8 m特大采高工作面粉塵綜合防控技術(shù)研究及應(yīng)用

黎 志，馬 威，張設(shè)計，陳 芳

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

大采高綜采是煤炭生產(chǎn)集約化、高效、安全發(fā)展的必然趨勢，作為重要方法已被廣泛應(yīng)用于厚煤層的高效開采，但大采高綜采采場空間內(nèi)粉塵污染問題愈加嚴(yán)重，亦成為現(xiàn)代化礦井健康開采面臨的主要問題[1-4]。大采高綜采工作面由于配備了功率大、截深大、產(chǎn)煤量大的機械設(shè)備，與普通綜采工作面相比其產(chǎn)塵量更高[5-6]。大采高綜采工作面寬闊的采場空間內(nèi)風(fēng)流流動更加紊亂，大型綜采設(shè)備的存在使得粉塵擴散運移規(guī)律難以確定，傳統(tǒng)的防塵工藝與技術(shù)難以取得較好的效果[7-11]。

目前，神東煤炭集團已成功實現(xiàn)8 m特大采高綜采，但針對此類特大采高綜采工作面粉塵防控技術(shù)的研究尚屬空白，缺乏相關(guān)防控理論與成功經(jīng)驗，亟需開展大采高綜采工作面粉塵綜合防控技術(shù)研究。筆者以神東補連塔特大采高綜采工作面為研究背景，開展相關(guān)探索性研究與應(yīng)用試驗，以期為類似條件下的粉塵綜合防治提供參考。

1 特大采高綜采工作面粉塵分布特征

1.1 工作面概況及存在的問題

神東補連塔煤礦12513綜采工作面最大采高為8 m，選用SL1000/6659型采煤機，液壓支架移架步距為865 mm，工作面平均風(fēng)速為1.2 m/s。

工作面采用傳統(tǒng)粉塵防治措施，存在問題如下：①現(xiàn)有措施以水基噴霧為主，防塵效果不佳，覆蓋范圍有限；②采煤機采用大尺寸滾筒(直徑4 m)割煤及無規(guī)律陣發(fā)性片幫垮落產(chǎn)塵強度大，機身附近粉塵濃度高，難以實現(xiàn)粉塵從源頭集中治理；③降柱移架頻率高，落塵在人行道飄散距離遠，塵源距離作業(yè)人員較近、影響時間較長，且存在巖塵，危害增大；④工作面采場空間大，采場上部空間的呼吸性粉塵濃度高，懸浮時間長，極難捕集治理。

1.2 風(fēng)速分布特點

監(jiān)測了整個綜采工作面內(nèi)的風(fēng)速，得到綜采工作面風(fēng)速分布曲線，如圖1所示。

圖1 綜采工作面風(fēng)速分布圖

測點對應(yīng)刮板輸送機、電纜槽和支架行人側(cè)，測點高度與支架行人側(cè)呼吸帶高度一致，其中橫坐標(biāo)為測點與工作面進風(fēng)巷端頭的距離，縱坐標(biāo)為風(fēng)速。橫坐標(biāo)14～28 m位置因有阻擋，部分無實測數(shù)據(jù)。

綜采工作面風(fēng)速特征：①刮板輸送機上方風(fēng)速>電纜槽上方風(fēng)速>支架行人側(cè)風(fēng)速，3處的平均風(fēng)速分別為1.383、0.883、0.515 m/s；②受采煤機機身影響，刮板輸送機上方風(fēng)速先下降后上升(16～30 m區(qū)域為采煤機范圍)；在靠近機尾區(qū)域風(fēng)速有明顯增高的趨勢，最高風(fēng)速為2.200 m/s；③電纜槽上方風(fēng)速基本無變化;④支架行人側(cè)的風(fēng)速在采煤機前后45 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了先升高后下降的趨勢，最高風(fēng)速為1.300 m/s，明顯高于其上風(fēng)側(cè)進口風(fēng)速0.932 m/s。

分析工作面斷面空間內(nèi)設(shè)備布置情況可知，僅有液壓支架立柱繞流對風(fēng)流分布有影響。依據(jù)風(fēng)流分布的連續(xù)性，得到工作面切面風(fēng)速分布曲線,如圖2所示。

圖2 綜采工作面切面風(fēng)速分布

在電纜槽區(qū)域和支架行人側(cè)區(qū)域存在風(fēng)速的不連續(xù)情況，據(jù)此可將風(fēng)流流場分為溜槽區(qū)域(包括電纜槽區(qū)域和刮板輸送機區(qū)域)和支架行人側(cè)區(qū)域。

1.3 粉塵分布特點

采用濾膜稱重法測試了順風(fēng)割煤與逆風(fēng)割煤兩種不同作業(yè)順序下，5個測點的呼吸性粉塵濃度，計算得到平均粉塵濃度及不同來源粉塵濃度，如圖3所示。

圖3 不同工序、不同測點位置的粉塵濃度測試結(jié)果

由圖3可知，粉塵分3種來源：進風(fēng)粉塵、割煤產(chǎn)塵、移架產(chǎn)塵。降柱移架下風(fēng)側(cè)5 m位置平均粉塵濃度最高，主要來自移架產(chǎn)塵；由5個測點位置粉塵來源可知，割煤產(chǎn)塵和移架產(chǎn)塵量占比達62%～98%，是粉塵的主要來源。

2 特大采高綜采工作面粉塵治理方法

割煤產(chǎn)塵塵源隨采煤機移動，具有連續(xù)性，主要影響范圍包括采煤機上風(fēng)側(cè)5 m及其下風(fēng)側(cè)區(qū)域。該塵源受采煤機機身阻擋滯留在其上風(fēng)側(cè)，并向人行側(cè)擴散。移架產(chǎn)塵來自降柱移架過程，因其過程時間為15～20 s，近似認(rèn)為具有陣發(fā)性；液壓支架間隙(<0.1 m)遠小于工作面長度(327.8 m)，近似認(rèn)為移架產(chǎn)塵會產(chǎn)生2條具有平行特征的產(chǎn)塵線。

2.1 割煤產(chǎn)塵的治理方法

對于采煤機割煤產(chǎn)塵常采用采煤機塵源智能跟蹤噴霧降塵技術(shù)、含塵氣流控制技術(shù)等進行防治，對滾筒及塵源實現(xiàn)包絡(luò)，能降低粉塵的飛揚能力，但無法阻隔粉塵的擴散路徑。對于采煤機割煤滾筒破煤產(chǎn)塵及滾筒揚塵，因傳統(tǒng)隨機噴霧射程短、覆蓋范圍有限，擬開發(fā)遠射程、低耗水型氣水噴霧，增強對滾筒割煤區(qū)域粉塵的控制。由于大采高綜采工作面可利用空間的增大及12513綜采工作面對噴霧用水的嚴(yán)格控制，通過對吸塵滾筒的研究[12-14]，擬采用通風(fēng)除塵的方式對積聚在采煤機上風(fēng)側(cè)端頭向支架行人側(cè)擴散的粉塵進行治理，減少粉塵擴散；對運移至工作面作業(yè)點后方的高位浮游粉塵，采用捕塵網(wǎng)的方式會影響采煤機割煤作業(yè)，因此，擬采用通風(fēng)除塵的方式集中抽吸，加速含塵氣流的凈化和運移。

2.2 移架產(chǎn)塵的治理方法

液壓支架降柱移架的粉塵治理方法主要以噴霧降塵為主，如頂板預(yù)濕噴霧、架間噴霧等，但噴霧降塵易增大作業(yè)環(huán)境濕度，現(xiàn)場應(yīng)用極易受限。根據(jù)粉塵可自由沉降的機理，采取措施阻斷粉塵沉降路徑，控制粉塵擴散空間可有效治理粉塵。因液壓支架最大工作高度可達8 m，工作面內(nèi)首先保證行人及運料的空間，其多余的空間可布置控塵收塵裝置進行架間落塵治理(一般采高工作面空間僅能滿足行人及運料)，確保粉塵不擴散至作業(yè)人員區(qū)域。

2.3 綜合治理方法

基于割煤產(chǎn)塵和移架產(chǎn)塵的治理方法，形成的總體方案布置如圖4所示： ①研究遠射程氣水噴霧技術(shù)及裝置，使其具有低耗水、抑塵、控塵特點，實現(xiàn)快速濕潤破碎煤體，從源頭抑塵，阻隔污染區(qū)；②研究隨機抽塵凈化技術(shù)及裝備，實現(xiàn)源頭高效抽塵凈化；③開發(fā)支架封閉控塵收塵裝置，實現(xiàn)降柱移架封閉接塵收塵，治理高位落塵，避免粉塵擴散；④研究支架高位負(fù)壓除塵微霧凈化技術(shù)及裝備，治理支架頂部懸浮的呼吸性粉塵。

1—遠射程氣水噴霧裝置；2—機載除塵裝置；3—支架封閉控塵裝置；4—負(fù)壓除塵微霧凈化裝置。

3 特大采高綜采工作面粉塵防控技術(shù)研究

3.1 遠射程低耗水型氣水噴霧技術(shù)

研究表明：噴霧霧粒粒徑不大于粉塵粒徑時其捕塵效果最佳，現(xiàn)有減小噴霧平均粒徑的途徑主要包括提高噴霧壓力和空氣霧化[15]。同等條件下，提高噴霧壓力必然會增加噴霧流量，不利于噴霧用水量控制，為此設(shè)計并采用具有空氣霧化方式的氣水噴霧器。依據(jù)空氣霧化的混合方式，噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計為內(nèi)混式，氣水噴霧器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 氣水噴霧器結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)文獻[15]，噴嘴(噴霧出口)直徑d1、霧化介質(zhì)出口(進氣端口)直徑d2、氣水混合室噴出孔徑d3、氣水混合室直徑D3、氣水混合室長度L3的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

L3=(2～6)D3

(5)

(6)

V3=(qml/ρl+qmav2)/(qml+qma)

(7)

式中：S1、S2、S3為噴嘴、空氣、混合室出口截面面積，m2；qml、qma為水、空氣流率，kg/s；u1、u2、u3為噴霧、空氣、混合室出口流量系數(shù)，u1取0.2～0.4，u2和u3取0.87～0.25β(β為壓縮空氣臨界壓力比，取0.528)；Δp為噴霧絕對壓力p1與混合室臨界壓力p3之差，MPa；ρl為水的密度，kg/m3；φη為臨界界面流量計算系數(shù)，壓縮空氣取0.484；v2為空氣流速，m/s；V3為混合室混合氣比容，m3/kg；n為霧化介質(zhì)噴出口孔數(shù)；n3為混合室噴出口孔數(shù)。

初步選取qml=0.017、0.033、0.050 kg/s，Δp=0.3 MPa，ρl=1 000 kg/m3，u1=0.3，n=n3=2，計算確定氣水噴霧器的噴嘴直徑d1為1.5、2.0、2.5 mm。結(jié)合霧化介質(zhì)出口直徑d2的計算結(jié)果，設(shè)計并加工了6種不同型號的氣水噴霧器。試驗結(jié)果表明：水壓在0.4 MPa時，氣水噴霧器的射程與氣壓(0.1～1.0 MPa)呈正相關(guān)關(guān)系，為滿足射程8 m的需要，選用V型氣水噴霧器。在其氣壓為0.6 MPa時，其耗水量為2.5 L/min，耗氣量為118 L/min。氣水噴霧器射程隨氣壓的變化曲線如圖6所示。

圖6 氣水噴霧器射程隨氣壓的變化曲線

結(jié)合降柱移架液壓動力壓差變化的特點，設(shè)計了氣水聯(lián)動控制閥，以實現(xiàn)噴霧的自動控制；將氣水噴霧器固定在液壓支架頂梁下表面，實現(xiàn)氣水噴霧霧流對采煤機割煤范圍全覆蓋，控制割煤及垮落產(chǎn)塵的擴散。遠射程低耗水型氣水噴霧裝置如圖7 所示。

圖7 遠射程低耗水型氣水噴霧裝置示意圖

3.2 采煤機隨機抽塵凈化技術(shù)

研究表明：對采煤機上風(fēng)側(cè)端頭含塵風(fēng)流的控制可有效地降低采煤機司機位置及采煤機下風(fēng)側(cè) 10 m 處的粉塵濃度[16-17]。現(xiàn)有的含塵風(fēng)流控制裝置以噴霧為主，受裝備及噴霧壓力的影響較大，降塵效果有限；結(jié)合大采高綜采工作面采場空間較大的特點，采用通風(fēng)除塵的方式，將設(shè)備布置在采煤機機身上，隨機移動。主要設(shè)備為采煤機機載除塵器，設(shè)計過程中重點考慮了處理風(fēng)量、除塵器吸塵口的合理位置等。

3.2.1 處理風(fēng)量

電纜夾區(qū)域風(fēng)速變化不大，風(fēng)流受采煤機機身阻擋后向支架行人側(cè)增加的風(fēng)量即為采煤機機載除塵器的設(shè)計處理風(fēng)量。風(fēng)流的擴散示意圖如圖8 所示。

圖8 風(fēng)流受阻擋向支架行人側(cè)擴散示意圖

采煤機機載除塵器設(shè)計處理風(fēng)量按式(8)計算：

ΔQ=kΔvA

(8)

式中：ΔQ為支架行人側(cè)風(fēng)量增量，m3/s；k為備用系數(shù)，取1.5；Δv為支架行人側(cè)風(fēng)速增量，m/s，支架行人側(cè)風(fēng)速增量按0.368 m/s計算；A為液壓支架過風(fēng)斷面積，按ZY21000/36.5/80D型支架支撐高度8 m計算，其過風(fēng)斷面積為5 m2。

計算得到除塵器處理風(fēng)量ΔQ=2.76 m3/s，實際設(shè)計為3 m3/s。

3.2.2 除塵器吸塵口合理位置

簡化工作面實際情況，建立150.0 m×6.8 m×8.0 m模型，模擬不同吸風(fēng)量情況下除塵器吸塵口與底板的不同距離，通過計算除塵器吸塵口捕捉粉塵顆粒數(shù)(trap)和追蹤模擬粉塵顆粒的追蹤數(shù)(tracked)的比值來表征粉塵捕集率[18]。采煤機機載除塵器數(shù)值模型如圖9所示，數(shù)值計算結(jié)果見表1。

圖9 采煤機機載除塵器數(shù)值模型

表1 機載除塵器粉塵捕集率數(shù)值計算結(jié)果

將除塵器吸塵口布置在采煤機上風(fēng)側(cè)搖臂根部位置，處理風(fēng)量為180 m3/min、距離底板1.65 m時針對采煤機割煤垮落產(chǎn)生粉塵的捕集效率高于95%。綜合考慮采煤機的可利用空間結(jié)構(gòu)及現(xiàn)有防爆電機型號及尺寸，設(shè)計并研制了一種采煤機機載除塵器，以單電機雙葉輪風(fēng)機作為動力。測試結(jié)果表明，風(fēng)機靜壓為700 Pa時，風(fēng)量為180 m3/min；處理風(fēng)量為150 m3/min，風(fēng)機靜壓為1 237 Pa，呼吸性粉塵除塵率為95.1%。將機載除塵器安裝在采煤機機身上風(fēng)側(cè)，除塵器吸塵口布置在距底板1.6 m處，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 機載除塵器結(jié)構(gòu)

3.3 液壓支架封閉控塵技術(shù)

液壓支架支護表現(xiàn)的是動態(tài)過程，支架頂梁反復(fù)地擠壓垮落帶破碎的煤巖體，支架移動期間將破碎煤巖體從架間縫隙擠落。液壓支架封閉控塵裝置的設(shè)計主要考慮位移補償能力及捕塵能力。

液壓支架向前邁步與鄰架不同步，移架步距為865 mm，設(shè)計支架封閉控塵裝置應(yīng)具有一定的位移補償能力；在適應(yīng)移架步距的情況下，考察裝置的捕塵能力。共提出3種方案，如表2所示。

表2 液壓支架封閉控塵裝置位移補償能力方案對比

通過表2方案對比，確定了滑移式封閉接塵槽的設(shè)計方案，支架封閉控塵裝置設(shè)計如圖11 所示。

(a)移架前 (b)移架后

經(jīng)測試與改進優(yōu)化，通過對滑軌長度、導(dǎo)塵槽結(jié)構(gòu)、連接方式等進行研究，設(shè)計了一種滑移式封閉控塵裝置,如圖12所示。該裝置可實現(xiàn)液壓支架移動過程的自動補位，基本覆蓋液壓支架行人側(cè)區(qū)域，其封閉長度為1.8～2.5 m。

(a)移架前 (b)移架后

3.4 工作面高位浮游粉塵治理技術(shù)

12513綜采工作面中上部空間存在大量浮游粉塵，難以沉降。基于呼吸性粉塵沿采場上部空間的擴散特點，國內(nèi)外尚缺乏相關(guān)的技術(shù)研究成果。借鑒霧炮除塵的方式，采取抽塵凈化與風(fēng)送微霧除塵方法。設(shè)計了一種負(fù)壓抽塵凈化裝置并帶有風(fēng)送式噴霧的除塵器——負(fù)壓除塵微霧凈化裝置，如圖13所示。

圖13 負(fù)壓除塵微霧凈化裝置結(jié)構(gòu)圖

該裝置以電動機驅(qū)動的葉輪為動力，在進風(fēng)端抽吸含塵氣流，含塵氣流經(jīng)過濾裝置，出風(fēng)端用于噴霧擴散。試驗結(jié)果表明，當(dāng)工作阻力為1 000 Pa時該裝置的處理風(fēng)量為120 m3/min，射程為30～40 m，安裝布置于支架頂梁，可高效地處理大采高綜采工作面上部空間的浮游粉塵。

4 粉塵綜合防控技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

在12513綜采工作面對遠射程低耗水型氣水噴霧器、采煤機隨機抽塵凈化裝置、液壓支架封閉控塵裝置、負(fù)壓除塵微霧凈化裝置等4種降塵設(shè)施進行現(xiàn)場應(yīng)用試驗。現(xiàn)場布置效果如圖14所示。

(a)氣水噴霧器 (b)隨機抽塵凈化裝置

當(dāng)采煤機正常割煤，無降柱移架時，開啟了8組氣水噴霧器，采煤機上、下風(fēng)側(cè)各4組，氣壓為 0.6 MPa，耗氣量為960 L/min，水壓為0.4 MPa，耗水量為20 L/min。測試了大采高綜采工作面含塵風(fēng)流控制與凈化技術(shù)的降塵效果；在同種工況下，測試了使用采煤機機載除塵器前后采煤機下風(fēng)側(cè)司機處和采煤機機身下風(fēng)側(cè)15～20 m處的支架行人側(cè)的呼吸性粉塵濃度及降塵效率；當(dāng)采煤機不工作時，在降柱移架下風(fēng)側(cè)5 m處的支架行人側(cè)呼吸帶高度位置測試了使用液壓支架封閉控塵裝置的降塵效率；在距負(fù)壓除塵微霧凈化裝置上風(fēng)側(cè) 50 m 處，采煤機割煤作業(yè)時，測試了負(fù)壓除塵微霧凈化裝置進出風(fēng)口前后2 m、對應(yīng)支架人行道呼吸帶高度的粉塵濃度，測試結(jié)果如表3所示。

表3 應(yīng)用4種降塵設(shè)施的降塵測試結(jié)果

由表3可知：應(yīng)用4種降塵設(shè)施的降塵效率為43%～92%，降塵效果差異較大。主要原因是液壓支架封閉控塵裝置直接作用于支架行人側(cè)區(qū)域，降塵效率高達92%；其他3種降塵設(shè)施布置于溜槽區(qū)域，降塵效率受到一定影響，不能完全體現(xiàn)綜合降塵效果。為此布置4個支架行人側(cè)呼吸帶高度測點，測點1位于支架封閉控塵裝置下風(fēng)側(cè)5 m處，即采煤機上風(fēng)側(cè)滾筒對應(yīng)的司機位置；測點2布置于采煤機下風(fēng)側(cè)滾筒對應(yīng)的司機位置；測點3布置于采煤機機身下風(fēng)側(cè)15～20 m位置；測點4布置于回風(fēng)巷距工作面10～15 m位置。綜合降塵粉塵濃度測試結(jié)果見表4。

表4 綜合降塵粉塵濃度測試結(jié)果

由表4可知：4種降塵設(shè)施綜合應(yīng)用后降塵效率高于90%，工作面空間內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度可降低至 10 mg/m3以下，效果顯著，能夠有效解決類似特大采高綜采工作面粉塵污染問題。

5 結(jié)論

1)8 m特大采高綜采工作面風(fēng)速分布呈現(xiàn)區(qū)域性特點，依據(jù)風(fēng)速分布的連續(xù)性可將其劃分成溜槽區(qū)域(刮板輸送機和電纜槽)和支架行人側(cè)區(qū)域。一般情況下，溜槽區(qū)域風(fēng)速大于支架行人側(cè)區(qū)域風(fēng)速；受采煤機機身阻擋，溜槽區(qū)域風(fēng)流向支架行人側(cè)擴散，將其風(fēng)流增量作為機載除塵器的設(shè)計風(fēng)量。

2)根據(jù)大采高綜采工作面的粉塵防治現(xiàn)狀，提出了一套特大采高綜采工作面粉塵防治技術(shù)，形成了以采煤機割煤防塵和液壓支架降柱移架防塵為主的特大采高綜采工作面空間區(qū)域分塵源治理思路。

3)采用數(shù)值計算、實驗室測試、現(xiàn)場試驗等方法，設(shè)計并研制了遠射程低耗水型氣水噴霧器、采煤機隨機抽塵凈化裝置、液壓支架封閉控塵裝置和負(fù)壓除塵微霧凈化裝置。現(xiàn)場應(yīng)用綜合降塵設(shè)施后降塵效率高于90%，工作面空間內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度可降低至10 mg/m3以下。

4)特大采高綜采工作面存在高大采場空間，其粉塵區(qū)域性特點明顯，通風(fēng)除塵技術(shù)是一種可行的治理手段，但仍處于探索應(yīng)用階段，要將其推廣應(yīng)用還需作進一步研究。