南岔礦大巷掘進面粉塵綜合治理研究

任志鵬

（國家煤及煤化工產品質量監(jiān)督檢驗中心，山西 太原030002）

0 引 言

通常煤礦井下大巷掘進面的粉塵濃度可達600 mg/m3，是井下粉塵最嚴重的區(qū)域之一[1]。井下大巷多采用錨噴支護，噴射混凝土后的粉塵主要為水泥塵，其中有約20%的呼吸性粉塵[2]，嚴重威脅工人的身體健康。目前國內大巷掘進面粉塵治理技術由于工藝復雜、投資高，應用效果較差，導致多數礦井大巷掘進面粉塵治理仍是以個體防護為主[3]。

南岔礦原大巷掘進面中粉塵濃度高達580 mg/m3，急需開展粉塵綜合治理技術研究。根據大巷掘進面粉塵特點，提出一套粉塵綜合治理方案，再進行井下現(xiàn)場試驗，驗證方案的合理性，對提高防塵效率降低粉塵危害有著重要的意義。

1 工程概況與粉塵特點

1.1 工程概況

南岔礦位于忻州寧武縣，生產能力1.2 Mt/a，主要開采2號和5號煤層，5號煤平均厚2.16 m，煤塵具有爆炸危險性。5號煤布置有3條開拓大巷，依次為軌道、膠帶、回風大巷。施工時布置大巷掘進面，先掘進膠帶巷。膠帶巷沿煤層底板布置，半圓拱斷面，掘寬4.2 m，掘高3.7 m，采用錨網噴支護，噴射厚度100 mm。

1.2 掘進面粉塵特點

井下膠帶巷掘進面進行噴漿作業(yè)時，主要是采用潮噴方式，人工上料噴射混凝土，工人靠手持噴嘴對巷道進行噴射料漿支護，噴射過程中產生大量的料漿粉塵，粉塵點相對分散，主要集中在以下區(qū)域。

（1）料漿裝料時，因頻率快且高度高而產生的揚塵。

（2）料漿攪拌時，因伴隨余氣在噴射機口和上料口產生的粉塵。

（4）因噴射新料漿與巷道上已附漿體的碰撞產生的粉塵。

經分析可知，上述4處粉塵中，前2處粉塵主要發(fā)生在噴射機設備附近，稱為設備生塵區(qū)域；后2處粉塵主要發(fā)生在噴嘴與巷道壁之間的區(qū)域，稱為工作生塵區(qū)域。

根據井下噴漿設備布置情況，噴射機設備布置在掘進面壁后方30～45 m位置，即設備生塵區(qū)域與工作生塵區(qū)域相距30～45 m。經測定，設備生塵區(qū)域粉塵濃度為380～580 mg/m3，工作生塵區(qū)域粉塵濃度為140～240 mg/m3，粉塵濃度較大。

2 粉塵治理方案

根據大巷掘進面粉塵特點，考慮設備生塵區(qū)域與工作生塵區(qū)域相距較遠，粉塵治理時可將其分為2個相互獨立的區(qū)域進行分別治理，將設2個區(qū)域進行粉塵綜合治理，技術方案如圖1所示。

圖1 掘進面粉塵綜合治理示意Fig.1 Integrated control of dust in heading face

（1）設備生塵區(qū)域。在噴射機的裝料系統(tǒng)中增加1部刮板機，利用刮板機降低裝料高度，減少因裝料高度產生的粉塵；再增設1個防塵罩，將噴射機周邊粉塵控制在較少范圍，最后再設置1臺除塵器，對噴射機周邊粉塵作抽塵凈化，以減小攪拌時余氣產生的粉塵影響。

（2）工作生塵區(qū)域。將原有的人工噴漿改為用機械自動噴漿裝置，利用遙控操作噴漿，讓工人遠離掘進面壁；同時自動噴漿裝置能設置噴角和噴距等參數，避免人為操控偏差，一定程度上可減少部分粉塵產生。再采用濕式除塵和渦流控塵2種技術治理區(qū)域粉塵，將除塵裝置安設在噴嘴下方的扒渣機上，可同時實現(xiàn)自動噴漿、扒渣和除塵。

3 設備生塵區(qū)域防塵技術

3.1 噴射機防塵結構與效果

（1）防塵結構。

巖溶區(qū)域樁基礎施工必須做到每根樁進行超前鉆勘探，以往通常做法是在樁位中心鉆一個探孔。因探孔所取土樣僅能體現(xiàn)鉆孔范圍內的地層情況，樁基其他位置的地質情況屬于盲區(qū)，很容易造成誤判。

為達到預期的防塵效果，在噴射機外側增設1個防塵罩將其包裹，并控制噴射機一側的余氣。防塵罩內部空隙與刮板機內部空隙之間形成一個大空腔；當設備運轉產生粉塵時，打開除塵器抽出氣流，在空腔內形成負壓，進而降低上料口的粉塵濃度[4]。

（2）防塵效率。

噴射機正常工作時余氣量約5 m3/min。為研究該防塵結構的效果，進行試驗，統(tǒng)計防塵罩附近的粉塵濃度，得出防塵效率與防塵結構抽風量的關系，如圖2所示。

圖2 防塵效率與抽風量關系Fig.2 Relationship between dust efficiency and exhaust volume

由圖2可以看出，當防塵結構抽風量低于7.5 m3/min時，效率顯線性遞增關系；當抽風量7.5 m3/min，效率達到一個相對高值99%，經測試此時的防塵結構風阻為1.2 kPa；當抽風量高于7.5 m3/min時，效率顯平緩趨勢。因此現(xiàn)場應用時，將防塵結構抽風量設置在7.5 m3/min左右較為合適。

3.2 噴射機防塵配套

考慮噴射機結構特征和井下掘進面地質條件，改造時噴射機防塵配套裝置要求應體積小、使用輕便且安全，同時能有效治理設備生塵區(qū)域粉塵。

（1）防塵裝置工作壓力。

由上述測試可知，抽風量7.5 m3/min時防塵結構的風阻為1.2 kPa，根據除塵器運行記錄得知除塵器最大風阻為1.4 kPa，即整個防塵裝置的進口總風阻為2.6 kPa。為研究防塵裝置不同工作壓力下進口風阻與抽風量的關系，進行試驗（圖3）。可以看出，當抽風量7.5 m3/min，防塵裝置進口風阻為2.6 kPa時，防塵裝置工作壓力為0.35 MPa。井下供氣標準要求壓力最大值為0.5 MPa，說明裝置壓力滿足要求。

圖3 進口風阻與抽風量關系Fig.3 Relationship between inlet resistance and pumping volume

（2）過濾網及其他。

當除塵器濕式作業(yè)時，防塵效率由過濾網孔徑和風速決定。為研究不同過濾網孔徑下防塵效率與風速的關系，進行試驗（圖4）。可以看出，在同一過濾網孔徑下，風速越大，防塵效率反而降低；當過濾網孔徑為250 um時，防塵效率最好。

圖4 防塵效率與風速關系Fig.4 Relationship between dust efficiency and wind speed

此外，根據工程實際經驗，噴射機防塵配套還需采用120°霧化角的螺旋噴嘴，其噴霧流量為20 L/min；在除塵器上應增設脫水擋板。

4 工作生塵區(qū)域防塵技術

4.1 區(qū)域防塵技術分析

通常井下綜掘面采用氣幕和渦流兩種防塵方式，文獻[5]研究表明，采用除塵器和渦流綜合防塵技術后[5]，綜合防塵效率可達95%～99%，滿足該礦大巷掘進面的防塵要求，因此工作生塵區(qū)域采用除塵器和渦流綜合防塵技術。

根據大巷掘進面現(xiàn)場實際和需風要求，防塵設備采用KCS230D濕式防爆除塵器，其綜合防塵效率為98.5%。前期使用時，為確保防塵效果和系統(tǒng)運行穩(wěn)定，將除塵器壓入和抽出風量設置為175 m3/min和160 m3/min，渦流除塵裝置單獨設置風機進行供風。

4.2 防塵技術參數

根據渦流除塵裝置的結構特征，以及井下大巷掘進面的現(xiàn)場實際情況，此次防塵技術參數研究主要為渦流裝置的出口風速、角度和氣流分布。

（1）出口風速。

為研究不同渦流裝置的出口風速下的綜合防塵效率，進行試驗（圖5）。可以看出，防塵效率隨著渦流裝置出口風速的增加而增加，由于風速過大會增加電機功率，因此最終將渦流裝置的出口風速確定為60 m/s，其防塵效率為94%。風速的大小還有出口的開口尺寸有關，該裝置風速60 m/s的開口尺寸為20×25 mm。

圖5 防塵效率與出口風速關系Fig.5 Relationship between dust control efficiency and exit wind speed

（2）出口角度。

為研究不同渦流裝置的出口角度下的綜合防塵效率，進行試驗（圖6）。

圖6 防塵效率與出口角度關系Fig.6 Relationship between dust efficiency and exit angle

可以看出，當出口角度小于30°時，防塵效率隨著角度的增加而增加；當出口角度介于30°～50°時，防塵效率不穩(wěn)定；當出口角度50°時，防塵效率基本處于最高值；當出口角度大于50°時，防塵效率隨著角度的增加反而降低。因此，最終將渦流裝置的出口角度確定為50°。

（3）出口氣流分布。

渦流裝置的出口氣流分布主要與渦流風筒距離迎頭的長度有關[6]，長度越大，氣流分布越穩(wěn)定，防塵效率就越好；但長度越大，風筒就越長，風阻越大，影響防塵效率。該裝置的原始長度為8 m，經測試其綜合防塵效率僅有90%，該值偏低，不滿足工程防塵要求。由于裝置原始長度不能調整，無法通過增加風筒距離迎頭的長度來提高防塵效率。增設1個引風槽，將渦流裝置的出口風速的最大值往除塵裝置側移動1 m，測試得出防塵效率為96%，滿足工程防塵要求。

5 現(xiàn)場試驗

根據改造后的掘進面粉塵綜合治理方案，選擇一段20 m長的大巷掘進面進行現(xiàn)場試驗。布置測點C1、C2、C3、C4進行采樣，測點C1位于扒渣機機頭，測點C2位于人工遙控旁，測點C3位于噴射機中部，測點C4位于上料口旁1m處。采樣器型號為AZF-2型，各個測點連續(xù)采集2次。原始方案和改造后綜合方案采集的粉塵濃度見表1。

表1 各測點粉塵濃度Table 1 Dust concentration at each measuring point

采用改造后的綜合方案，能大幅度降低粉塵濃度，其中人工遙控旁僅有9.1 mg/m3，噴射機中部和上料口旁1 m降低至3 mg/m3，這3處防塵效率均高于98%，滿足規(guī)程相關要求。

6 結 語

試驗取得一定的成功，改造后的綜合方案提高了防塵效率，證實了該綜合防塵技術方案的可行性和合理性。礦井后續(xù)大巷掘進面一直沿用該套技術方案，提高防塵效率的同時也降低了大巷掘進面的粉塵危害。

目前該技術方案已在井下其他采區(qū)掘進面防塵中推廣應用，防塵效果較好，后續(xù)可推廣應用至其他礦井類似條件掘進面防塵中，具有一定的工程應用價值。