綜掘工作面綜合降塵技術在葛泉礦的應用

白蘭永 王 寬 周福寶 劉應科

(1.冀中能源股份有限公司葛泉煤礦,河北省沙河市,054102;2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221008)

綜掘工作面綜合降塵技術在葛泉礦的應用

白蘭永1王 寬2周福寶2劉應科2

(1.冀中能源股份有限公司葛泉煤礦,河北省沙河市,054102;2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221008)

為了解決綜掘工作面的粉塵危害問題,在分析了多種單一降塵措施的不足之處的基礎上,提出了一套完整的、在空間和作用上均具有串、并聯結構,集防塵、降塵于一體的綜合降塵技術。該技術綜合運用了煤體注水防塵技術、柔性附壁風筒輔助降塵技術、高壓添加劑噴霧降塵技術以及除塵風機等,在葛泉礦11912運料巷綜掘工作面進行了實際應用,結果表明,無防、降塵措施掘進時,平均全塵濃度為631.2 mg/m3,應用綜合降塵技術后,掘進時平均全塵濃度降到51.41 m g/m3,降塵效率達91.85%。

綜掘工作面 粉塵 綜合降塵技術

礦塵是煤礦生產中的主要災害之一。礦塵中的煤塵在特定條件下會發生爆炸,易導致重特大事故的發生,給企業和國家帶來巨大的災難和損失;而且礦塵易造成塵肺病,給礦工的人身安全、健康帶來嚴重危害。近年來隨著掘進工作面機械化水平的提高,綜掘工作面的粉塵災害愈來愈嚴重。因此,有效控制和降低綜掘工作面的粉塵濃度,杜絕煤塵事故,對促進礦井安全生產、保障礦工健康具有重大意義。現有的降塵技術如煤體注水、噴霧降塵、除塵風機除塵等,雖然都起到了一定的降塵作用,但也都受自身因素影響,降塵效率不高。如煤體注水技術,由于潤濕效果受注水時間、注水孔數量及長度、鉆孔周邊的裂隙情況、煤體的親水性、煤體的透氣性以及封孔技術等諸多因素的影響,使得防塵效果較不穩定;采用噴霧除塵時,由于井下水壓及噴頭的霧化效果有限,降塵效果不佳,而且含塵的霧滴隨風流飄落、沉降在物體表面風干后,粉塵滯留在物體表面,易造成二次揚塵;采用除塵風機除塵,對呼吸性粉塵降塵效果較差,同時由于風機處理風量有限,當工作面風量偏大時,除塵效果不佳。所以,單純地采用一種降塵技術無法達到理想的降塵效果。為了有效地提高綜掘工作面的降塵率,中國礦業大學課題組針對綜掘工作面的產塵現狀,提出了綜合運用多種措施對綜掘工作面進行降塵的思路,在葛泉礦進行現場應用。

1 礦井概況

葛泉礦位于沙河市下解村附近,開采水平為-150 m,主采9#煤,設計生產能力為30萬t/a,礦井服務年限為22年,為低瓦斯礦井。目前葛泉礦東井現有兩個綜掘工作面,分別為11912軌道巷掘進工作面和11912運輸巷掘進工作面,均為全煤掘進工作面。由于該礦煤質堅硬,硬度系數可達2～4,機械化開采程度高,開采強度大。因此,兩綜掘工作面在無防塵措施生產時產塵量較大,平均全塵濃度達631.2 mg/m3,工作面10 m范圍內能見度不到2 m。為了防止綜掘工作面瓦斯超限,綜掘工作面風量偏大,導致粉塵運動速度較高,粉塵分散度較大,無法進行集中降塵。采用水噴霧、灑水降塵技術后,由于煤塵親水性差,降塵效果較差。為了有效地降低綜掘工作面的粉塵濃度,中國礦業大學課題組針對葛泉礦綜掘工作面的實際情況,提出了綜合降塵技術,該技術包括煤體注水、柔性附壁風筒等防塵措施和高壓添加劑噴霧、除塵風機等降塵措施。

2 綜合降塵技術

由于該礦煤塵疏水性較強,課題組首先采用了煤體注水技術預濕煤體。該技術是重要的防塵措施,注入的水分一方面可沿鉆孔周邊裂隙預先潤濕煤體內的原生煤塵,另一方面可通過虹吸現象有效地潤濕、包裹住鉆孔周邊煤體的各個細小部分。落煤后還可使煤體在裝載、運輸、提升到地面等過程中保持潤濕性。該技術具有一定的輔助防塵作用。

為了降低風筒末端出口風速,并借助風幕的阻隔作用滯留大量的粉塵,以利于高壓添加劑噴霧集中降塵,可在普通風筒前端添加一段柔性附壁風筒。該風筒結構簡單,安裝拆卸方便,可對風流進行自然導向和分配,使風流形成良好的附壁效應,具有良好的輔助降塵作用。柔性附壁風筒的添加沒有改變掘進工作面原有風量,但降低了附壁風筒末端出風口處的風速,減緩了掘進機掘進時產生的粉塵向巷道后方擴散的速度,使得大量的粉塵在掘進機司機前方滯留和積聚,為高壓添加劑噴霧有效地作用于粉塵贏得了充足的時間;同時使得從附壁風筒條狀導風管出來的風流沿巷道壁形成具有一定動能的螺旋狀風流,產生良好的附壁效應,抑制粉塵飛揚,見圖1(a)。為了增加空氣帷幕滯留粉塵的效果,又在掘進機尾部安裝了濕式除塵風機。當除塵風機與柔性附壁風筒同時使用時,柔性附壁風筒產生的螺旋狀風流就會在除塵風機吸風口抽吸作用下使自身的動能大大增加,可在掘進機司機工作區前方建立起一道可阻擋粉塵向外擴散的空氣帷幕,有效地滯留了掘進機工作時產生的粉塵,防止粉塵向外擴散。然后利用高壓添加劑噴霧降塵技術通過慣性碰撞、截留、擴散、重力效應、靜電效應和渦流凝結等捕塵形式對空氣帷幕粉塵滯留空間內的粉塵進行預凈化,同時通過除塵風機的集塵風筒插入空氣帷幕內,可將存有含塵霧滴和霧滴空隙間逃逸的粉塵的風流吸入除塵器中進行二次凈化,有效地避免了霧滴隨風流飄落到物體表面后因風干或巷道沖塵不及時而引起的二次揚塵。

至此,各個措施相輔相成、相互依托,就形成了一套完整的,在空間和作用上均具有串、并聯結構,集防塵、降塵于一體的綜合降塵系統,見圖1(b),可為井下掘進一線工人提供足夠清潔的空氣環境。

圖1 綜合降塵系統示意圖

3 現場應用

根據葛泉礦現場實際需要,試驗地點選在11912軌道巷綜掘工作面,巷道凈寬4.0 m,凈高3.5 m,凈斷面12.3 m2,屬于全煤掘進工作面。巷道每天掘進度在5 m左右,截止到2010年12月25日,該巷已掘進2600 m。掘進機采用EBZ160H懸臂式掘進機。采用壓入式通風,利用局部能風機向掘進工作面供風,通風機為軸流式通風機,功率2×30 kW,工作面采用直徑為600 mm的普通風筒,供風風量為470 m3/min左右。該綜合降塵技術采用KCS-145ZZ/225ZZ礦用濕式振弦除塵通風機和由中國礦業大學課題組自主研制的柔性附壁風筒、高壓添加劑噴霧除塵裝置以及礦用降塵液,在巷道內配備一個乳化液泵和一個容積為1.6 m3、內含過濾裝置的泵箱。試驗所需的添加劑(即礦用降塵液)定量加入到泵箱中,使泵箱內溶液的濃度達到煤層注水和高壓添加劑噴霧降塵所需的濃度需求,然后通過乳化液泵壓送到工作面。

根據11912軌道巷掘進工作面的現場實際情況,對綜合降塵技術中采用的各個措施進行了應用。

3.1 煤體注水

在11912軌道巷掘進工作面對煤體進行注水時,考慮到注水時間的長短及對綜掘工作面掘進度的影響,利用工作面的探前孔作為注水孔,見圖2,鉆孔終孔直徑為75 mm(用CSW 11-150型鉆機打孔),鉆孔長度達120 m左右。這樣既有足夠的時間讓工作面前端的煤體潤濕,減少煤塵的產生,又減少了工作量并節省了工作時間,不必額外打注水孔。在打長鉆孔時考慮到鉆桿的彎曲程度,鉆孔位置選在工作面中央自上而下2/5處,沿著煤層傾向往前打鉆。封孔方法采用添加了適量速凝劑、膨脹劑的水泥砂漿封孔,封孔深度為2～3 m。待水泥砂漿凝固、風干后,采用動壓注水的方式進行注水。為了增加煤體注水技術的防塵效果,水源直接采用高壓泵箱內添加了定量添加劑的高壓溶液,注水時壓力可達到4 M Pa,理論注水量為270 m3左右,進而由動壓注水流量可計算出注水時間需達到12 h以上。

3.2 柔性附壁風筒

為了使柔性附壁風筒的附壁效應得到良好的發揮,并有效地配合除塵風機進行降塵,根據巷道每天進尺、煤礦安全規程及實踐經驗,確定柔性附壁風筒的前端出風口距工作面煤壁4 m,所以在距離掘進工作面10 m處的風筒向掘進工作面方向再接一節6 m長的柔性附壁風筒,見圖2。

附壁風筒的尺寸為:(1)由于11912軌道巷現供風的普通風筒直徑為600 mm,為了使附壁風筒方便與普通風筒連接,所以附壁風筒的筒體后端添加0.5 m長的風筒變徑后端直徑也為600 mm;(2)在長度為5 m、直徑為500 mm的筒體上每隔500 mm安裝1排條形導風管,共安裝7排條形導風管;(3)筒體前端在添加一節0.5 m長的錐狀出風筒,錐狀出風筒的前端出風口直徑為300 mm。按普通風筒連接、懸掛,隨著工作面的推進只需在此附壁風筒后按日掘進度添加相同長度的普通風筒即可。

3.3 高壓添加劑噴霧

高壓添加劑噴霧裝置主要由乳化液泵、貯液泵箱、高壓膠管以及噴霧頭構成,見圖2。水源直接用泵箱中含有定量添加劑的高壓溶液,壓力在4～5 M Pa。由于泵內含有過濾裝置,有效地避免了霧化噴頭易堵塞的現象。高壓溶液經噴霧頭噴出后,溶液霧化效果好。噴霧頭安放在掘進機截割頭的上部及左右兩邊,對截割頭切割煤體時的產塵部位進行了有效地包裹,使霧滴就近、集中作用于截割處產生的粉塵,減少粉塵逸散量。

圖2 11912軌道巷綜掘工作面示意圖

3.4 除塵風機

根據巷道每天掘進度,為了使除塵風機與附壁風筒得到較好的配合,形成良好的附壁效應,除塵風機集塵風筒前端進風口與附壁風筒前端的垂距應保持在一定范圍內(0.5～5.5 m);同時,為了防止高壓添加劑噴霧未潤濕粉塵前被除塵風機收入,而使高壓添加劑噴霧的降塵效率降低,根據KCS-145ZZ/225ZZ除塵風機的使用參數及實踐經驗,除塵風機集塵風筒前端進風口距離高壓添加劑噴霧頭不應小于5 m,所以除塵風機安裝在掘進機機尾上,使集塵風筒前端進風口與附壁風筒前端出風口的垂距為5.5 m。為了增加濕式除塵風機的降塵效果,濕式除塵風機所用水源可采用泵箱內含有添加劑的水。

4 應用效果

經現場應用后,通過10月到12月期間對11912軌道巷掘進工作面掘進機機尾后4 m處的粉塵濃度的測定發現,應用煤體注水防塵技術后,掘進時平均全塵濃度為393.41 mg/m3,降塵效率可達37.67%;綜合應用煤體注水防塵技術和除塵風機后,掘進時平均全塵濃度為296.64 m g/m3,降塵效率可達57.28%;綜合應用煤體注水防塵技術、柔性附壁風筒輔助降塵技術和除塵風機后,掘進時平均全塵濃度為189.29 mg/m3,降塵效率可達70.01%;綜合應用煤體注水防塵技術、高壓添加劑噴霧降塵技術和附壁風筒輔助降塵技術后,掘進時平均全塵濃度為111.01 mg/m3,降塵效率可達82.41%;應用綜合降塵技術后,掘進時平均全塵濃度為51.41 mg/m3,降塵效率可達91.85%,見圖3。由圖3數據可看出,綜合降塵技術不僅降塵效果好,而且數據波動小,抗塵能力強,系統穩定性較好。對比前3種防塵、降塵方式可發現,綜合運用煤體注水防塵技術、柔性附壁風筒輔助防塵技術與除塵風機降塵效率比只用煤體注水防塵技術提高了近1倍。

圖3 各降塵技術及降塵技術組合的降塵效果對比

5 結語

綜合降塵技術在葛泉礦11912軌道巷掘進工作面現場應用后,有效地治理了掘進工作面粉塵災害,大大改善了工人作業環境。目前,該技術又在葛泉礦11912運輸巷掘進工作面進行了應用,也取得了理想的降塵效果。雖然該綜合降塵技術安裝、操作略微復雜,但降塵效果較理想,是一種有效的綜合降塵技術。因此,該技術具有一定的推廣前景,對礦井粉塵災害的防治具有重要的意義。

[1] 李滿.化學抑塵劑在抑制煤塵中的應用探討[J].中國煤炭,2007(8)

[2] 劉新河,劉波.煤層注水降塵效果探討[J].礦業安全與環保,2006(5)

[3] 王偉能,張弘弛,王春玲.噴霧降塵工藝治理煤塵的應用[J].能源環境保護,2007(3)

[4] 蔣仲安,金龍哲,陳立武等.掘進巷道粉塵控制技術的研究[J].中國安全科學學報,1999(1)

[5] 趙棟.礦井綜合防塵措施[J].礦業安全與環保,2003(6)

[6] 周福寶,張云峰,劉應科,張仁貴.一種柔性附壁風筒[P].中國,200920038791.1,2009

Application of in tegrated dust suppression technology to fully mechanized work face in Gequan Coal Mine

Bai Lanyong1,Wang Kuan2,Zhou Fubao2,Liu Yingke2
(1.Gequan Coal Mine,Jizhong Energy Resources Co.,Ltd.,Shahe,Hebei054102,China;2.Faculty of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

In order to solve the dust problem on the fully mechanized work face,an integrated dust suppression technology,with the com bination of dust prevention and dust dropping,was proposed after analyzing many sho rtages of sole dust-dropping measure,which is in the structures of series and parallel connection in the space and in the functions.Combined w ith water injection dust control technique,auxiliary dust-dropping technique by flexible wall attaching chimneys,high pressure additive spraying for dust control and dedusting fan,the integrated dust supp ression technology was applied to No.11912 fully mechanized work face in supply roadway of Gequan Coal Mine.The results showed that the average concentration of total coal dust decreased from 631.2 m g/m3to 51.41 mg/m3during evacuating after integrated dust suppression,with the dustdropping efficiency of 91.85%.

fully mechanized work face,dust,integrated dust suppression technology

TD714

B

白蘭永(1965-),男,河北石家莊人,高級工程師,現任冀中能源股份有限公司葛泉礦總工程師。

(責任編輯 梁子榮)