綜掘巖巷粉塵治理技術研究

任 凱

（山西焦煤集團介休正益煤業有限公司，山西 介休 032000）

0 引言

煤礦井下生產期間難以避免需要掘進巖巷，由于巖層較為堅硬，以往巖巷多采用炮掘方式掘進，放炮破巖期間工作人員在遠離掘進迎頭的安全位置，破巖時產生的廢氣及粉塵等均會通過局部通風系統排出，因而對現場作業人員身體健康威脅較小[1-2]。但是炮掘也存在掘進效率、工作人員勞動強度大等問題，難以適應煤礦高效開采需要。為此，隨著大功率、重型掘進機應用推廣，綜掘機在巖巷掘進應用更為廣泛，在提高掘進效率、降低勞動強度等方面均表現出顯著優勢。采用綜掘方式掘進巖巷時，截割頭直接截割堅硬巖體且無法通過超前注水方式降低粉塵產生量，導水截割期間會產生大量的粉塵，雖然現場工作人員均佩戴有防塵口罩等個體防護工具，但是常時間在高粉塵環境下工作仍會給身體健康帶來較為威脅；同時高濃度粉塵會也增大掘進設備磨損程度以及故障發生率[3-5]。眾多的研究學者對綜掘巖巷粉塵治理技術展開研究[6-8]，并提出采用“長壓短抽”、“高壓噴霧”、“水幕”等各種粉塵防治措施，文中就結合以往研究成果并以山西某礦南翼回風大巷掘產塵特點，提出針對性治理技術，以期改善綜掘巖巷現場環境條件。

1 工程概況

1.1 地質概況

南翼回風大巷設計在二2 煤底板細砂巖中掘進，巷道底板為泥巖、頂板為細砂巖。南翼回風大巷設計掘進長度為1 500 m，為矩形斷面，巷道凈寬5 100 mm、凈高4 150 mm，掘進用EBZ318（H）綜掘機+帶式輸送機實現，圍巖采用錨網索支護工藝。南翼回風大巷掘進時采用FBD2×30 kW 局部通風機（2 臺、一備一用），配合Φ800 mm 風筒，迎頭配風量約320 m3/min，配風量可滿足現場需求。巷道掘進期間設計采用的粉塵治理技術包括有水幕降塵、綜掘機噴霧降塵等，同時現場作業人員均按照要求全程佩戴防塵口罩。

1.2 迎頭產塵情況

在南翼回風大巷掘進期間，由于綜掘機直接細砂巖，受細砂巖巖密度大、孔隙不發育等影響，破巖時粉塵產生量及迎頭呼吸性粉塵占比等均較高；在局部風筒通風影響下，部分高濃度粉塵被吹至巷道頂底板及遠離風筒一側。

雖然EBZ318（H）綜掘機在掘進期間采用高壓噴霧方式降塵，但是仍無法有效降低掘進迎頭粉塵濃度高問題，若持續增大噴霧量，雖可在一定程度降低粉塵濃度，但是也面臨底板積水、弱化底板泥巖強度等問題。后對掘進機噴霧系統進行改進，在靠近結構頭位置增設高效外噴霧噴嘴，噴霧壓力為8 MPa、噴嘴有效噴霧射程≥2 m，通過水幕抑塵，具體外噴霧噴嘴布置見圖1 所示。

圖1 綜掘機外噴霧噴嘴布置示意圖

現階段在EBZ318（H）綜掘機在掘進期間掘進迎頭粉塵濃度整體較高，工作人員視野受限且長期暴露在高濃度粉塵中，影響作業人員身體健康、工作效率及掘進效率。

2 綜掘巖巷粉塵治理技術

針對南翼回風大巷掘進期間粉塵產生量大、大流量高壓噴霧導致底板積水（弱化底板泥巖強度）、粉塵濃度高等問題，提出用空氣幕除塵+全自動水幕降塵方式，改善掘進迎頭現場環境質量。

2.1 空氣幕降塵

南翼回風大巷內使用的空氣幕降有控塵、抽塵凈化兩個環節，主要設備有附壁風筒、抽風筒、除塵風機等，具體見圖2 所示。

圖2 南翼回風大巷迎頭空氣幕除塵結構圖

2.1.1 構建空氣幕抑制粉塵外溢

綜合附壁風筒、出風口及抽風筒等可在掘進迎頭形成空氣幕，在靠近掘進迎頭位置構建空氣幕，從而盡量抑制高濃度粉塵外溢。通過附壁風筒改變掘進仰頭風流方向，絕大部分風流通過附壁風筒垂向流動（即吹向巷道另一幫），少量風流吹向掘進迎頭，在側向風流、迎頭風流及抽風風流等共同作用形成抑制外溢的空氣幕，抑制高濃度粉塵粉塵控外溢并將粉塵通過抽風筒進入到除塵風機中進行處理。

附壁風筒可是構建空氣幕的關鍵，通過附壁風筒吹出的新鮮風流形成空氣幕，傳統的附壁風筒多為鐵質或者鋼質，存在有移動不便、重量大等問題。為此在南翼回風大巷采用高分子附壁風筒，附壁風筒長度為1 700 mm，調節附壁風筒內部圓形擋板可調整徑向、軸向風流風量配比。

2.1.2 抽塵凈化

除塵風機產生一定負壓并通過抽風筒將掘進迎頭含高濃度粉塵的氣體抽入到除塵風機中，對高濃度氣體處理后排出新型空氣。抽風筒Φ500 m、出口布置在綜掘司機前方500 mm 以外位置；除塵風機型號KS-400，布置在帶式輸送機伸縮機尾位置；除塵風機滯后綜掘機在30～35 m。除塵風機處理風量控制在280～300 m3/min。

2.2 全自動水幕噴霧降塵

為進一步降低南翼回風大巷內飄散的粉塵濃度，在掘進巷道掘進迎頭20 m、50 m 位置分別布置一道全自動噴霧水幕，具體水幕布置見圖3 所示。全自動水幕上方布置4 個扇形噴頭，噴頭擴散角均為60°，噴頭噴嘴孔徑為1.2 mm、噴霧壓力為5 MPa。全自動水幕采用電磁閥、紅外傳感器控制，當監測到人員通過時則自動停止噴霧。

圖3 水幕布置示意圖

2.3 噴霧水中添加新型化學除塵劑

在綜掘機高壓噴霧降塵以及水幕噴霧降塵時，采用普通軟化水由于水表明張力較高，難以實現細顆粒粉塵有效、快速包裹、沉降，降低噴霧效果。依據南翼回風大巷掘進時粉塵性質，提出在綜掘機高壓噴霧降塵、全自動水幕噴霧降塵用水中添加一定量的新型化學除塵劑。該除塵劑組成包括有兩性離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、無機鹽及非離子表面活性劑等，按質量比添加量配比為1.5∶2.5∶1.0∶2.0。采用電動自動添加裝置將新型化學除塵劑添加到噴霧用水中。噴霧水中添加新型化學除塵劑后，噴霧水表面張力降至30 mN/m 以內、10 s 后接觸角降至0°、沉降0.3 g 以下粉塵時耗時控制在10 s 以內，較普通軟化水除塵效率提升幅度超過10%。

3 粉塵治理效果分析

在南翼回風大巷內應用空氣幕降塵、全自動水幕噴霧降塵技術，并在降塵用水中增加新型化學除塵劑后，巷道內粉塵濃度得以明顯降低，有效改善了掘進巷道迎頭環境質量。具體粉塵治理技術后粉塵濃度測定結果見表1 所示。

表1 粉塵濃度測定結果

除塵技術應用后，巷道內各粉塵濃度均明顯降低，除去掘進迎頭外，其余各位置粉全塵及呼吸性粉塵濃度降幅均超過90%；綜掘司機出全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別降至36.4 mg/m3、20.8 mg/m3，掘進迎頭環境質量得以顯著改善、顯著增大了視野范圍。

4 結論

綜掘巖巷由于截割頭截割進尺深，在直接截割堅硬巖體，粉塵產生量更大，且由于巖體本身含水率較低、吸水性較差，難以通過超前注水降低粉塵產生量。綜掘巖巷粉塵產生量大成為制約巷道安全高效掘進的主要因素之一。依據南翼回風大巷現場實際情況，在掘進機原有高壓噴霧除塵基礎上，通過空氣幕除塵技術、全自動水幕噴霧降塵技術抑制高濃度粉塵擴展并進行降塵，同時在噴霧用水中增加新型化學除塵劑，提高掘進機及全自動水幕噴霧降塵效果。

依據南翼回風大巷現場情況，對空氣幕除塵及全自動水幕噴霧降塵布置進行詳細設計，并進行工程應用。現場應用后，南翼回風大巷內粉塵濃度高問題得以有效解決，其中掘進迎頭位置全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別控制在140.3 mg/m3、60.1 mg/m3以內，降幅分別為80.5%、84.6%；綜掘司機位置全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別控制在36.4 mg/m3、20.8 mg/m3以內，降幅分別為94.2%、93.5%。除塵技術應用后，有效改善了掘進巷道現場環境質量，取得較好粉塵治理效果。