煤礦粉塵綜合防治體系構建探索

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研究是礦井智能化建設的關鍵技術之一[1-3]，其目的在于實現對礦井防塵裝備運行狀態和效果的監測監控,根據防塵效果的實際情況,自動調整防塵裝備的運行狀態,使之能與生產系統和其他安全系統實現聯動,達到實時高效降塵的目的。

根據某煤礦井下的生產技術條件和粉塵危害現狀、粉塵的物化特性及產塵特點等，制定粉塵綜合防控技術方案。在對煤礦井下各塵源點粉塵的擴散規律、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系等課題進行研究的基礎上,有針對性地開展煤礦井下各塵源點粉塵的綜合防控技術研究[4],開發出可靠性高、反應快速的煤礦粉塵監測系統,提交一批以呼吸性粉塵治理為主的關鍵技術成果和裝備[5-7],構建該煤礦標準化綜合防塵系統和煤礦粉塵危害遠程監控平臺,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,實現煤礦井下粉塵濃度的遠程監測和粉塵治理設備的遠程監控,形成一套煤礦粉塵危害控制的管理制度和標準體系。

1 設計原則與建設內容

1.1 設計原則

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,從科學和可持續發展的高度,貫徹落實國家關于煤礦職業危害防治工作的方針、政策、法規和標準,著力構建礦井管理到位、治理達標的綜合治理工作體系[8-12],把粉塵職業危害防治意識在企業職工中牢固地樹立起來。在治理措施上堅持以下原則:

1)以主動抑塵技術措施為主,被動防塵為輔。

2)自動化程度高,最終實現礦井綜合粉塵防治智能化。

1.2 示范礦井建設內容

把握井下粉塵的基本性質,合理進行方案設計，如表1所示。

表1 基礎試驗研究明細表

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

2 建立完善的粉塵綜合防治系統

2.1 綜采工作面綜合防塵系統的建立

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,建立自動監控的煤層注水系統

根據地質資料查得,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。

按照現行煤層注水設計,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煤壁出現均勻的“出汗”滲水。注水時間通常為7～10 d。通過現場調研發現，煤層注水10 d后,煤壁并沒有出現出汗的現象。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,通過該技術提高煤層的透氣性,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，引進了自動監控的煤層注水系統。該系統主要由壓力傳感器、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4路流量和壓力的在線監測,可與安全監控系統聯網使用。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，能監測注水過程中“跑水”現象,及時切斷該路水源。根據現場實際條件設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測,當水箱缺水或水壓超高時,系統自動控制水泵停止運行保護，水泵。具有參數斷電保護功能,斷電后恢復供電,仍按原存儲的參數進行工作。具有通信接口,進行系統遠程監測和遠程控制。系統原理如圖1所示。

圖1 自動監控煤層注水系統圖

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

采煤機割煤時產塵量大、呼吸性粉塵濃度較高、煤體垮落沖擊產塵及落煤揚塵極其嚴重,采用任何單一的技術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方向,擴散到人行道,不但影響工人作業視線,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,避免渦流產生,把含塵氣流控制在截割電機溜槽與煤壁之間較小的區域,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圖。

圖2 采煤機塵源跟蹤噴霧降塵系統組成示意圖

2.1.3建立液壓支架降柱、移架聯動高壓噴霧降塵系統

該支架、降架、移架的過程中,會產生大量的粉塵,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,污染工作面作業環境。因此在采煤工作面液壓支架上安裝液壓支架降柱、移架聯動高壓噴霧降塵系統。按照現在采煤面135架支架容量考慮配備該系統。系統組成如圖3所示。

圖3 液壓支架自動控制噴霧降塵系統示意圖

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

系統布置示意圖見圖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風壓疊加的原理,在一臺電動機上設置了前、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停控制開關聯動。

圖4 破碎機密閉抽塵、除塵系統布置示意圖

2.1.5進、回風風流粉塵濃度超限自動噴霧降塵系統和粉塵濃度連續監測系統的建立

該系統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,關閉水幕,延時一定時間后自動打開水幕,實現風流凈化。當粉塵濃度低于設定的濃度值時,自動關閉凈化水幕。系統組成如圖5所示,可實現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使用,也可與礦井安全監測系統聯網使用,實現粉塵濃度在線監測[13]。

圖5 粉塵濃度超限自動噴霧降塵系統組成示意圖

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監測。根據這種情況可在進、回風巷各安裝粉塵濃度超限自動噴霧降塵系統一套。

2.2 綜掘工作面綜合防塵系統的建立

2.2.1掘進面迎頭分段式快速注水系統

通過對國內外技術的對比分析,結合該礦煤層特點,在掘進工作面采用“三壓帶”分段式注水技術對綜掘面進行煤層注水。掘進面“三壓帶”分段式注水技術是利用分段膨脹式注水封孔器分別在同一鉆孔內,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形成新的卸壓帶,從而使“三壓帶”的封孔注水,實際變為在三個“卸壓帶”影響范圍內的封孔注水;卸壓帶影響范圍內的煤體裂隙較發育且張量不大,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生，如圖6所示。煤層注水具體參數需要在煤層性質分析和現場試驗后方能確定。

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

在綜掘工作面安裝渦流供風控塵與除塵器抽塵凈化系統[6]。該系統管理、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,可實現粉塵的就地凈化,在國外應用廣泛。系統主要由除塵器、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效果圖

2.2.3掘進機高壓外噴霧降塵系統

掘進機內外噴霧會存在由于噴嘴堵塞和系統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塵源,如果掘進內外噴霧不能正常使用,無法在第一時間在產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,該系統主要由高壓噴霧泵站、高壓精密水質過濾器、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示意圖。

圖8 高壓外噴霧引射降塵系統

采煤機高壓外噴霧系統主要技術參數為：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控系統

目前在回風順槽掘進面迎頭向外30 m范圍內設置兩道手動風流凈化水幕,水幕的開關受人為影響比較大。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監測。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一套。系統組成與采煤工作面粉塵濃度超限自動噴霧降塵系統一致，如表2所示。

表2 單個綜掘工作面防塵系統及設備明細表

2.3 錨噴工作面綜合防塵系統的建立

錨噴作業采用人工拌料、加填水泥、手扶式噴漿,作業強度大效率低,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塵、下料機構漏排氣產塵、噴槍噴射產塵及回彈產塵等粉塵危害,制定了錨噴面防塵技術配套方案,系統組成示意圖如圖9所示。

圖9 錨噴面防塵總體方案系統組成示意圖

總體思路:采用新型噴漿機——除塵一體化裝置,優化設計噴漿機結構、提高密封板耐磨性、封閉漏排氣口進行集中凈化處理等,有效降低漏排產塵。通過在噴漿機旁一體設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塵問題,利用抽塵凈化裝置進一步對上、下料過程中沖擊產塵進行抽塵凈化處理。通過研究設計出低回彈新型噴槍,使錨噴熟料在噴槍內被充分濕潤,從而有效降低噴槍噴射產塵及回彈產塵。

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,以便于動態跟蹤考察礦井防塵效果,指導防塵系統的優化,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的煤塵工業分析、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。

不同實驗室實現的功能如下:

1)煤質分析實驗室。主要測定煤的水分、灰分、揮發份、固定碳(統稱為工業分析)及發熱量和全硫。

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、管理體制建設、機構健全、安全投入保障、技術合作等方面進行示范,圍繞規范技術管理行為、強化預防技術手段、提高技術隊伍素質及技術保障能力等方面完成好粉塵治理示范工程的建設。

4 結論

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,減小漂浮粉塵的再次飛揚。

2)機械化程度越高,產塵量越大,采用任何單一的技術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,以主動抑塵技術措施為主,被動防塵為輔,工作面產生的粉塵能做到有效凈化。