綜掘巷道粉塵防治技術研究

申志磊

(汾西礦業 正文煤業,山西 孝義 032300)

隨著先進的大功率采掘設備的推廣應用,井下采掘作業面自動化生產水平以及推進效率均不斷提升[1-2]。綜掘機的推廣使用可明顯緩解礦井采掘接替緊張、掘進工作勞動強度大等問題,掘進機截割破煤巖、運輸等產生的粉塵量較大,對工作人員的身體健康造成較大威脅,同時高濃度粉塵也會降低現場作業設備的使用效率[3-4]。減少粉塵產生量并抑制粉塵外溢是實現掘進期間粉塵有效防治的關鍵,現階段煤礦井下常用的除塵技術措施包括噴霧、注水、除塵風機以及優化通風等措施,現場應用均取得一定成效[5-8]。文中以山西某礦5503運輸巷為工程背景,結合以往研究成果及掘進巷道粉塵治理經驗,針對巷道掘進期間粉塵產生量大的問題,針對性地提出粉塵防治技術措施,達到了改善掘進巷道迎頭作業環境、提高巷道掘進效率的目的。

1 工程概況

5503工作面回采的5號煤層厚度均值為4.5 m,傾角5°～12°,煤層賦存穩定,頂底板巖性以泥巖、細砂巖以及中粒砂巖為主,采面采用大采高開采工藝。5503工作面斜長、推進距離分別為226 m、2 890 m,回采巷道均沿著5號煤層底板掘進。5503運輸巷設計掘進長度為2 950 m,巷道設計為矩形斷面,凈寬、凈高分別為5.0 m、4.5 m,采用錨網索支護方式。

5503運輸巷掘進區域內地質構造不發育,掘進區域內煤質情況如表1所示。巷道FBDYNO5.6/(2 kW×11 kW)局部通風機供風,額定供風量為400 m3/min.由于5503運輸巷掘進速度較快、掘進強度大,導致巷道掘進迎頭粉塵質量濃度最高達到715 mg/m3,給現場作業人員的身體健康造成較大威脅,同時也降低了巷道掘進效率。為此針對5503運輸巷掘進工作面現場情況,提出了粉塵綜合治理技術措施,現場應用取得較好效果。

表1 煤質參數

2 巷道粉塵防治技術

5503運輸巷采用綜掘機掘進時主要的產塵點有4個,分別為掘進機截割破煤巖、星輪旋轉裝載、裝載點拋煤以及圍巖支護鉆孔等,其中割破煤巖、星輪旋轉裝載粉塵產生量占比超過85%,是掘進巷道粉塵防治的重點區域。

2.1 掘進機高壓噴霧優化

5503運輸巷采用的EBZ120掘進機自身配備外噴霧系統,但是未針對掘進巷道產塵點進行針對性優化,隨著使用時間的增加,機載噴霧系統出現一定程度的損壞,有噴嘴堵塞等情況,無法實現高效降塵的效果。為有效減少掘進機截割部粉塵量,采用的噴嘴應具備霧化效果好、噴霧射程遠以及噴出霧滴粒徑小等特點。采用的機載外噴霧系統包括8個噴嘴、上下2個半圓形供水鋼管。供水鋼管起到供水、固定噴嘴的作用,上、下兩個半圓形供水鋼管分別安裝5個、3個噴嘴。安裝的噴嘴均向外側傾斜20°,以實現噴霧對截割頭的全包裹。

掘進機星輪旋轉裝載是另外一個產塵點,為此在掘進機機身前方下側位置均勻布置4個噴嘴,噴嘴的霧化角度均設計為90°,確保噴嘴噴霧可實現星輪旋轉鏟板全覆蓋,減少產塵量。掘進機高壓噴霧系統安裝布置情況如圖1所示。

圖1 掘進機高壓噴霧系統安裝布置示意

2.2 除塵風機降塵

在5503運輸巷掘進期間,雖然在掘進機上增設了外噴霧系統,但是在截割及裝載過程中仍會有粉塵外溢,同時在掘進機截割期間煤體掉落也會產生大量的粉塵,掘進迎頭粉塵質量濃度較高。為此,在5503運輸巷掘進迎頭采用除塵風機進行負壓降塵,如圖2所示。

圖2 除塵風機布置示意

在掘進迎頭除塵風機降塵使用的主要設備包括附壁風筒、除塵風機以及硬質抽風筒等。在靠近壓風筒出口位置布置附壁風筒,在附壁風筒內改變部分風流流向,其中縱向風流吹向掘進迎頭,橫向風流吹向巷道壁、迎頭兩個方向,在抽風筒風流、縱向及橫向風流等共同作用下形成抑制迎頭粉塵外溢的空氣幕。除塵風機選用Φ500 mm的高分子硬質風筒,選用的除塵風機型號為KS-400,風機處理量設定為300～350 m3/min.

2.3 凈化水幕

為進一步降低5503運輸巷內的粉塵質量濃度,在距離掘進迎頭30～50 m范圍內布置2道自動控制的噴霧水幕,如圖3所示。在噴霧水幕上方均勻布置4個噴頭,噴霧壓力為3～5 MPa,噴嘴擴散角均為60°、噴嘴直徑1.2 mm.噴霧水幕采用紅外傳感器、電磁閥控制,當紅外傳感器監測到有行人通過時即向電磁閥發出指令,暫停噴嘴供水,自動停止噴霧。

圖3 凈化水幕示意

2.4 活性磁化水

為提高高壓噴霧及凈化水幕的除塵能力,將表面活性劑加入到噴霧用水中,提升噴霧用水對粉塵的捕獲能力。巷道噴霧用活性磁化水的制備過程如圖4所示,制備的活性磁化水中活性添加劑質量濃度控制在0.03%左右。

圖4 活性磁化水制備過程

3 粉塵防治效果分析

在5503運輸巷掘進期間,通過綜合采用優化BZ120掘進機高壓外噴霧系統、增設除塵風機降塵、布置凈化水幕以及采用活性磁化水進行噴霧降塵等粉塵治理措施后,巷道內粉塵質量濃度得以明顯降低。治理前后巷道內各位置粉塵質量濃度監測結果如圖5所示。

圖5 綜合防塵措施應用前后粉塵質量濃度對比結果

由圖5可知,巷道內各位置粉塵質量濃度均得以明顯降低,綜掘司機位置全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別控制到37.7 mg/m3、22.4 mg/m3,巷道內距掘進迎頭25 m位置處全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別控制到34.4 mg/m3、19.7 mg/m3以內,表明粉塵治理措施取得了較為顯著的應用效果。

4 結 語

5503運輸巷采用BZ120掘進機掘進時,受速度快、進尺深以及原有除塵措施效果不明顯等因素影響,巷道掘進期間粉塵質量濃度偏高。為此,結合現場情況,采用優化掘進機噴霧系統、增設除塵風機、布置凈化水幕以及采用活性磁化水噴霧等方式防治,并給出布置方案。

現場應用后,5503運輸巷掘進期間粉塵質量濃度高的問題得以較好解決,其中,綜掘司機位置處全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別控制到37.7 mg/m3、22.4 mg/m3,粉塵質量濃度降幅分別達到94.0%、93.1%;巷道內距掘進迎頭25 m位置處全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別控制到34.4 mg/m3、19.7 mg/m3以內,粉塵質量濃度降幅分別達到91.8 %、91.0%.防塵技術應用后,有效改善了5503運輸巷的空氣質量,為掘進工作人員創造了良好的工作條件。