多維度綜合防塵體系礦井建設研究

王英虎

(開灤(集團)有限責任公司東歡坨礦業分公司, 河北 唐山 064002)

1 前言

隨著煤礦采掘機械化程度的提高,煤礦生產產塵量劇增,粉塵治理的好壞直接關系到煤礦的安全生產,關系到礦工的身體健康[1]。所謂礦井綜合防塵技術,就是在全礦井內全面實現機械化、自動化和智能化的基礎上,通過大力推廣各類防塵科技創新成果,嚴格作業現場管理,將礦井內產生的粉塵降到最低,創造一個健康、無塵的井下環境,并進行全方位、全時空監測,全過程管理,進而扼制煤層爆炸事故的發生,確保礦井安全生產[2-8]。目前礦井綜合防塵系統現狀及存在的問題有以下幾方面:礦井按照《煤礦安全規程》要求進行粉塵檢查工作,主要巷道粉塵濃度能夠符合規程要求,但回采工作面、掘進工作面局部區域及回風側還存在粉塵濃度較高區域;礦井防塵供水系統中部分防塵管路有老化現象,個別區段管路因長時間使用,銹蝕部位容易出現跑水事故;個別主供水管路閥門使用時間較長,容易出現閥門故障,造成供水事故;回采工作面因防塵用水量加大,現場使用高壓管路不能滿足采煤機內、外噴霧的用水需求;掘進工作面掘進機內噴因設備原因,老掘進機沒有內噴裝置;防塵設備還需進一步投入,個別工作面缺少防塵供水管路終端過濾器。

為有效治理綜采工作面粉塵問題,國內外學者分別對工作面粉塵分布進行了探索,并從改進通風系統、優化抽放參數的角度開展工作面粉塵治理技術研究。其中,張小康等[9]采用高效掘進機外噴霧、空氣幕封閉除塵、化學除塵3種降塵技術降塵,對全塵和呼塵效果明顯。聶百勝等[10]利用粉塵濃度測量儀分析PM2.5粉塵及PM10粉塵占全塵的比例。李剛等[11]通過實驗發現瓦斯-煤粉-空氣3成分耦合體系的最低著火溫度(MIT)均低于瓦斯、煤粉的最低著火溫度。黃成玉等[12]對粉塵傳感器進行了研究,采用粉塵濃度傳感器與單片機SPMC75F2413A-QFP64設計新型粉塵濃度檢測系統。武帥等[13]提出了高壓氣流引射噴霧降塵理論與技術。趙恩彪等[14]找出了適合煤礦使用的棒狀探頭進行粉塵檢測。李宗倫等[15]應用β射線粉塵測量技術在煤礦粉塵監測中,提出提高測量精度的技術方案。李霜等[16]研制了一種新型電力設備在線監測裝置;直觀地顯示出放電位置、溫度分布及其發展變化情況。譚飛等[17]采用了光透射法原理設計基于ARM7處理器LPC1343的粉塵濃度監測儀,該監測儀具有測量準確,可靠性高等優點。趙立永等[20]設計了一種基于CAN總線的新型煤礦粉塵濃度檢測系統,具有測量準確、速度快、可靠性高和能及時報警等特點。

本文通過對東歡坨礦井基本概況分析,并從以下幾個方面對礦井粉塵情況展開研究:分析礦井綜合防塵體系現狀,根據礦井自身特點,提煉綜合防塵體系建設理念,以強化煤礦安全基礎,提升安全保障能力為抓手,完善礦井綜合防塵措施;采掘工作面設置粉塵采集點,測定工作面氣壓、溫度、濕度、風速及粉塵參數,結合實驗研究和數值模擬,進行采掘工作面塵源分布、粉塵運移擴散規律分析;建設完善礦井綜合防塵體系方案,采掘工作面粉塵綜合治理措施的完善及其配套工藝的研究。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 綜掘工作面粉塵運動規律

2.1 綜掘工作面粉塵測點布置及測定

工作面風筒前接至離工作面2 m處,因綜掘面空間狹小及生產工序限制,從距離工作面3 m處開始進行粉塵濃度測量,現場測點布置如圖1所示。

圖1 掘進割煤時粉塵濃度測定布點圖

通過分別測試除塵風機未啟動、啟動狀態下各測點全塵、呼塵濃度,繪制粉塵濃度分布曲線。坐標原點取工作面處,X軸表示布置測點的位置。粉塵濃度如圖2、圖3所示。

圖2 掘進割煤粉塵濃度沿程分布

圖3 掘進割煤粉粉塵沿程分布(除塵機開啟)

結合圖2和圖3可知:綜掘面在割煤工序中產生粉塵濃度高、粉塵粒徑較大(測量時選擇粉塵濃度最高時進行測量),呼吸性粉塵所占比例大。工作面回風側2～10 m距離粉塵濃度較高,在5 m處全塵濃度達到538 mg/m3,呼吸性粉塵濃度293 mg/m3,5 m后粉塵濃度迅速下降。巷道斷面局部風速不均,工作面前方存在小型的渦流,產生的粉塵被吹向了掘進機回風側;巷道粉塵分布與重力沉降作用相關性較大,且設有除塵水幕,在100 m以后粉塵濃度在100 mg/m3以下并逐漸下降,在300 m以后粉塵濃度穩定在50 mg/m3以下。開啟除塵風機有一定的降塵效果,但吸風量較小,粉塵濃度依然較高;回風側2～10 m處依然粉塵濃度較高,在3 m處粉塵濃度達到最大值,全塵濃度達到336 mg/m3,呼吸性粉塵濃度157.5 mg/m3。綜合兩圖可得,呼吸性粉塵始終占全塵濃度50%左右,與全塵濃度分布均為隨距離先升高而后減少。

2.2 綜掘工作面粉塵運動規律分析

在掘進機截割頭及左右鏟板位置加入粉塵源,計算得出掘進巷道內粉塵濃度分布擴散情況如圖4所示。掘進巷道內呼吸帶高度人行道及機道粉塵濃度沿程分布如圖5所示。

圖5 巷道粉塵分布圖

從圖中可以看出:截割頭附近粉塵濃度最大,最高值達到900 mg/m3左右,粉塵在風流作用下沿巷道全斷面不斷地排出、沉降和被捕集,因此粉塵濃度沿程不斷減小。在整個掘進巷道水平方向上,隨著距離迎頭距離的增加,粉塵濃度逐步降低,其中人行道粉塵濃度降低規律較為明顯;在皮帶機道,粉塵濃度降低速率較慢,這是由于皮帶機道內風流條件較差,且在皮帶運輸過程中存在二次揚塵的現象。當風流在掘進機繞過時,風流速度的方向急劇的改變,導致空氣微團互相間的激烈沖擊和附加摩擦,形成紊亂的渦流現象,從而造成粉塵的漂浮,難以沉降。在掘進機機尾以后區域,由于巷道內只存在橋式皮帶及皮帶運輸機等較大型設備,巷道有效斷面系數較高,粉塵沉降作用及機理較為一致,粉塵濃度降低的規律比較穩定。在巷道斷面水平方向,由于受風流流場的影響,粉塵濃度形成了由右至左逐步降低的規律,在垂直方向上,粉塵濃度形成了從下到上逐步降低的變化規律;在呼吸道高度平面內,人行道粉塵濃度急劇上升至一個最大值,然后隨著距離迎頭的距離的增加逐步降低,在距迎頭50 m之后逐漸趨于穩定,保持在50 mg/m3。

皮帶機道粉塵有一個先上升后下降的過程,并且在距工作面0～40 m范圍內有較大波動,在40 m之后逐漸趨于穩定。這主要是由于風流從巷道右幫折返后在左幫形成了渦流區,同時由于受皮帶運輸機的影響,使該區域流場極不穩定,從而也不利于粉塵的沉降。

2.3 安裝除塵器后掘進巷道內粉塵分布模擬分析

在安裝了除塵設備的掘進工作面內,分別在掘進機截割頭及左右鏟板位置加入與未安裝防塵設備時等量的粉塵源,計算的出掘進巷道內粉塵濃度分布擴散情況如圖6所示。對比安裝除塵器前后人行道呼吸帶粉塵濃度分布如圖7所示。

圖6 巷道粉塵分布圖

圖7 安裝除塵器前后人行道呼吸帶粉塵濃度分布對比

從圖6及圖7中可以看出,加入除塵器后,從源頭上實現了對粉塵濃度的全過程控制。壓入式風筒前端,在迎頭前端形成順時針旋轉的渦流,隨后被除塵器吸風罩吸入,只有少部分風流留著巷道中;在壓入風流和除塵器作用下,掘進機司機及作業面附近粉塵濃度明顯下降,掘進機下側人行道粉塵大部分被抽出式風機排走,少量粉塵隨大巷風流一起運動;除塵器出口附近區域粉塵濃度較之后方巷道區域濃度值較高,這是由于含塵氣流經過除塵器后并未完全去除,還存在少量的粉塵顆粒自除塵器逃逸而出,從而在除塵器出風口附近區域形成了二次塵源,但此時濃度值已經處于一個較低的水平。對比安裝除塵器前后人行道呼吸帶粉塵濃度分布,粉塵最高濃度由原來的950 mg/m3降至625 mg/m3,粉塵在吸塵罩附近急劇下降,較大程度上減少了司機處及其下風側的粉塵濃度,降塵效果比較理想,能夠達到較高的降塵效率。

2.4 安裝附壁風筒及除塵器后粉塵分布模擬分析

在安裝了附壁風筒及除塵器等防降塵設備的掘進工作面內,分別在掘進機截割頭及左右鏟板位置加入與未安裝防塵設備時等量的粉塵源,采用附壁風筒和除塵器后掘進巷道內粉塵分布模擬分析,具體如圖8所示。在安裝了附壁風筒及除塵器等防降塵設備的掘進工作面內,分別在掘進機截割頭及左右鏟板位置加入與未安裝防塵設備時等量的粉塵源,采用附壁風筒和除塵器后掘進巷道內粉塵分布模擬分析,具體如圖9所示。

圖8 巷道粉塵分布圖

圖9 安裝附壁風筒前后呼吸帶粉塵濃度分布對比

從圖8和圖9中可以看出:附壁風筒狹縫流出的大量風流在巷道斷面的影響下,在掘進機區域形成一道順時針旋轉的風墻,能有效地阻止塵源處的大量粉塵顆粒向掘進巷道后方擴散;由于附壁風筒及除塵器吸風口的共同作用,在掘進機機身至迎頭區域內形成了較為均勻的風流流場,較之未安裝時只在巷道左側有高速風流的局面有較大程度的改善,這對于提高局部通風效果以及粉塵、瓦斯的及時排出都有很大程度的幫助;加入附壁風筒后在掘進機司機前端形成的順時針旋轉風墻,對于阻礙粉塵顆粒往巷道后方擴散有了很大的作用,大部分粉塵顆粒自塵源處產生后,受到旋轉風墻的影響,被較好地封閉在該區域內;且由于附壁風筒將高速射流轉化為低速風墻,也減小了被風流吹起的二次塵源的數量,這從根本上解決了產塵強度較高的問題。對比安裝除塵器和附壁風筒前后結果,可以看出在附壁風筒的作用下,在除塵器附近對粉塵起到了很好的隔斷左右,對除塵效率有了很大的提高。

3 粉塵運移規律及防塵體系建設

選擇綜采工作面對現有綜采工作面粉塵治理現狀分析,測試不同地點、不同工序粉塵分布,分析粉塵擴散運移規律,結合目前采煤工藝及降塵裝置分析現在問題,完善井下主要作業場所的粉塵綜合治理措施,使井下主要作業場所的粉塵濃度達到所制定的粉塵管理標準的要求,最終建成粉塵防治標準化示范礦井。

3.1 綜采工作面粉塵測定分析

根據粉塵濃度測定規程,結合現場實際,在綜采工作面電線槽內側呼吸帶高度布置采樣點。綜采工作面逆風割煤、順風割煤、放煤、移架、破碎及轉載處綜合作業區現場測點布置如圖10所示。

圖10 粉塵濃度測定布點圖

從圖10和圖11中得出以下分析結果:逆風割煤時采煤機中部位置粉塵濃度最大,全塵為486.6 mg/m3,呼吸性粉塵為327.8 mg/m3;上風5 m處粉塵濃度開始迅速增大,采煤機后滾筒下風向 10 m 處以后,粉塵濃度又開始逐漸減小,粒徑比較大的粉塵在此過程中逐漸沉降、被捕集,在下風側30 m位置處粉塵濃度降到100 mg/m3以下。順風割煤時粉塵濃度最高點在采煤機下風向10 m左右,最高全塵濃度為471.2 mg/m3,呼塵最大濃度為263.5 mg/m3;后滾筒上風向10 m處粉塵濃度較大,主要是受移架放煤的影響。在移架和后滾筒的共同影響下,在采煤機中部粉塵濃度達到第一個峰值;下風15 m后粉塵濃度迅速下降,到下風30 m以后粉塵濃度降到100 mg/m3以下;煤塊在下落過程中產生大量粉塵,并且這部分粉塵不易被外噴霧覆蓋,粉塵在隨風流漂移過程中逐漸擴散至整個工作面。移架產塵主要是從架間縫隙和前沿落下,隨風流在巷道中運動,并不斷擴散,具有產塵量大和瞬時性的特點,即移架瞬間產生大量粉塵,移架結束塵源基本立即消失;在轉載點附近,粉塵集中于上風流5 m至下風流10 m處,轉載處粉塵濃度達到最高,全塵濃度最高達到205.7 mg/m3,呼塵濃度達到118.6 mg/m3。

圖11 粉塵濃度沿程分布圖

3.2 綜采工作面多塵源粉塵運移模擬結果及分析

在井下實際生產作用中,各個工序在時間上并沒有明確的界限,一般都是多個甚至全部工序同時作業。因此,工作面粉塵濃度實際是多個塵源共同作用的結果。為了能夠更真實的模擬井下實際粉塵運移分布規律,分別在轉載點、放煤口、移架處、割煤點設置塵源,模擬計算在多塵源作用下的綜采工作面粉塵濃度分布規律。綜采工作面多塵源粉塵運移軌跡、分布和濃度沿程變化如圖12、圖13、圖14所示。

圖12 多塵源粉塵運移軌跡圖

圖13 多塵源粉塵運移分布圖

圖14 多塵源粉塵濃度沿程變化圖

從多塵源粉塵運動軌跡和濃度分布可以看出:轉載點和支架后方產生的粉塵沿人行道運移較多,而移架和割煤產生的粉塵則主要是沿著采煤機道空間擴散,特別是割煤作業,越靠近前煤壁,粉塵濃度越大。因此移架和割煤是綜采工作面粉塵控制的重點。在多塵源作用下,綜采工作面的粉塵濃度疊加效應十分明顯,風流每經過一個塵源點,工作面粉塵濃度就顯著增加,特別是在經過采煤機割煤割煤后,工作面的粉塵濃度明顯高于單個塵源作用下的濃度。在電線槽外側及人行道呼吸帶高度沿線,在轉載點塵源(x=3 m)作用下,粉塵濃度出現第一個峰值,隨后粉塵濃度有所下降;經過移架塵源后粉塵濃度達到峰值,隨后開始出現緩慢下降;而在經過割粉塵源后,粉塵濃度沒有急劇變化,而是在隨后的擴散過程中有緩慢上升的趨勢。在采煤機道,轉載、移架作業對其粉塵濃度影響都較小,而在割煤作業點,粉塵濃度出現急劇增加,并且之后保持在較高值,說明割煤作業的主要影響區域是采煤機道空間。

3.3 綜采工作面防塵體系建設

綜合上述粉塵濃度及運動軌跡研究,提出以下五種防塵降塵技術,完善綜采工作面防塵體系。

1)采煤機氣水噴霧降塵技術

針對傳統外噴霧存在的弊端,對噴嘴的結構、安裝位置、數量、布置方式及霧流噴射方向等進行改進,研究出雙滾筒采煤機新型外噴氣水噴嘴噴霧模塊降塵方法。具體示意圖如圖15所示。

圖15 氣水霧化噴嘴在采煤機上的布置示意圖

2)采煤工作面隔塵簾

沿著采煤工作面的方向,每隔25 m在液壓支架下面設置一道隔塵紗簾,對含塵氣流進行控制,阻止采煤時含塵氣流向下風向和整個場空間擴散。平面布置如圖16所示。

圖16 綜采工作面隔塵簾安裝平面布置圖

3)綜采工作面智能定位與噴霧除塵技術

利用智能定位傳感技術, 將采煤機割煤、移架、放煤噴霧系統合為一體, 根據各作業點的塵源分布情況,在采煤機割煤、移架放煤作業的風流下方自動順序開啟/關閉數道扇形強霧進行高效降塵。自動噴霧裝置如圖17所示。

圖17 液壓支架自動噴霧裝置安裝示意圖

4)移架作業時的自動噴霧除塵( 移架自動噴霧)

工作面移架作業時,在其風流下方自動開啟/關閉扇形強霧進行噴霧降塵,經延時后關閉當前移架除塵噴霧,實現工作面移架智能噴霧除塵。

5)回風巷氣液兩相噴霧降塵裝置

引進巷道全斷面水氣兩相噴霧裝置,實現氣動霧化,霧化效果好,水霧可漫布較長的巷道空間,充分利用水霧。

4 結論

對東歡坨煤礦通過理論分析、現場調研、實測數據、數值模擬等方法,在礦井綜合防塵技術方面取得了一定的成果,為礦井粉塵控制提供理論指導和技術措施。主要結論如下:

(1)結合礦井實際,提出“理念先行、體系健全、管理到位、持續改進”的礦井人-機-環-管綜合防塵理念及思路。進一步加強井上下安全文化建設,日常工作中注重宣傳教育、管理制度建設、職工健康監護等方面工作,提高廣大職工防塵意識和管理水平。

(2)綜掘工作面在割煤工序中產生粉塵濃度高,呼吸性粉塵所占比例大,超過50%;粉塵濃度在工作面回風側3～10 m距離粉塵濃度較高,最大值大約距掘進面5 m,以后距離增加逐漸降低。

(3)總結綜掘巷道中粉塵的運動和分布特點,提出了由柔性附壁風筒及除塵器組成的綜掘工作面通風除塵綜合防塵體系,并依據氣固兩相流理論,建立數值計算模型,對粉塵顆粒的運動規律軌跡以及濃度分布進行了模擬分析。粉塵濃度最大點距產塵點的距離與產塵強度、高度和風速等參數有關,機械設備運動幅度越大,產塵強度越大,塵源越高,粉塵濃度最大點距離塵源越遠。綜采工作面各個工序粉塵濃度從大到小依次為割煤、移架和轉載。