衛(wèi)強強

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

作為礦井五大自然災(zāi)害之一，煤塵的產(chǎn)生幾乎貫穿于煤炭開采的各個環(huán)節(jié)。近年來，隨著煤礦綜合機械化掘進和開采裝備的大面積推廣應(yīng)用，生產(chǎn)過程中的粉塵產(chǎn)生量大幅增加，粉塵濃度超標的問題日益嚴重。煤塵具有爆炸性，達到一定濃度時在高溫下容易發(fā)生爆炸，誘發(fā)瓦斯爆炸和火災(zāi)等，同時長期在高濃度煤塵環(huán)境下工作，會導(dǎo)致塵肺病的發(fā)生，嚴重危害煤礦工人的身體健康[1-3]。因此，進行井下煤塵治理和防爆研究，對創(chuàng)建安全、高效、綠色礦井具有重要意義。

1 工程概況

山西霍州煤電集團回坡底煤礦11-104 工作面所采煤層為11 號煤，11-1042 巷沿11 號煤層底板掘進，巷道地面標高為+926～+724 m，井下標高為+468～+486 m。11 號煤的平均厚度為3.2 m，平均傾角為3°，頂板依次為：泥巖，3.5 m，灰黑色，含少量黃鐵礦薄膜、植物化石碎屑，中夾0.3 m 煤線；粉砂巖，2.6 m，灰白色，致密，質(zhì)脆，含黃鐵礦及植物化石，夾薄泥巖；10 號煤，2.6 m，煤層穩(wěn)定，含硫高，易自燃，中部含0～1 層不穩(wěn)定夾矸；泥巖，2.3 m，深灰色，含薄膜狀黃鐵礦及植物化石，局部相變?yōu)槟噘|(zhì)粉砂巖。

11 號煤的普氏系數(shù)為0.9～1.1，節(jié)理裂隙發(fā)育程度高。煤塵自燃傾向等級為Ⅱ級，類別為自燃煤層，自然發(fā)火期為82 d，煤塵火焰長度＞400 mm，有煤塵爆炸性。

11-1042 巷的斷面尺寸為4800 mm×3200 mm（寬×高），采用錨網(wǎng)索支護。

2 噴霧降塵機理

2.1 掘進工作面煤塵來源

煤礦井下兩巷的掘進是工作面回采的先期工程，煤塵產(chǎn)生量僅次于工作面。與工作面相比，礦井掘進工作面數(shù)量多，掘進過程工序多，塵源的分布范圍廣，分散度高。巖巷掘進中還會產(chǎn)生大量的巖塵，是導(dǎo)致工人塵肺病的主要原因。

11-1042 巷采用綜掘機破煤掘進，按照綜掘工藝分析，煤塵的主要來源有幾個方面：

（1）切割煤壁

綜掘機截割頭對煤體產(chǎn)生的粉塵量是整個掘進工序中最大的，占比達80%以上。切割過程中，煤體受截齒擠壓作用的影響，發(fā)生彈性變形，當(dāng)截齒離開時，彈性變形恢復(fù)，在產(chǎn)生變形和恢復(fù)的過程中，煤體被破碎成塊，從而產(chǎn)生大量粉塵。同時，截齒的沖擊作用也促進了煤塵的產(chǎn)生，并且飛揚在巷道中。

（2）運輸轉(zhuǎn)載產(chǎn)塵

綜掘工作面出煤過程中煤炭要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)載，由于摩擦和振動的作用，進一步加大了煤塊的破碎，并且在運輸過程中極有可能使得靜態(tài)的沉積粉塵飛揚，增加了巷道中的煤塵濃度。

（3）進風(fēng)流帶入

根據(jù)測試，在不采取任何凈化措施的情況下，進風(fēng)流中的粉塵濃度可達5 mg/m3以上。如果風(fēng)速較大，含塵量可高達50 mg/m3以上。

2.2 噴霧降塵機理

噴霧能降低巷道中的粉塵濃度，主要是由于慣性、重力、靜電等多種力相互作用的結(jié)果，降塵機理如圖1[4-5]。

圖1 噴霧降塵機理

（1）慣性作用

較小的煤塵在運動過程中遇到霧滴會改變方向，而粒徑大的塵粒由于慣性作用，不能及時避開，保持原來的運動方向而與霧滴碰到一起，從而降低濃度。

（2）擴散效應(yīng)

部分粒徑較小的粉塵，在空氣中并非沿流線運動，而是呈現(xiàn)不規(guī)則的布朗運動的狀態(tài)。在霧滴附近，這些細小的塵?？赡芘c霧滴發(fā)生碰撞而停止飛揚。粒徑越小，碰撞的概率越大，擴散效應(yīng)越強。

3 綜掘面通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 通風(fēng)方式的確定

當(dāng)前綜掘工作面常用的通風(fēng)方式有單抽出式、長抽短壓、長壓短抽和長抽長壓式等，結(jié)合回坡底礦的實際情況，確定11-1042 巷采用長壓短抽式通風(fēng)。通過合理確定抽風(fēng)口和壓風(fēng)口的位置，在巷道中形成一個出風(fēng)、進風(fēng)的穩(wěn)定屏障。該屏障內(nèi)的風(fēng)流穩(wěn)定，煤塵具有一定的運動速度，在保證排出掘進頭煤塵的同時，減少了粉塵向風(fēng)筒后巷道的擴散。風(fēng)流運動如圖2。

圖2 長壓短抽式通風(fēng)的風(fēng)流狀態(tài)

3.2 風(fēng)量匹配

為防止壓入式通風(fēng)和抽出式通風(fēng)的共同作用范圍內(nèi)出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)，一般壓入式風(fēng)量為抽出式風(fēng)量的120%～130%。在實際應(yīng)用中，抽出式風(fēng)量一般不變，而壓入式風(fēng)量隨著距離掘進頭距離的增大而減少，為此，應(yīng)根據(jù)掘進頭的進尺前移壓入式風(fēng)筒的位置。

3.3 進、出風(fēng)口位置的確定

（1）壓入式出風(fēng)口位置

壓入式出風(fēng)口距離工作面迎頭距離大，則除塵效果差，距離小，則容易將粉塵帶入到巷道中。根據(jù)生產(chǎn)實踐，壓入式出風(fēng)口的距離按公式（1）計算：

代入計算可得，出風(fēng)口的距離小于19.6 m。在巷道掘進過程中應(yīng)根據(jù)進尺情況及時續(xù)接風(fēng)筒。

在實際生產(chǎn)中，綜掘工作面以上三個參數(shù)的變化范圍見表1。同時，保持壓入總風(fēng)量大于抽出式總風(fēng)量的20%以上，這樣，可以避免產(chǎn)生風(fēng)流循環(huán)，降塵效果最佳。

表1 掘進頭風(fēng)筒口關(guān)系

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 掘進設(shè)備布置

巷道掘進采用的EBZ200 綜掘機，所用壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒的直徑為500 mm。壓入式和抽出式風(fēng)機均采用對旋軸流式，主要參數(shù)見表2。

表2 兩風(fēng)機主要參數(shù)

為了防止掘進過程中的煤塵隨回風(fēng)流進入到回風(fēng)大巷中，必須將煤塵控制在掘進機前方，一般采用的是封閉掘進、全封閉除塵的方式。在掘進頭布置除塵器等設(shè)備，現(xiàn)場設(shè)備如圖3。

圖3 掘進頭設(shè)備布置

根據(jù)現(xiàn)場的實踐經(jīng)驗，一般在掘進作業(yè)中，巷道斷面中部的粉塵濃度最高，是防治的重點區(qū)域。為了方便移動作業(yè)，將抽出式通風(fēng)的進風(fēng)口安裝在綜掘機上，隨掘進機前移。吸風(fēng)口下端距離底板1200 mm，上段距離頂板1300 mm，距迎頭的距離不得大于2500 mm。

4.2 濕式振弦除塵器

研究表明，利用專用的設(shè)備除塵是降低掘進頭濃度的有效方式。近年來，濕式振弦除塵器作為強力除塵的有效設(shè)備，與傳統(tǒng)的機械除塵、過濾除塵相比，具有占地小、移動方便、對呼塵除塵效果好等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。在11-1042 巷采用KCS-225ZL 濕式振弦除塵器進行除塵，額定處理風(fēng)量為250 m3/min，額定呼塵除塵效率可達90%以上，總粉塵除塵效率高于99%。

4.3 應(yīng)用效果

在11-1042 巷掘進過程中，對粉塵濃度進行測試，測試結(jié)果見表3。

表3 除塵前后效果對比 （單位：mg/m3）

由表3 可知，采用綜合防塵措施后，迎頭和司機處的粉塵濃度有明顯降低，取得了較好的效果。

5 結(jié)論

（1）綜掘工作面粉塵主要來源于煤壁的切割、煤塊的轉(zhuǎn)載等，具有分布范圍廣、分散度高的特點，產(chǎn)生量僅次于綜采工作面。

（2）噴霧能降低巷道中煤塵的濃度，主要是慣性、重力、靜電、擴散等綜合作用的結(jié)果，其中起主要作用的是慣性和擴散作用。

（3）11-1042 巷通過采用長壓短抽式通風(fēng)、全封閉除塵和濕式振弦除塵器，迎頭和司機處的粉塵濃度有明顯降低，最大降幅達98%，取得了較好的效果。