综掘工作面综合降尘技术在葛泉矿的应用

白兰永 王 宽 周福宝 刘应科

(1.冀中能源股份有限公司葛泉煤矿,河北省沙河市,054102;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221008)

综掘工作面综合降尘技术在葛泉矿的应用

白兰永1王 宽2周福宝2刘应科2

(1.冀中能源股份有限公司葛泉煤矿,河北省沙河市,054102;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221008)

为了解决综掘工作面的粉尘危害问题,在分析了多种单一降尘措施的不足之处的基础上,提出了一套完整的、在空间和作用上均具有串、并联结构,集防尘、降尘于一体的综合降尘技术。该技术综合运用了煤体注水防尘技术、柔性附壁风筒辅助降尘技术、高压添加剂喷雾降尘技术以及除尘风机等,在葛泉矿11912运料巷综掘工作面进行了实际应用,结果表明,无防、降尘措施掘进时,平均全尘浓度为631.2 mg/m3,应用综合降尘技术后,掘进时平均全尘浓度降到51.41 m g/m3,降尘效率达91.85%。

综掘工作面 粉尘 综合降尘技术

矿尘是煤矿生产中的主要灾害之一。矿尘中的煤尘在特定条件下会发生爆炸,易导致重特大事故的发生,给企业和国家带来巨大的灾难和损失;而且矿尘易造成尘肺病,给矿工的人身安全、健康带来严重危害。近年来随着掘进工作面机械化水平的提高,综掘工作面的粉尘灾害愈来愈严重。因此,有效控制和降低综掘工作面的粉尘浓度,杜绝煤尘事故,对促进矿井安全生产、保障矿工健康具有重大意义。现有的降尘技术如煤体注水、喷雾降尘、除尘风机除尘等,虽然都起到了一定的降尘作用,但也都受自身因素影响,降尘效率不高。如煤体注水技术,由于润湿效果受注水时间、注水孔数量及长度、钻孔周边的裂隙情况、煤体的亲水性、煤体的透气性以及封孔技术等诸多因素的影响,使得防尘效果较不稳定;采用喷雾除尘时,由于井下水压及喷头的雾化效果有限,降尘效果不佳,而且含尘的雾滴随风流飘落、沉降在物体表面风干后,粉尘滞留在物体表面,易造成二次扬尘;采用除尘风机除尘,对呼吸性粉尘降尘效果较差,同时由于风机处理风量有限,当工作面风量偏大时,除尘效果不佳。所以,单纯地采用一种降尘技术无法达到理想的降尘效果。为了有效地提高综掘工作面的降尘率,中国矿业大学课题组针对综掘工作面的产尘现状,提出了综合运用多种措施对综掘工作面进行降尘的思路,在葛泉矿进行现场应用。

1 矿井概况

葛泉矿位于沙河市下解村附近,开采水平为-150 m,主采9#煤,设计生产能力为30万t/a,矿井服务年限为22年,为低瓦斯矿井。目前葛泉矿东井现有两个综掘工作面,分别为11912轨道巷掘进工作面和11912运输巷掘进工作面,均为全煤掘进工作面。由于该矿煤质坚硬,硬度系数可达2～4,机械化开采程度高,开采强度大。因此,两综掘工作面在无防尘措施生产时产尘量较大,平均全尘浓度达631.2 mg/m3,工作面10 m范围内能见度不到2 m。为了防止综掘工作面瓦斯超限,综掘工作面风量偏大,导致粉尘运动速度较高,粉尘分散度较大,无法进行集中降尘。采用水喷雾、洒水降尘技术后,由于煤尘亲水性差,降尘效果较差。为了有效地降低综掘工作面的粉尘浓度,中国矿业大学课题组针对葛泉矿综掘工作面的实际情况,提出了综合降尘技术,该技术包括煤体注水、柔性附壁风筒等防尘措施和高压添加剂喷雾、除尘风机等降尘措施。

2 综合降尘技术

由于该矿煤尘疏水性较强,课题组首先采用了煤体注水技术预湿煤体。该技术是重要的防尘措施,注入的水分一方面可沿钻孔周边裂隙预先润湿煤体内的原生煤尘,另一方面可通过虹吸现象有效地润湿、包裹住钻孔周边煤体的各个细小部分。落煤后还可使煤体在装载、运输、提升到地面等过程中保持润湿性。该技术具有一定的辅助防尘作用。

为了降低风筒末端出口风速,并借助风幕的阻隔作用滞留大量的粉尘,以利于高压添加剂喷雾集中降尘,可在普通风筒前端添加一段柔性附壁风筒。该风筒结构简单,安装拆卸方便,可对风流进行自然导向和分配,使风流形成良好的附壁效应,具有良好的辅助降尘作用。柔性附壁风筒的添加没有改变掘进工作面原有风量,但降低了附壁风筒末端出风口处的风速,减缓了掘进机掘进时产生的粉尘向巷道后方扩散的速度,使得大量的粉尘在掘进机司机前方滞留和积聚,为高压添加剂喷雾有效地作用于粉尘赢得了充足的时间;同时使得从附壁风筒条状导风管出来的风流沿巷道壁形成具有一定动能的螺旋状风流,产生良好的附壁效应,抑制粉尘飞扬,见图1(a)。为了增加空气帷幕滞留粉尘的效果,又在掘进机尾部安装了湿式除尘风机。当除尘风机与柔性附壁风筒同时使用时,柔性附壁风筒产生的螺旋状风流就会在除尘风机吸风口抽吸作用下使自身的动能大大增加,可在掘进机司机工作区前方建立起一道可阻挡粉尘向外扩散的空气帷幕,有效地滞留了掘进机工作时产生的粉尘,防止粉尘向外扩散。然后利用高压添加剂喷雾降尘技术通过惯性碰撞、截留、扩散、重力效应、静电效应和涡流凝结等捕尘形式对空气帷幕粉尘滞留空间内的粉尘进行预净化,同时通过除尘风机的集尘风筒插入空气帷幕内,可将存有含尘雾滴和雾滴空隙间逃逸的粉尘的风流吸入除尘器中进行二次净化,有效地避免了雾滴随风流飘落到物体表面后因风干或巷道冲尘不及时而引起的二次扬尘。

至此,各个措施相辅相成、相互依托,就形成了一套完整的,在空间和作用上均具有串、并联结构,集防尘、降尘于一体的综合降尘系统,见图1(b),可为井下掘进一线工人提供足够清洁的空气环境。

图1 综合降尘系统示意图

3 现场应用

根据葛泉矿现场实际需要,试验地点选在11912轨道巷综掘工作面,巷道净宽4.0 m,净高3.5 m,净断面12.3 m2,属于全煤掘进工作面。巷道每天掘进度在5 m左右,截止到2010年12月25日,该巷已掘进2600 m。掘进机采用EBZ160H悬臂式掘进机。采用压入式通风,利用局部能风机向掘进工作面供风,通风机为轴流式通风机,功率2×30 kW,工作面采用直径为600 mm的普通风筒,供风风量为470 m3/min左右。该综合降尘技术采用KCS-145ZZ/225ZZ矿用湿式振弦除尘通风机和由中国矿业大学课题组自主研制的柔性附壁风筒、高压添加剂喷雾除尘装置以及矿用降尘液,在巷道内配备一个乳化液泵和一个容积为1.6 m3、内含过滤装置的泵箱。试验所需的添加剂(即矿用降尘液)定量加入到泵箱中,使泵箱内溶液的浓度达到煤层注水和高压添加剂喷雾降尘所需的浓度需求,然后通过乳化液泵压送到工作面。

根据11912轨道巷掘进工作面的现场实际情况,对综合降尘技术中采用的各个措施进行了应用。

3.1 煤体注水

在11912轨道巷掘进工作面对煤体进行注水时,考虑到注水时间的长短及对综掘工作面掘进度的影响,利用工作面的探前孔作为注水孔,见图2,钻孔终孔直径为75 mm(用CSW 11-150型钻机打孔),钻孔长度达120 m左右。这样既有足够的时间让工作面前端的煤体润湿,减少煤尘的产生,又减少了工作量并节省了工作时间,不必额外打注水孔。在打长钻孔时考虑到钻杆的弯曲程度,钻孔位置选在工作面中央自上而下2/5处,沿着煤层倾向往前打钻。封孔方法采用添加了适量速凝剂、膨胀剂的水泥砂浆封孔,封孔深度为2～3 m。待水泥砂浆凝固、风干后,采用动压注水的方式进行注水。为了增加煤体注水技术的防尘效果,水源直接采用高压泵箱内添加了定量添加剂的高压溶液,注水时压力可达到4 M Pa,理论注水量为270 m3左右,进而由动压注水流量可计算出注水时间需达到12 h以上。

3.2 柔性附壁风筒

为了使柔性附壁风筒的附壁效应得到良好的发挥,并有效地配合除尘风机进行降尘,根据巷道每天进尺、煤矿安全规程及实践经验,确定柔性附壁风筒的前端出风口距工作面煤壁4 m,所以在距离掘进工作面10 m处的风筒向掘进工作面方向再接一节6 m长的柔性附壁风筒,见图2。

附壁风筒的尺寸为:(1)由于11912轨道巷现供风的普通风筒直径为600 mm,为了使附壁风筒方便与普通风筒连接,所以附壁风筒的筒体后端添加0.5 m长的风筒变径后端直径也为600 mm;(2)在长度为5 m、直径为500 mm的筒体上每隔500 mm安装1排条形导风管,共安装7排条形导风管;(3)筒体前端在添加一节0.5 m长的锥状出风筒,锥状出风筒的前端出风口直径为300 mm。按普通风筒连接、悬挂,随着工作面的推进只需在此附壁风筒后按日掘进度添加相同长度的普通风筒即可。

3.3 高压添加剂喷雾

高压添加剂喷雾装置主要由乳化液泵、贮液泵箱、高压胶管以及喷雾头构成,见图2。水源直接用泵箱中含有定量添加剂的高压溶液,压力在4～5 M Pa。由于泵内含有过滤装置,有效地避免了雾化喷头易堵塞的现象。高压溶液经喷雾头喷出后,溶液雾化效果好。喷雾头安放在掘进机截割头的上部及左右两边,对截割头切割煤体时的产尘部位进行了有效地包裹,使雾滴就近、集中作用于截割处产生的粉尘,减少粉尘逸散量。

图2 11912轨道巷综掘工作面示意图

3.4 除尘风机

根据巷道每天掘进度,为了使除尘风机与附壁风筒得到较好的配合,形成良好的附壁效应,除尘风机集尘风筒前端进风口与附壁风筒前端的垂距应保持在一定范围内(0.5～5.5 m);同时,为了防止高压添加剂喷雾未润湿粉尘前被除尘风机收入,而使高压添加剂喷雾的降尘效率降低,根据KCS-145ZZ/225ZZ除尘风机的使用参数及实践经验,除尘风机集尘风筒前端进风口距离高压添加剂喷雾头不应小于5 m,所以除尘风机安装在掘进机机尾上,使集尘风筒前端进风口与附壁风筒前端出风口的垂距为5.5 m。为了增加湿式除尘风机的降尘效果,湿式除尘风机所用水源可采用泵箱内含有添加剂的水。

4 应用效果

经现场应用后,通过10月到12月期间对11912轨道巷掘进工作面掘进机机尾后4 m处的粉尘浓度的测定发现,应用煤体注水防尘技术后,掘进时平均全尘浓度为393.41 mg/m3,降尘效率可达37.67%;综合应用煤体注水防尘技术和除尘风机后,掘进时平均全尘浓度为296.64 m g/m3,降尘效率可达57.28%;综合应用煤体注水防尘技术、柔性附壁风筒辅助降尘技术和除尘风机后,掘进时平均全尘浓度为189.29 mg/m3,降尘效率可达70.01%;综合应用煤体注水防尘技术、高压添加剂喷雾降尘技术和附壁风筒辅助降尘技术后,掘进时平均全尘浓度为111.01 mg/m3,降尘效率可达82.41%;应用综合降尘技术后,掘进时平均全尘浓度为51.41 mg/m3,降尘效率可达91.85%,见图3。由图3数据可看出,综合降尘技术不仅降尘效果好,而且数据波动小,抗尘能力强,系统稳定性较好。对比前3种防尘、降尘方式可发现,综合运用煤体注水防尘技术、柔性附壁风筒辅助防尘技术与除尘风机降尘效率比只用煤体注水防尘技术提高了近1倍。

图3 各降尘技术及降尘技术组合的降尘效果对比

5 结语

综合降尘技术在葛泉矿11912轨道巷掘进工作面现场应用后,有效地治理了掘进工作面粉尘灾害,大大改善了工人作业环境。目前,该技术又在葛泉矿11912运输巷掘进工作面进行了应用,也取得了理想的降尘效果。虽然该综合降尘技术安装、操作略微复杂,但降尘效果较理想,是一种有效的综合降尘技术。因此,该技术具有一定的推广前景,对矿井粉尘灾害的防治具有重要的意义。

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Application of in tegrated dust suppression technology to fully mechanized work face in Gequan Coal Mine

Bai Lanyong1,Wang Kuan2,Zhou Fubao2,Liu Yingke2
(1.Gequan Coal Mine,Jizhong Energy Resources Co.,Ltd.,Shahe,Hebei054102,China;2.Faculty of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

In order to solve the dust problem on the fully mechanized work face,an integrated dust suppression technology,with the com bination of dust prevention and dust dropping,was proposed after analyzing many sho rtages of sole dust-dropping measure,which is in the structures of series and parallel connection in the space and in the functions.Combined w ith water injection dust control technique,auxiliary dust-dropping technique by flexible wall attaching chimneys,high pressure additive spraying for dust control and dedusting fan,the integrated dust supp ression technology was applied to No.11912 fully mechanized work face in supply roadway of Gequan Coal Mine.The results showed that the average concentration of total coal dust decreased from 631.2 m g/m3to 51.41 mg/m3during evacuating after integrated dust suppression,with the dustdropping efficiency of 91.85%.

fully mechanized work face,dust,integrated dust suppression technology

TD714

B

白兰永(1965-),男,河北石家庄人,高级工程师,现任冀中能源股份有限公司葛泉矿总工程师。

(责任编辑 梁子荣)