高瓦斯礦井半煤巖巷綜掘工作面粉塵綜合治理系統研究與應用

趙 群

（陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦， 陜西 延安 727307）

引言

隨著煤礦生產工藝的不斷提高，我國巷道掘進基本實現綜合機械化水平，但是生產過程中產生的細微懸浮粉塵也隨之增多，所產生的粉塵不僅對井下作業環境具有嚴重的污染作用，職工若是長期在這種環境中工作，將會患上職業性疾病。嚴重的粉塵對各種設備也會產生不同程度的影響。有效消除掘進過程產生的粉塵，改善作業環境，對保障煤礦從業者的身體健康能起到至關重要的作用。

1 煤礦概況

1010 輔運順槽位于一號煤礦十盤區，十盤區位于一號煤礦井田北部、北一大巷組西翼，盤區由南向北單翼順序布置采面開采。十盤區南鄰五盤區，北鄰十一盤區，西鄰七盤區，東鄰十二盤區，煤層由西向東、由南向北逐漸變薄。1010 輔運順槽矩形巷道，掘進寬度為5.2 m，掘進高度為2.8 m，S掘＝14.56 m2，采用EBZ-200 型掘進機沿煤層底板掘進。掘進范圍內煤層厚度為1.0～2.75 m，平均厚度2.3 m，結構簡單，傾角1～5°，屬于穩定煤層。直接頂為粉砂巖和砂質泥巖互層，厚度為7.27～12.0 m，平均厚度8.5 m，粉砂巖為灰黑色、致密、較硬、鈣質膠結，水平及波狀層理，夾薄層泥巖。砂質泥巖為灰黑色、易風化、易破碎，斷口平坦，含植物化石及云母片。老頂為細粒砂巖，厚度7.7～11.1 m，平均厚度10.7 m，細粒砂巖為灰白色，石英、長石為主，夾黑色泥巖，層面可見白云母片，水平波狀層理，中部夾有薄層泥巖。底板為砂質泥巖，厚度為0.3～8.6 m，平均厚度2.3 m，灰黑色、易風化、易破碎，含少量植物化石碎屑。

2 綜掘工作面粉塵防治現狀

2.1 綜掘工作面粉塵產生機理及分布

由于煤巖地板為泥巖，遇水易膨脹，不適宜采用注水減塵，而且煤層及頂板含水量少，故1010 輔運順槽粉塵主要來源于綜掘機截割煤層和頂板，所產生的粉塵主要以細微粉塵為主，伴有粗粒粉塵，極易隨風流擴散到掘進工作面后巷內。粉塵在風流的作用下，會彌漫于整個巷道之中，分流現象顯著，表現為粗粉粒沿回風側沉積，細微粉塵分層懸浮，且懸浮高度隨著粉塵粒徑的增大逐漸降低。高濃度粉塵主要分布在工作面15 m 范圍內，其中截割頭附近是高濃度粉塵聚集區，粉塵濃度最高，且受迎頭風流場影響，高濃度粉塵區在工作面3～7 m 處呈旋渦狀分布，周圍遍布許多不穩定的小型旋渦狀高濃度粉塵區，之后粉塵在風流作用下向后巷飄逸，并在30 m 后逐漸擴散到巷道全斷面。在重力沉降和擴散稀釋的作用下，粉塵濃度沿程不斷減小，粉塵顆粒在隨風流運動30 m 后，隨機擴散到整個巷道，巷道內全塵濃度趨于穩定[1]。

2.2 現有防塵系統及不足

通過對1010 輔運順槽掘進期間粉塵分布情況、工作面風流場和現有降塵設施、設備的研究，分析1010 輔運順槽降塵效果不佳的原因，具體如下：

1）綜掘機內噴霧失效，受井下的惡劣的生產條件和復雜作業工序限制，掘進機內噴霧頭被煤巖粒、鐵銹、水垢等雜質堵塞，導致內噴霧失效。

2）掘進機外噴霧噴嘴壓力不足，霧化效果差。掘進機設有前置的外噴霧及兩側的外噴霧，開啟時基本呈柱狀噴射，霧化效果差，不能形成霧狀將截割頭包裹住。

3）距掘進面正頭約50 m 處設置有全斷面降塵水幕，霧化效果良好，對粉塵有較好的捕捉，但含塵霧滴隨著風流不斷擴散，進一步惡化了井下作業環境。

4）工作面風流場研究不透徹，長壓短抽除塵風機吸塵效果差。風筒出風口和除塵風機相對空間位置、風筒出分量、除塵風機吸風量不匹配，導致大量粉塵隨風流逃逸至后巷，造成除塵風機除塵效率降低，后巷作業環境惡化。

3 防塵系統升級改進

根據對1010 輔運順槽粉塵分布情況、工作面風流場和現有降塵設施、設備的研究，提出了相應的降塵處理方法。

3.1 綜掘機高壓噴霧降塵技術

主機放置于綜掘機機身上，高壓霧化除塵器安裝于掘進機截割頭后方的伸縮部上，中間通過高壓膠管連接，主機可將綜掘機水壓提高多6～8 MPa，高壓霧化除塵器將將水霧化成微小水霧并以極高的速度噴射出去。該裝置可實現與綜掘機聯動開啟和手動開啟兩種模式。當裝置開啟后，會在掘進截割頭部位形成高壓水霧屏障，將塵源位置完全覆蓋，最大限度地將工作面塵源點粉塵濕潤沉降。

3.2 工作面風水聯動智能噴霧降塵技術

3.2.1 風水聯動智能噴霧系統結構

風水聯動智能噴霧系統主要由控制箱、傳感器、電磁閥、網關和地面計算機組成，整體結構輕盈小巧，便于安裝調試[2-3]。控制箱采用可編程控制器PLC 做運算，顯示界面通過光纖，可直觀、清晰地顯示在地面上位機。各種參數的設置、調節均采用上位機軟件直接進行輸入設置，操作方便靈活。傳感器包括觸動傳感器和粉塵濃度監測。觸動傳感器安裝在綜掘機二運上，通過捕捉二運開啟的振動信號，控制智能噴霧電磁閥的開啟和關閉。粉塵濃度傳感器安裝在智能噴霧上風側附近，通過收集粉塵濃度閾值，控制智能噴霧電磁閥的開啟和關閉。

3.2.2 風水聯動智能噴霧系統原理

該裝置手動閥與供水、壓風管路連接，手動閥門處于常開狀態，電磁球閥處于常閉狀態。當傳感器感應到設定范圍內的觸動、粉塵等信號時，將信號傳遞到控制箱，控制箱控制電動閥開啟，實現噴霧灑水降塵功能。也可在地面上位機設置噴霧開啟時間區間，進行特殊時間的強制降塵。粉塵濃度傳感器信號優先于觸動傳感器信號開啟智能噴霧，防止移動綜掘機和檢修噴霧時誤開啟噴霧。

3.3 長壓短抽除塵風機降塵技術優化

采用控制變量法[4-5]，研究附壁風筒關閉狀態下供風風筒口出風量Q、除塵風筒口吸風量Qc、附壁風筒打開狀態下供風風筒口出風量Q1、附壁風筒距離工作面正頭位置L1、供風風筒距離工作面位置L2、除塵風筒距離工作面位置L3等因數對除塵效率的影響，并大致確定工作面控塵面位置。工作面風流場各參數關系圖，如圖1 所示。

3.4 智能集中消塵區降塵技術

順槽內每隔500 m 設一組智能集中消塵區，其主要由智能噴霧降塵系統、多組風水聯動全斷面噴霧、膠帶雨棚、水倉和地坪組成，采用粉塵傳感器精確控制集中噴霧的啟停，膠帶雨棚可防止噴霧水噴到膠帶運輸系統，影響煤質[6-7]。

4 降塵效果分析

為研究噴霧壓力、霧化效果和降塵率的關系，綜掘機外噴霧采用增壓泵，并安裝壓力表，霧化效果暫按進風、進水壓力比值計算。噴霧壓力達到6～8 MPa時降塵率最高。噴霧壓力保持在6 MPa、風、水壓力比為3∶1 時，降塵效率最高。

為了方便現場施工，附壁風筒安裝在距風筒出風口5 m 的位置，在此基礎上研究控塵面位置，僅用肉眼觀測巷道中部粉塵濃度分界線，距離正頭煤壁位置即為控塵面位置。當Q=Q1=Qc，據現場實際測量L2=7 m、L3=5 m 時，控塵面距離工作面最近，即為理想最佳控塵面。

根據試驗數據得：

1）當附壁風筒風量/風筒最大供風量=1/3 時，除塵效果最佳。

2）在滿足情況1）時，保持風筒供風量恒定，測得除塵風機吸風量和供風風筒出風量比值為9∶8 時，除塵效果最佳，且此時控塵面向工作面方向移動了0.3 m。將以上參數輸入控制系統內。當Qc恒定時，附壁風筒出風量及風筒供風量與降塵率的關系，如表1所示。當Q 恒定時，除塵風筒吸風量、供風風筒出風量與降塵率的關系，如表2 所示。

表1 附壁風筒出風量及風筒供風量與降塵率的關系（QC 恒定）

表2 除塵風筒吸風量及供風風筒出風量與降塵率的關系（Q 恒定）

5 結論

1）噴霧壓力達到6～8 MPa 時，降塵率最高。噴霧壓力保持在6 MPa、風、水量比為3∶1 時，降塵效率最高。

2）當附壁風筒風量/風筒最大供風量=1/3 時，除塵效果最佳。

3）除塵風機吸風量和供風風筒出風量比值為9∶8 時，除塵效果最佳。

4）工作面前部30 m 范圍內作業區域能見度得到很大提高，視野清晰，霧化效果好，更符合降塵機理，能取得了92%以上的降塵效果，總粉塵質量濃度控制在10 mg/m3以內，極大地改善了工作面的勞動衛生條件，保證了綜掘面安全生產。