綜放工作面綜合降塵技術研究

石 俊

(山西汾西礦業(集團)有限責任公司 礦山救護大隊,山西 孝義 032300)

綜放工作面生產現場具有開采設備多、空間狹小以及粉塵產生量大等特點[1-3]。綜放工作面在回采期間,若未采取防塵措施,采面粉塵質量濃度可超過4 000 mg/m3,高濃度粉塵會顯著影響井下作業人員的身體健康、制約采面生產效率并造成較大的安全風險[4-6]。綜放工作面回采時產塵點多、粉塵質量濃度高,采用單一的降塵措施時效果不顯著[7-8]。文中就以山西某礦3301綜放工作面回采為工程背景,對采面回采過程中采用的綜合降塵技術進行分析,以期為其他礦井類似綜放工作面降塵工作開展提供經驗借鑒。

1 工程概況

3301綜放工作面為南翼三采區首采工作面,采面設計推進長度為2 890 m、傾向斜長為178 m.采面回采的3號煤層結構較為復雜,內部含有2～5層泥巖、炭質泥巖夾矸層,煤層厚度在4.98～10.96 m、均值為7.69 m,煤層埋深均值為350 m,煤層頂板以砂質泥巖、泥質灰巖為主,底板以細粒砂巖以及泥巖為主。3301綜放工作面回采使用的采煤機型號為MGTW280/600、液壓支架型號為ZF6000/17/31,設計機采高度為2.8 m、放煤高度為4.89 m,采放比為1∶1.76,設計推進速度為3.2 m/d,供風量為1 800 m3/min,采煤機司機位置風速為2.6 m/s.雖然MGTW280/600采煤機隨機配備有內外噴霧系統,受噴霧壓力小、噴嘴覆蓋范圍有限等因素影響,降塵效果不佳。由于采面開采強度大以及回采范圍內3號煤層原始含水率低、產塵強度高等,采煤司機位置粉塵質量濃度最高可達到750 mg/m3,嚴重影響了現場作業人員的身體健康,降低了采面煤炭回采效率。

2 采面綜合降塵技術方案

針對3301綜放工作面現場特點,從降低采面生產期間粉塵產生量、快速降塵兩方面進行粉塵防治。

1) 針對回采區域內3號煤層厚度大、煤層含水率低以及產塵強度大等特點,提出通過高壓脈沖注水方式增加煤層含水率,從源頭上降低采面回采期間粉塵產生量;

2) 對采煤機、液壓支架等各位置布置的噴霧降塵系統進行優化,提升噴霧降塵效果,實現采面快速降塵并抑制粉塵擴散范圍。

2.1 高壓脈沖注水

2.1.1 注水鉆孔布置參數

由于3301綜放工作面回采的3號煤層較厚以及采面斜長較長,因此在采面進風、回風巷內均布置注水鉆孔,同時鉆孔采用扇形布置方案,提高煤層注水效果。具體采面內注水鉆孔布置情況見圖1.一組鉆孔包括2個鉆孔,其中上部鉆孔有一定仰角且鉆孔終孔應達到3號煤層頂板,下部鉆孔平行煤層布置,鉆孔開孔位置與巷道底板間距為1 600 mm.鉆孔孔徑統一為73 mm,孔深均為80 m,鉆孔間距為20 m,采用水泥砂漿封孔,深度在15 m以上。

圖1 注水鉆孔布置示意

2.1.2 注水方式

可依據采面回采期間礦壓分布規律、前方煤體裂隙擴展情況等合理選擇注水時機,以便提高煤層注水效果。3301綜放工作面回采期間前方0～60 m為超前支承壓力影響區,其中采面前方5 m范圍內煤體裂隙較為發育,因此將注水時機選擇在采面前方5～60 m范圍內。采面煤層注水系統主要設備包括高壓脈沖式注水泵、注水管路以及注水監控裝置等,具體見圖2.

圖2 高壓脈沖注水系統示意

煤層注水壓力與埋深、煤層強度等有關,確定的注水壓力以不壓裂煤層為前提,注水壓力可通過下述公式確定:

(1.2～1.5)PG≤PZ≤PR

式中:PG為開采煤層瓦斯壓力,取0.73 MPa.PR為覆巖應力,PR=ρgH.ρ為覆巖密度,取2 400 kg/m3;g為重力加速度,取10 m/s2;H為煤層埋深,取350 m,計算得到PR=8.4 MPa.

煤層注水壓力過小會導致注水量偏低,注水量過大則可能存在壓裂煤層、頂板問題,因此根據以往注水經驗及上述計算結果,確定脈沖注水壓力峰值為7.5 MPa.

2.2 優化采面噴霧降塵系統

2.2.1 采煤機高壓噴霧優化

為減少采煤機割煤期間粉塵產生量,對采煤機內外噴霧系統進行優化,具體措施為:

1) 采煤機內噴霧優化。采煤機內噴霧系統供水由采煤機電機冷卻水提供,對噴霧參數進行優化,具體為:采煤機內噴霧壓力提升至2.0～3.0 MPa;內噴霧噴嘴直徑優化為1.2～1.5 mm;噴嘴流量提升至1.0～3.0 L/min.

2) 增設外噴霧裝置。在采煤機滾筒附近增加低壓大流量噴霧裝置,實現割煤滾筒附近以及截割煤體浸潤效果,減少揚塵。噴霧參數為:噴嘴噴霧壓力≥5 MP;噴嘴直徑為1.2～1.5 mm;噴嘴流量為2.5～5.0 L/min.

2.2.2 液壓支架噴霧降塵優化

為更好地降低采面粉塵質量濃度,在液壓支架前梁、左右護板以及放煤口等位置增加噴霧裝置。

1) 支架前梁噴霧裝置。采面液壓支架前梁位置除塵裝置布置情況見圖3.噴霧裝置噴霧時間、噴霧數量以及與采面間隔噴霧架數等均可根據需要進行設置。在液壓支架前梁中部靠左側位置布置4個廣角噴嘴,實現支架外側有效噴霧,采用的噴嘴直徑為1.2 m、噴霧壓力為8 MPa、噴霧流量為3～5 L/min、噴射擴散角為70°～80°、噴霧有效射程為1.5 m.在采面采煤機割煤以及液壓支架移架期間,對鄰近支架間間隙進行噴霧,實現有效降塵。

圖3 液壓支架前梁除塵裝置布置示意

2) 支架護板噴霧裝置及防塵罩。具體液壓支架左右護板上噴霧裝置布置情況見圖4.

圖4 支架護板噴霧裝置及防塵罩布置示意

在支架頂梁左右護板位置各布置6個廣角噴嘴,采用的噴嘴直徑1.2 mm、噴霧流量6～8 L/min、噴嘴擴散角60°～70°、有效射程1.0 m、噴霧壓力8 MPa;通過在液壓支架間增設防塵罩,可有效抑制粉塵外溢量并減少噴霧水對現場工作人員的影響;通過噴霧、防塵罩等實現支架降架、移架等環節粉塵有效治理。

3) 放煤口增設噴霧裝置。具體液壓支架放煤口支架連桿上噴霧裝置布置情況見圖5.支架尾梁上布置2組4個噴嘴,噴嘴直徑均為1.6 m,與垂直面均有15°～25°夾角,噴霧壓力為8 MPa、射程為1.4 m、流量為8～10 L/min,噴嘴擴散角80°～90°.

圖5 支架放煤口噴霧裝置布置圖

3 粉塵綜合治理效果分析

在3301綜放工作面實施綜合降塵技術措施后,采面各位置粉塵濃度均明顯降低。特別是采面進行高壓脈沖注水后,煤體含水率增加量超過1.79%,可有效減少采煤機割煤及支架移動、放煤過程粉塵產生量;對采煤機、液壓支架噴霧系統進行優化后,噴霧系統可實現采面主要產塵點全覆蓋,有效降低采面粉塵質量濃度。綜合降塵技術應用后粉塵治理效果統計結果見表1.從表1可以看出,采用綜合降塵技術后,采煤機司機及放煤支架后方3 m位置全塵質量濃度分別降至121 mg/m3、97 mg/m3,降塵效率分別達到83.87%、80.52%,呼吸性粉塵質量濃度分別控制在38 mg/m3、22 mg/m3以內,表明現場采用的粉塵治理措施取得了較好的應用效果。

表1 采面粉塵質量濃度統計結果

4 結 語

針對3301綜放工作面開采強度大、煤層原始含水率低、粉塵產生量大等特點,結合礦井現場實際情況,提出綜合煤層注水、噴霧方式進行采面降塵,具體通過高壓脈沖注水方式提高煤層含水率,從根本上降低煤炭開采期間粉塵產生量;對采煤機機載噴霧系統以及液壓支架噴霧系統進行優化并增加噴霧裝置,從而實現煤炭截割、移架、放煤等環節產塵點全覆蓋噴霧降塵,有效抑制產生點粉塵產生量并控制粉塵外溢量。

綜合降塵技術在3301綜放工作面工程應用后,采面各位置粉塵質量濃度明顯降低,為煤炭高效回采創造了良好條件,同時有效改善了現場作業環境。