矿井采掘面高效防尘技术及其发展趋势

句海洋，凌标灿，叶 峥，王金峰

(1.华北科技学院，北京 东燕郊 101601;2.徐州大屯工贸实业公司，江苏 徐州 221611)

0 引言

据实测，在综掘工作面不采用任何防尘措施的情况下，迎头的粉尘浓度为1200～1500 mg/m3，个别高达2000 mg/m3左右;在没有防尘措施的情况下，一般综采工作面的粉尘浓度可达2500～3000 mg/m3;在综放工作面，采煤机割煤和移架平行作业时，瞬时原始总粉尘浓度甚至高达10000 mg/m3，即使采取措施，多数工作面的情况依然相当恶劣，已经严重超过国家标准规定。为切实保护职业健康，国家煤矿安全监察局决定在全国范围内组织开展煤矿作业场所粉尘危害治理专项行动，2010年，国家安全监管总局、国家煤矿安监局关于印发《煤矿作业场所职业危害防治规定(试行)的通知》，采掘工作面粉尘防治技术越来越受到人们的高度重视。本文重点介绍近些年来采掘工作面防尘技术方面的研究成果，研究趋势，期望为我国煤矿采掘工作面粉尘防治提供多种方法和手段

1 采掘工作面防尘技术研究现状

1.1 煤层注水防尘技术

煤层注水，这一方法已经被世界很多产煤国家广泛应用，实践证明它是行之有效的防尘方法，20世纪的40年代，世界各国开始广泛试验和应用。我国在20世纪50、60年代开展了煤层注水防尘、湿式凿岩打眼等防尘技术的试验研究工作，在上世纪70、80年代以后以注水为主的综合防尘技术得到了广泛应用。目前在煤层注水防尘方面，注水参数是指进行注水时的流量、水压、注水速度、钻孔间距及钻孔深度等，根据国内外研究表明，煤层注水参数尚未形成一个明确的结论，应结合实际情况确定注水参数，董宪伟等人在千秋煤矿进行试验研究，对不同工作面煤层分别实施浅孔、中孔及深孔联合注水降尘新工艺，从注孔深度、间距等工艺参数进行分析研究和应用，使工作面产尘量减少50% ～80%，并节约注水时间，使注水效率大幅度提高［2］。

在煤层注水设备方面，煤炭科学院西安研究院研制了钻进装备，成功解决了三软煤层成孔率问题;针对煤矿井下全液压坑道钻机的存在的缺陷，西安研究院研制的履带式全液压坑道钻机，克服了传统钻机的缺点，将给进机身布置在行走平台的侧边与履带行走方向平行;煤炭科学院重庆研究院研制的矿用联动全液压钻机，采用由多路阀单元和联动单元组成的液压联动系统，实现旋转、移动、定位等液压联功能，提高了工作效率。

1.2 喷雾降尘技术

在喷雾降尘方面，我国研究出了综采工作面机组行走自动光控喷雾技术、高压外喷雾降尘技术、负压二次降尘、喷吸结合降尘技术，并在多家煤矿进行试验和推广应用。另外，为了防治巷道运输、转载点等地点粉尘的扩散，已研制成功多种类型的自动喷雾装置。内外嘴雾降尘效果的首要问题是保证水质洁净，其次是合理的喷雾参数。目前井下所用除尘水均是井下污水经过地面简单处理后的循环应用，难免出现煤泥等颗粒杂质，容易堵塞喷头;再加上雾化喷头非常细小，割煤等采掘活动也容易在喷头上沉积煤泥，造成喷头堵塞。

针对采煤机附近产尘量大且难以控制的特点结合采煤机喷雾除尘的技术特点，相关学者提出外旋双(多)层雾流罩封尘除尘装置，动力装置运转时，外喷雾形成高速喷射的锥形水幕密闭罩，有效控制粉尘扩散，与此同时内喷雾捕捉粉尘粒子。在该装置中，由于外旋水幕和内部喷嘴喷出雾粒具有高速旋转的引射卷吸作用，使其内部形成较强的负压区，被罩封的粉尘颗粒，基本不受外界风流流场的影响，因此粉尘颗粒可以多次与雾化粒子互相碰撞，多次增重而被捕集，因此其对呼吸性粉尘的降尘率尤为显著。

1.3 除尘器除尘技术

在采煤机上安装除尘器除尘是行之有效的措施之一，但由于高效除尘器的体积较大，难以在采煤机上安装，长期以来没有得到广泛应用。国外一些主要产煤国家都在煤矿井下广泛采用除尘器除尘。在除尘器的研究上，德国着重发展了干式布袋除尘器，通过用新型过过滤材料以便在高效率的情况下，提高风速，减少过滤面积，从而减小除尘器体积。

我国在除尘器方面也进行了一系列的研究，北京工业大学的徐莲研制了一种新型、高效的自激式除尘器，对呼吸性粉尘的除尘效率可达92%，且具有体积小、移动方便等特点，特别适用于矿井除尘。常建兵等人针对目前国内综掘工作面粉尘浓度大的现状，提出了将涡流控尘技术与湿式旋流除尘技术相结合的综合防尘方法，改善了掘进工作面环境，并且应用于现场取得了较好的除尘效果［3］。由煤炭科学院太原研究院研发设计首台连续采煤机新型机载湿式除尘系统，根据国内矿井的实际实际情况，率先采用了先湿润后吸附再分离的湿式除尘技术，通过在神东公司大柳塔煤矿进行试验表明，除尘效率高达97%以上，有效地达到了除尘降尘的目的，现已推广并批量生产。

1.4 空气幕防尘技术

空气幕防尘是利用风流流场的作用对粉尘的扩散进行控制。前苏联矿用机器中央科学研究院和斯阔琴斯基矿业学院共同研究了用于综掘工作面的压入抽出式通风除尘设备。其工作原理是在工作面附近形成一道防尘风幕，阻止粉尘向外扩散，再利用吸风管将含尘空气抽出。德国采用附壁风筒的设备将沿巷道的轴向风流变成螺旋推进的均匀旋转风流，形成一道空气幕，将掘进工作面的粉尘都挤压在迎头前形成高浓度粉尘，再利用风机将粉尘抽入除尘器进行处理。英国使用风帘(设于司机和采煤机之间)、集尘器和抽出式除尘风机等综合防尘措施，也取得了一定的降尘效果。

波兰研制出了利用涡流风筒控制掘进头粉尘扩散和利用复合除尘器净化含尘气流的机掘工作面综合防尘技术。利用涡流风筒内部的专用“风机”将压入式风筒出口的风流由轴向供风变为径向供风，沿整个巷道断面形成十分均匀的朝着工作面推进的螺旋风流，使工作面的高浓度粉尘被限制在掘进头附近，以便除尘器的高效率收集粉尘，实践证明:该风筒形成的附壁效应比德国研制的附壁风筒还强，更为重要的是它实现了除尘器、涡流风筒出口又自动将径向供风转变为轴向供风，保证工作面的安全生产。

近十年来，我国空气幕控尘技术己开始应用于煤矿机械化采掘工作面，并取得良好效果。煤炭科学研究总院重庆分院，利用附壁风筒产生的风流流场产生的附壁效应，将机掘工作面压入式风筒供给的轴向风流改变为旋转风流，在掘进机司机的前方建立起阻挡粉尘向外扩散的空气屏幕，再结合抽尘净化的方法，把含尘空气吸入除尘器中进行净化处理，有效降低机掘工作面粉尘浓度。上世纪九十年代，王海桥等人将空气幕隔尘技术应用于综采工作面，取得了很好的隔尘效果，同时对综采工作面空气幕隔尘作用机理进行了分析，并在此研究基础上得出了空气幕的隔尘效率与空气幕的外形尺寸、出口宽度、出口风速之间的关系，为设计合理高效的综采工作面隔尘空气幕，提供了理论参考依据。耿晓伟等人也针对采掘工作面产尘特点，设计了由风幕集尘风机和旋滤式除尘器联合组成的新型通风除尘系统，并对该集尘技术进行了较系统地研究，得出了风幕集尘风机具备了控制风速低、有效吸程大、防止粉尘扩散等优点［4］。

1.5 化学防尘技术

清水表面张力较高，微细粉尘不易被水迅速有效地湿润，对粉尘尤其呼吸性粉尘的捕捉效率普遍较低。为了改善水对煤的润湿能力，提高防尘效果，许多国家研究了以在水中添加表面活性剂为主的化学除尘技术。目前研究新绿色型环保化学抑制剂已成为亟待解决的问题。

我国化学抑尘技术虽然起步较晚，但发展迅速，特别是近年来，我国在化学抑尘方面的研究取得了快速发展，并且取得了一些专利，如由李满研制的煤尘抑制剂(已获国家专利，专利号为200810171888.x)，在煤层注水中，添加该种煤尘抑制剂，可增强水的渗透能力，明显缩短煤层注水时间(对于中等变质程度的煤质，当采用浓度为0.02%的煤尘抑制剂溶液时，40s左右可完全浸入煤体)，有效改善注水效果，降低采煤作业环境的煤尘浓度。加入煤尘抑制剂后，水在煤层中的铺展范围扩大，从而可以减少转孔数量，节省劳力。在煤层注水中，建议采用的药剂浓度为0.02%。作业中，也可根据煤质特点，将浓度控制在0.01% ～0.05%。在煤层打眼、机采作业中，加入0.1% ～0.2%的煤尘抑制剂，可改善喷雾抑尘效果，降低煤尘浓度80%以上。表1总结了近年来来国内外化学抑尘领域的部分研究成果和最新进展。

表1 我国化学抑制剂部分研究成果(2007～2012年)

1.6 粉尘监测技术

目前世界各国使用的测尘仪表主要归纳起来，主要可以分为三类:称重采样器、快速测尘仪和连续监测粉尘传感器。

对于粉尘测量仪器的研究首先是英国在1936年研究粉尘对人体的危害，并提出一些列设想，最终在1959年研制出能够同时监测呼吸性粉尘和非呼吸性尘的采样仪器，并由英国Rotheroe－Mitchel公司在此基础上发展计算机监测系统的研制，从而实现了粉尘浓度连续自动监测，此项技术迅速被世界各国采用［11］。随着技术的发展，日本利用光散射法，其原理是当含尘空气通过测尘仪被光照射时，粉尘对光会产生折射和反射、粉尘的散射光量与粉尘的质量浓度呈正比例关系，研制出手持式快速测尘仪。德国在精密电子仪器方面一直走在世界的前沿，生产的多种高精度粉尘监测仪器在各国被广泛应用，如KA11/Model3511利用称重法原理对粉尘浓度进行监测。

我国在粉尘浓度传感器及监测系统方面，首先由煤炭科学院究总院重庆分院在国家“十五”攻关过程中，率先研制成功粉尘浓度传感器，该传感器可以与煤矿井下的监测系统联网使用，基本实现煤矿井下粉尘浓度的连续监测部分功能。另外，中矿龙科能源科技(北京)股份有限公司开发的基于上位机—CAN总线—现场分站粉尘在线监测监控系统，进行测试试验并取得良好效果，系统监控分站将喷雾装置与除尘设备有机结合起来，实现现场粉尘浓度检测与控制，并且具有数据显示、阀值设置、故障自检以及人机对话等功能，采用CAN总线实现上位机与井下监控分站的数据传输功能，上位机提供了各项参数设置以及实时控功能。

2 采掘工作面防尘趋势

目前，我国矿井普遍采用人工、单点方式监测矿尘浓度，这种方式自动化程度较低，矿尘监测与防治技术正向着网络化、实时在线监控的趋势发展，研制综采掘工作面粉尘在线监测及联动自动喷雾系统，实现本安型粉尘传感器对井下粉尘浓度连续实时精确的监测功能，能够准确可靠的获得井下粉尘浓度传感器数据，仪器可以自动分析综采工作面粉尘的产生和运动规律，并实时进行远程控制和智能控制，从而为采取必要的除尘方法提供决策依据。

针对低渗透、疏水煤层，进行高压水力增透压裂技术研究，事先在煤层中人为通过注入溶液制造裂缝或裂隙，添加新型湿润剂提高疏水性难注水煤层的湿润性，以补充煤体损失的水分有效抑制开采过程中的产尘强度。

深入开展煤矿呼吸性粉尘危害治理关键技术及装备的研究。进行描喷工作面锚喷除尘一体化技术研究，完善和提高我国锚喷工作面的除尘技术;开发煤矿防尘设备远程在线监测监控系统，提高煤矿企业对井下设备的管理能力，研究高效湿润添加剂配方及其配比工艺、自动添加、水质保障成套技术及其装备，使呼吸性粉尘的降尘技术达到国际先进水平研展综掘工作面防尘关键工艺技术和成套技术研究提高我国机掘工作面防尘装备的实用性和适应性。

此外，国内外还在粘结式防尘、吸尘滚筒、泡沫降尘、隔离尘源、声波雾化降尘、磁化水除尘、预荷电喷雾降尘等方面进行了一系列研究，取得了一定的成果。经过现场应用，这些防尘措施效果显著，为我国矿井综合防尘探索了一条新途径。

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