煤礦井下泡沫降塵技術的應用研究

張益茂

（長治市煤礦技術服務中心，山西 長治 046099）

山西煤炭運銷集團古縣東瑞煤業公司大力推進智能化建設，目前已完成4 臺綜掘機改造并投入運行，實現了可視化遠程操控、人機分離作業和地面實時遠程監控；分別建成投運了具備遠程遙控功能的巖巷快掘作業線，巷道日均進尺4.95 m，掘進效率提高156.5%。但是快速掘進帶來了高濃度的粉塵，必須加強粉塵治理。

1 工程概況

山西煤炭運銷集團古縣東瑞煤業位于臨汾市古縣北平鎮前窯溝自然村北，井田面積4.871 3 km2，保有儲量2698 萬t，批準開采煤層為2#～9#，設計生產能力60 萬t/a。東瑞煤業2101 工作面位于二采區南翼，主采2#煤層，煤層平均厚度為3.52 m，頂板為泥巖或砂質泥巖，底板為泥巖。

2101 煤巷綜掘面巷道為矩形斷面，跟煤層頂底板掘進，全高4.1 m，凈高4.0 m，全寬4.8 m，凈寬4.6 m，全斷面19.68 m2，凈斷面18.4 m2。采用EBZ-260H 型綜掘機，可實現遠距離“可視化”遙控作業。通過監控攝像頭和紅外攝像頭，傳感器和傳輸基站等設備，利用5G 技術互聯互通，將綜掘機實時工作畫面傳至井下和地面集控中心。根據綜掘機司機預先設計的軌跡，做到定位截割，并做到一次成巷，成巷標準高。截割區域采用紅外技術人體活動檢測預警系統，當綜掘機啟動及工作人員誤入截割區域時，會采取預警、停機操作，避免人員傷害，提高了綜掘機的安全水平。綜掘機位置風壓0.5 MPa，水壓2.5 MPa；綜掘面風筒直徑800 mm，風筒風口風量為320 m3/min。

但是以往2101 煤巷綜掘面配備的“噴霧降塵+除塵器集塵”的除塵效率偏低，無法滿足快速掘進引起的大產塵量帶來的除塵要求，同時掘進面迎頭能見度低。針對這一情況，東瑞煤業委托長治市煤礦技術服務中心進行高效泡沫降塵技術的實踐研究。

2 高效泡沫除塵技術方案的設計

綜掘面泡沫除塵技術除塵效率高，迎頭能見度高。因此，在分析東瑞煤業2101 綜掘面的現場情況后，設計了高效泡沫除塵技術方案并將其進行實踐。

2.1 遠程遙控高效泡沫除塵裝置

智能綜掘面用遠程遙控高效泡沫除塵裝置[1-6]如圖1，主要包括遙控臺、電磁閥、發泡器、分配器、噴頭等部件。發泡器通過磁力吸盤固定在掘進機平臺上部，設計時將以往水和發泡劑混合的混合器的部分集于發泡器內。發泡器箱體容積0.08 m3，重量95 kg，主要由箱體、混料和控料集成塊、給水控制集成塊、發泡集成塊、給氣控制集成塊和發泡控制集成塊等部分組成。分配器由筒體、進泡入口接頭、出泡出口接頭、連接底座等組成，對發泡介質的能量進一步儲存與重新分配。高效泡沫除塵裝置還安裝有智能控制系統，能對設備實現遠程操控。

圖1 遠程遙控高效泡沫除塵裝置布置示意圖

2.2 遠程遙控高效泡沫除塵工藝流程分析

遠程遙控高效泡沫除塵工藝的工作原理：利用泡沫發生器產生泡沫狀的液滴噴灑到含塵空氣中時形成大量的泡沫粒子群，利用泡沫粒子群對粉塵實施攔截、粘附、濕潤、沉降等作用，達到降塵除塵的效果。泡沫粒子群總體積和總面積很大，大大增加霧液與塵粒的接觸面和附著力，降塵效果理想。

遠程遙控高效泡沫除塵工藝流程如圖2，主要有遠程遙控啟動→混合→發泡→分配→噴射→捕塵。遠程遙控高效泡沫除塵裝置啟停由遙控臺進行控制，泡沫除塵劑添加系統與綜掘機共用同一開關，即一旦綜掘機開啟，泡沫除塵劑添加裝置也會隨之開啟。發泡器所需的風和水分別通過風管和水管與綜掘工作面風管和水管相連接，泡沫出口與泡沫輸出管道連接，泡沫輸出管道將發泡器產生的泡沫輸送到截割頭附近，進而通過泡沫分配器將泡沫平均分配到各個噴嘴，最終由泡沫噴嘴噴出達到降塵的目的。應用時均采用發泡器最佳氣液比進行發泡。

圖2 遠程遙控高效泡沫除塵工藝流程示意圖

發泡劑采用四種試劑混合組成的復配綠色發泡劑，配方：發泡劑為椰子油脂肪酸二乙醇酞胺，穩泡劑為羧甲基纖維素，濕潤劑為脂肪醇聚氧乙烯醚葡糖苷，增稠劑為陽離子聚丙烯酞胺，四種物質的質量比為32:1:5:1，發泡率達到18.72 倍。

3 效果分析

高效泡沫除塵技術方案在東瑞煤業2101 綜掘面進行了實踐應用，取得了良好效果。

3.1 掘進巷道能見度分析

采用高清數碼防爆相機對東瑞煤業2101 綜掘面高效泡沫除塵技術應用前后掘進巷道不同位置的空氣環境進行拍照，如圖3。從圖中可知，高效泡沫除塵裝置使用前，工作面迎頭及綜掘機等位置附近的視線比較模糊，能見度只有2.5 m 左右，無法對迎頭煤壁狀況進行掌握，影響綜掘機司機的截割作業。高效泡沫除塵裝置使用后，工作面迎頭及綜掘機等位置附近的能見度有了明顯的改觀，工作面視覺效果好，能見度從之前的2.5 m 提高到4.3 m，工作面迎頭視線清晰，可清楚觀察到迎頭煤壁的狀況，方便綜掘機司機的截割作業。2101 綜掘面作業期間，現場工人呼吸順暢，鼻腔、喉嚨無不適感，面部粉塵有效減少。巷道能見度的提高，使得掘進作業環境大幅度改善，誤操作減少。

圖3 高效泡沫除塵技術應用前后掘進巷道能見度情況

3.2 粉塵濃度測試及分析

為掌握高效泡沫除塵技術的應用效果，對東瑞煤業2101 綜掘面使用高效泡沫除塵裝置前后的巷道粉塵濃度進行了測試，并進行對比分析。

測試設備為AKFC-92A 型礦用粉塵采樣器，粉塵測點布置情況如圖4。

高效泡沫除塵裝置使用前后的巷道粉塵濃度對比情況如圖5。

圖5 高效泡沫除塵裝置應用前后粉塵濃度對比

由圖5 可知，高效泡沫除塵裝置應用后，截割頭處、司機作業處、轉載機尾、伸縮皮帶機下風側、距掘進頭100 m 處、距掘進頭200 m 的呼塵濃度和全塵濃度均有了大幅度的降低，呼塵濃度和全塵濃度均降低至40～80 mg/m3。呼塵的降塵率為81%～83.4%，平均降塵率為82.9%，全塵的降塵率為87%～90%，平均降塵率為88.5%，完全能滿足綜掘工作面綜合防塵技術規范的相關要求。

4 效果分析

高效泡沫除塵技術在東瑞煤業2101 綜掘面的應用取得良好效果，主要表現在：呼塵平均降塵率為82.9%，全塵平均降塵率為88.5%；高效泡沫除塵技術的耗水量為0.86 m3/h，對比之前“噴霧降塵+除塵器集塵”的除塵耗水量11.3 m3/h，能大量節約水資源，降低除塵成本；巷道能見度大幅度提高，有利于綜掘機司機及其他現場工作人員的作業，工作面成型效果提升，縮短了刷底角時間，經濟效益顯著。