒng)工程,需要人、財、物各方面相互配合。從示范礦井人才隊伍建設(shè)、管理體制建設(shè)、機構(gòu)健全、安全投入保障、技術(shù)合作等方面進行示范,圍繞規(guī)范技術(shù)管理行為、強化預防技術(shù)手段、提高技術(shù)隊伍素質(zhì)及技術(shù)保障能力等方面完成好粉塵治理示范工程的建設(shè)。

4 結(jié)論

1)工作面進、回風風流粉塵濃度超限自動噴霧降塵,使含塵氣流得到有效凈化,能夠使巷道煤壁保持濕潤狀態(tài),減小漂浮粉塵的再次飛揚。

2)機械化程度越高,產(chǎn)塵量越大,采用任何單一的技術(shù)手段都難以有效治理井下割煤時的粉塵污染,只有采取綜合防塵措施才能解決割煤時的粉塵問題。

3)多方位、多舉措、新舊并舉,以主動抑塵技術(shù)措施為主,被動防塵為輔,工作面產(chǎn)生的粉塵能做到有效凈化。