掘進(jìn)工作面自動(dòng)泡沫抑塵技術(shù)研究應(yīng)用

李鵬杰

（潞安集團(tuán)李村煤礦，山西 長(zhǎng)治 047105）

1 概述

潞安集團(tuán)李村煤礦1305風(fēng)巷位于井田一采區(qū)，工作面北部為1307工作面，西面為一采區(qū)2#回風(fēng)下山，南面為1303工作面。巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1060m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.5×4.2m，巷道掘進(jìn)煤層為石炭系3#煤層，平均厚度為4.2m。施工巷道從一采區(qū)膠帶下山2+77.7m位置開(kāi)口以3°仰角上山掘進(jìn)施工。

1305風(fēng)巷在開(kāi)口120m范圍內(nèi)為半煤巖巷，巖石層主要以白砂巖為主，巖石普氏系數(shù)f＞4.0，硬度大。為了降低掘進(jìn)機(jī)故障率，巷道在開(kāi)口前120m范圍內(nèi)采用爆破施工工藝。截止目前巷道已掘進(jìn)560m。

由于1305風(fēng)巷掘進(jìn)煤層為石炭系煤層，煤層發(fā)育不穩(wěn)定，煤層平均密度為1.43g/cm3，掘進(jìn)期間煤塵揮發(fā)性大。經(jīng)檢測(cè)，巷道在半煤巖巷掘進(jìn)期間工作面經(jīng)降塵后粉塵濃度最高達(dá)870mg/m3，在全煤巷掘進(jìn)期間降塵后工作面粉塵濃度最高達(dá)224mg/m3。工作面采取降塵措施后降塵效果差，造成工作面平均能見(jiàn)度僅為10.5m，嚴(yán)重影響著工作面安全高效施工和職工健康。

2 工作面?zhèn)鹘y(tǒng)降塵措施及問(wèn)題分析

2.1 掘進(jìn)巷道傳統(tǒng)降塵措施

（1）工作面降塵措施。1305風(fēng)巷前期爆破掘進(jìn)期間，工作面安裝可移動(dòng)式擋矸噴霧降塵裝置，該裝置在爆破前人工移至距工作面5.0m處進(jìn)行噴霧降塵，爆破后降塵20min后移出工作面。1305風(fēng)巷掘進(jìn)至120m后工作面采用掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧及機(jī)載噴霧灑水裝置進(jìn)行聯(lián)合降塵。

（2）巷道內(nèi)降塵措施。1305風(fēng)巷在前期掘進(jìn)期間分別在距工作面、回風(fēng)口20m處以及巷道每隔200m安裝一道吊掛式防塵水幕，水幕主要由吊桿、四個(gè)高壓直式噴頭以及高壓水管組成。吊掛式水幕主要利用靜壓水壓力作用，使高壓水源經(jīng)噴頭形成細(xì)小顆粒水霧進(jìn)行捕塵。

2.2 主要存在的問(wèn)題

（1）自動(dòng)化水平低。吊掛式防塵水幕需人工進(jìn)行開(kāi)啟，自動(dòng)化水平低，巷道掘進(jìn)施工期間需指派專人沿巷道內(nèi)依次開(kāi)啟水幕，巷道掘進(jìn)完成后依次進(jìn)行關(guān)閉。隨著巷道延伸，吊掛式水幕數(shù)量增加，人工開(kāi)啟水幕勞動(dòng)強(qiáng)度加大。

（2）故障率高。巷道爆破期間采用可移動(dòng)式擋矸噴霧裝置進(jìn)行降塵時(shí)，受爆破震動(dòng)影響該裝置故障率高，經(jīng)常出現(xiàn)靜壓水管、噴頭損壞現(xiàn)象。在后期掘進(jìn)期間采用掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧和機(jī)載噴霧灑水裝置進(jìn)行降塵時(shí)，受煤塵影響，內(nèi)外噴霧灑水裝置高壓噴頭經(jīng)常出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，從而降低了降塵效果，增加降塵裝置維修成本費(fèi)用。

（3）加大了巷道積水量。吊掛式防塵水幕捕塵源主要為水源，1305風(fēng)巷吊掛的防塵水幕共布置四個(gè)，每道水幕灑水量為0.7m3/h，全天掘進(jìn)巷道水幕開(kāi)啟時(shí)間達(dá)8h，灑水量達(dá)5.6m3，造成巷道內(nèi)積水量大，影響巷道掘進(jìn)施工。

（4）造成機(jī)電設(shè)備故障。水源為導(dǎo)電介質(zhì)，由于掘進(jìn)巷道內(nèi)安裝機(jī)械設(shè)備數(shù)量較多，如隔爆開(kāi)關(guān)、電纜、輸送機(jī)等，采用噴霧灑水降塵時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備隔爆性能降低，設(shè)備漏電強(qiáng)度加大，不僅造成設(shè)備易損壞，而且很可能發(fā)生觸電事故。

（5）降塵效果差。吊掛式防塵水幕噴灑的水霧顆粒直徑在20～30μm之間，而工作面粉塵顆粒直徑在40～60μm之間，達(dá)到降塵效果時(shí)水霧顆粒與粉塵顆粒數(shù)比為1:2.3，降塵效果差。同時(shí)直式水霧在巷道回風(fēng)作用下集聚效果差，捕塵面積小，對(duì)高度在2.0m以下巷道內(nèi)懸浮粉塵降塵效果差。

3 自動(dòng)泡沫抑塵技術(shù)應(yīng)用

李村煤礦1305風(fēng)巷采用自動(dòng)泡沫抑塵技術(shù)主要是利用自動(dòng)泡沫抑塵裝置達(dá)到抑制粉塵飛揚(yáng)并降塵的目的。

3.1 MFD型自動(dòng)泡沫抑塵裝置結(jié)構(gòu)

（1）MFD型自動(dòng)泡沫抑塵裝置主要由螺旋式噴頭、泡沫產(chǎn)生器、除塵風(fēng)水管路、電控液閥、聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)、PLC控制柜以及粉塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

（2）1305風(fēng)巷安裝的泡沫抑塵裝置共有三個(gè)螺旋式噴頭，且呈高低邁步疊加式布置。1#、3#螺旋噴頭分別安裝在距頂板0.5m、距巷幫1.0m處，2#螺旋噴頭安裝在距頂板1.0m、距幫2.0m處，噴頭噴灑泡沫呈螺旋狀，單噴頭噴灑直徑為1.2m。

（3）電控液閥主要由手動(dòng)閥門、電控模塊、風(fēng)水管控制器等部分組成，電控液閥主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)水管自動(dòng)控制作用，若液閥電控模塊發(fā)生故障時(shí)可通過(guò)手動(dòng)閥門人工控制。

（4）聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)分別于電控液閥及PLC控制柜聯(lián)接，由PLC控制柜對(duì)聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電控液閥自動(dòng)開(kāi)、關(guān)的目的。

（5）粉塵監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控分站及三個(gè)粉塵濃度傳感器組成，通過(guò)監(jiān)控分站將傳感器動(dòng)作保護(hù)值設(shè)定，當(dāng)檢測(cè)粉塵濃度值K＞140mg/m3進(jìn)行動(dòng)作保護(hù)，當(dāng)K＜100mg/m3動(dòng)作保護(hù)關(guān)閉。

圖1 1305風(fēng)巷MFD型自動(dòng)泡沫抑塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 MFD型自動(dòng)泡沫抑塵裝置工作原理

（1）巷道掘進(jìn)期間裝置傳感器對(duì)巷道內(nèi)粉塵濃度及顆粒直徑進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)粉塵濃度達(dá)到140mg/m3時(shí)，傳感器將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控分站，經(jīng)監(jiān)控分站分析處理及時(shí)將信號(hào)傳遞至PLC控制柜。

（2）PLC控制柜接收信號(hào)后進(jìn)行處理并將開(kāi)啟指令傳遞至聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)，聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)接收指令后及時(shí)打開(kāi)電控液閥供電電源，電控液閥通電后經(jīng)電控模塊打開(kāi)風(fēng)水管路集控器。

（3）電控液閥打開(kāi)后泡沫產(chǎn)生器主機(jī)內(nèi)泡沫生產(chǎn)劑在風(fēng)水壓力作下快速產(chǎn)生高濃度泡沫，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)的粉塵濃度顆粒直徑通過(guò)主機(jī)調(diào)節(jié)作用可產(chǎn)生直徑在20～80μm范圍內(nèi)的泡沫顆粒。

（4）泡沫產(chǎn)生器產(chǎn)生高濃度泡沫經(jīng)分配器分配后在各個(gè)螺旋式噴頭噴出，對(duì)巷道進(jìn)行降塵。

（5）當(dāng)巷道內(nèi)粉塵濃度低于100mg/m3時(shí)傳感器監(jiān)測(cè)后將信號(hào)傳遞至PLC控制柜，經(jīng)信號(hào)處理后將“關(guān)閉”指令發(fā)送至聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)，聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)接收指令后及時(shí)關(guān)閉電控液閥電源，泡沫抑塵裝置停止工作。

4 實(shí)際應(yīng)用效果及優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1 實(shí)際應(yīng)用效果

1305風(fēng)巷掘進(jìn)至560m處開(kāi)始對(duì)巷道每隔300m安裝一道MFD型自動(dòng)泡沫抑塵裝置。通過(guò)三個(gè)月實(shí)際應(yīng)用并對(duì)巷道粉塵濃度監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，采用自動(dòng)泡沫抑塵裝置后巷道掘進(jìn)期間粉塵濃度得到了有效控制，平均濃度在92.4mg/m3以下，工作面能見(jiàn)度提高至39m，取得了顯著應(yīng)用成效。

4.2 優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化降塵。自動(dòng)泡沫抑塵裝置通過(guò)傳感器對(duì)巷道粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而自動(dòng)開(kāi)啟、關(guān)閉裝置，全程無(wú)需人工操作，提高了降塵自動(dòng)化水平，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）降低了機(jī)電事故率。自動(dòng)泡沫抑塵裝置噴出的抑塵源為高濃度泡沫且為非導(dǎo)電介質(zhì)，泡沫噴出5min后能夠快速凝固，對(duì)巷道內(nèi)機(jī)電設(shè)備隔爆安全性能不會(huì)產(chǎn)生影響。

（3）提高了巷道質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化。與傳統(tǒng)噴霧灑水裝置相比，自動(dòng)泡沫抑塵裝置有效解決了巷道積水量大等技術(shù)難題，大大提高了巷道施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化。

（4）降塵效果好。自動(dòng)泡沫抑塵裝置采用的是螺旋狀噴頭且邁步疊加布置，單噴頭降塵面積達(dá)2.0m2，降塵面積大。而且該裝置產(chǎn)生的高粘度泡沫與水霧相比粘著性強(qiáng)，并通過(guò)控制器自動(dòng)產(chǎn)生不同粒徑的泡沫顆粒，實(shí)現(xiàn)了降塵時(shí)泡沫顆粒與粉塵顆粒數(shù)比為1:1，大大提高了巷道降塵效果。

4.3 缺點(diǎn)

（1）自動(dòng)泡沫抑塵裝置每臺(tái)設(shè)備成本費(fèi)用達(dá)0.7萬(wàn)元，與傳統(tǒng)噴霧灑水裝置相比，增加了巷道掘進(jìn)成本費(fèi)用。

（2）定期需對(duì)每臺(tái)設(shè)備泡沫產(chǎn)生器里添加泡沫生成劑，與水源相比費(fèi)用相對(duì)較高。

（3）通過(guò)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，裝置中螺旋狀噴頭經(jīng)常出現(xiàn)粉塵堵塞現(xiàn)象，需定期進(jìn)行更換。