綜掘工作面高效除塵技術研究與實踐應用

文/李軍岐 楊 柯 崔 浩

礦井工作面綜掘過程中產生的粉塵，會誘發作業人員發生職業病，且存在引起粉塵爆燃事故隱患，給礦山安全生產帶來潛在威脅。因此，對綜掘工作面高效除塵技術進行研究與實踐，以此來降低作業點粉塵濃度，改善礦井作業點環境，是職業健康防護的需要，也是保障礦山安全生產的需要。陜西陜煤韓城礦業有限公司桑樹坪二號井創新傳統礦井綜掘進尺面水霧除塵方式，采用高倍泡沫除塵，顯著降低了粉塵濃度，取得了良好的經濟效益和社會效益。

一、綜掘工作面現有除塵方式

1.巖層注水除塵技術

巖層注水除塵技術是指在掘進前利用鉆孔向巖層注入壓力水，預先濕潤巖層，可以降低粉塵生成量。但采用巖層注水除塵技術，存在一些弊端。一是注水前先對巖層進行打孔處理的情況占多數，在打孔過程中會造成粉塵量瞬間猛增，且需要打大量的注水孔才能發揮注水效果，增加了松動巖層坍塌的風險。此外，如果巖層弱硬度過大，則會影響吸水效果，不能實現預期的降塵目的。二是該技術耗水量大，井下有些區域的巖層與地面屬于石灰質結構，水量過大后會導致地面泥漿化，致使采礦設備無法移動或損壞。

2.水噴霧除塵

目前大多數機械化的采礦設備均設計有噴霧裝置，有一定除塵效果。但設備的水噴霧裝置為細微孔徑的噴頭，密布于前端迎頭，而前端迎頭為直接接觸巖層的部位，在實際作業中噴頭容易堵塞、失效，對呼吸性粉塵除塵效果不明顯。

3.風機除塵

國內礦山行業的風機除塵設備大多價格昂貴、維護困難、結構復雜、體積龐大、處理風量有限。風機除塵主要靠電機驅動風輪實現粉塵控制，因此需要大量的濾芯用于粉塵過濾，一臺風機配備的濾芯數量少則100套、多則300套，后期更換濾芯的成本較高。綜合來看，風機除塵不宜作為礦山行業除塵的首選。

二、降塵方式改進思路及工作原理

為解決綜掘進尺面粉塵過多的問題，桑樹坪二號井以高倍泡沫降塵代替水降塵。高倍泡沫降塵具有以下特點：一是可從源頭上實現降塵，用泡沫包裹掘進機的掘進頭、截齒及切割點，讓割煤巖的動作在泡沫體內完成，從根本上阻止粉塵向外擴散。二是將高倍泡沫制劑噴射到產塵作業點，高倍泡沫制劑與水霧相比擴散面積成倍增加，提高了泡沫劑與粉塵的接觸率。三是高倍泡沫的液體中具有較高含量的發泡劑，接觸釋放后可改變粉塵的黏附性能，使粉塵被泡沫劑快速黏附下沉。四是泡沫劑含有特殊的增稠劑，能提高泡沫的黏附力，使泡沫具有很好的黏性，粉塵一旦和泡沫接觸將會迅速被泡沫黏附。五是高倍泡沫降塵設備體積小，且在低耗水量和泡沫劑使用量情況下，有較高的降塵能力。六是泡沫劑噴射后的作業面物料表面和裂隙被泡沫覆蓋，能有效改善煤層宣泄時游離瓦斯擴散，可一定程度上降低采煤面瓦斯濃度值。

三、具體技術措施

1.專用泡沫設備系統

根據掘進工作面綜掘機施工特點，設計采用HD-KPZ-0.3/0.7型定制化泡沫裝置。使用時將設備箱體及設備放置在掘進機機身某部位，泡沫噴射頭及固定組件固定在掘進機懸臂段，噴頭呈上、左、右三面布置，裝置與發泡劑配合使用，截割作業時對炮頭三面全包圍泡沫滅塵。

專用泡沫主設備由儲料體、吸料機構、進水管、混料裝置、增稠箱、發泡箱、進氣管、發泡循環組件、氣體增壓組件等組成。設備主機使用不銹鋼加工，主機設備及內部零件均進行無傷檢測，杜絕設備出現滲漏、焊接不嚴、變形等問題。噴射頭和安裝架是將泡沫噴送至作業面的重要部件，為扇形多孔型設計，在實際工作中可實現大于60%的掘進頭包裹，由快速接管、轉換接頭、噴射頭、固定板、快速接頭等構成。

2.高倍泡沫

（1）泡沫劑的分類。根據泡沫消散時間劃分，泡沫分為快速消散類泡沫和在無外因影響下數小時不破散的泡沫；按泡沫劑的穩定衡定關系劃分，泡沫分為活性泡沫和穩性泡沫；按泡沫劑的黏稠度劃分，分為高倍數泡沫和低倍數泡沫。

（2）泡沫劑的成泡。如果泡沫劑表面凝聚力稀松，便不易形成泡沫，即使產生了泡沫，混合液的擴散力也會使泡沫快速破裂。因此，要根據比例添加改變泡沫劑張力的活性劑，以此來降低泡沫劑表面擴散力，進而形成穩定、高效的泡沫。此外，泡沫是氣體在混合制劑中的擴散體，當高壓氣體與混合制劑持續不間斷混合時，可大量生產氣泡。氣泡量的多少是泡沫產生量的必要因素，因此還要使用氣體增壓，達到良好的發泡效果。

（3）高倍穩性泡沫的制造。通過作業面現有供氣源攪拌含有發泡劑的混合液，使氣體大量撞擊混合液，形成泡沫。具體制造過程為：在混合液中充入增壓氣體→混合液中的高壓氣體與混合液反復碰撞，形成氣泡、泡沫→增壓氣體不間斷運動，將反復產生的泡沫體隨管道推送至設備內部→泡沫不間斷被制造，大量充斥在設備內部管道中。

3.高倍泡沫形成的穩定條件和專用設備技術數據

采用高倍泡沫除塵的綜掘機進行作業

（1）高倍泡沫的形成條件。制造持續高倍泡沫是泡沫除塵技術可否取得效果的基礎條件，應用于采掘進尺工作面時，現場需要具備以下條件：一是制造泡沫提供的水壓要穩定，進工作面的供水量穩定在2.5m3/h，壓力不低于0.3MPa。二是制造泡沫需要使用較高風壓，壓風流量保持在70m3/h，供風壓力不低于0.5MPa。具備以上條件后，發泡系統才可實現最佳的泡沫制造效果。

（2）專用設備的技術數據。高倍泡沫發泡倍數：80～150倍；設備額定耗水量：0.6～1.0m3/h；設備額定泡沫制造量：35～80m3/h；高倍泡沫劑的使用量：3%～6%；噴射噴頭組件的噴射能力：8～10m3/h。

四、應用效果

經過多輪現場應用，粉塵濃度比普通噴霧降塵明顯降低，綜合有效降塵率達到70%～80%，有效改善了綜掘工作面的工作環境，降低了煤塵事故的發生，降低了工作面工人患塵肺病的幾率。同時，由于粉塵濃度降低，使工作面能見度有所提高，保證了掘進機司機的操作，實現了掘進的連續性，提高了掘進效率，掘進進尺單進水平提高了20%，且為下一步的支護提供了更好的基礎。此外，由于用水量少，且排放的除塵水先期以泡沫形式存在，泡沫會隨著碎煤及矸石被排走，避免了巷道底板泥濘化和掘進機下陷，維護了綜掘工作面良好的工作環境，有利于提高掘進機的工作效率，從而帶來顯著的經濟效益。此優點對三軟煤層、低洼地段掘進面尤為重要，能在更大程度上提高機械化綜掘效率。