综掘工作面产尘特点及防治技术研究

2020-08-01王志宝

沈阳理工大学学报 2020年2期

王志宝

(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)

矿井综掘工作面是井下最大的产尘点之一,综掘工作面80%的粉尘是由掘进机掘进过程中破碎煤岩产生的，是综掘面第一尘源，一直是威胁煤矿安全高效生产的重大危险源[1-3]。据统计，当掘进机作业时，综掘工作面粉尘浓度高达1000～3000mg/m3，严重的高达4000mg/m3以上，呼吸性粉尘浓度达800～900mg/m3，总粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度都严重超标[4-6]。工人长期暴露在高浓度粉尘的作业环境，易患尘肺病，粉尘还能引发煤尘爆炸，降低煤矿设备的使用寿命，影响作业人员的视线等[7-9]。

实践表明，针对综掘工作面采用单一的防降尘措施，降尘效果不理想[10-12]。因此，必须结合现场实际生产特点，在深入研究掘进机作业时粉尘分布规律的基础上并考虑掘进机作业时的移动性特点，选择适宜的降尘措施，才能取得较优的降尘效果。本文通过实验室试验对高河矿综掘面产尘性能和粉尘分布规律进行研究，为其粉尘治理提供理论指导。

1 工作面概况

高河矿综掘工作面长1187m，综掘工作面沿2#煤底板掘进，煤层厚度3.09～8.50m，平均厚度6.20m，煤层倾角5～10°，煤层硬度f值为1.5，煤层层理发育，节理一般，自燃发火期90～150d，煤尘具有爆炸性，挥发份含量25%，巷道涌水量预计为5～30m3/h，工作面直接顶与直接底均为泥岩和粉砂岩。该掘进工作面采用锚网索加钢筋梁联合支护形式，断面为矩形，宽5.4m，高3.4m，面积18.36m2，净面积16.28m2。采用EBZ-200型掘进机全断面掘进施工，机后跟1部1m宽皮带，接2#煤中央辅助运输大巷1部胶带输送机，胶带输送机型号为SSJ-100/40/2×200，刮板输送机型号SGD-630/150。巷道循环进尺为1.6m，日进尺12m，最大空顶距为1.9m，最小空顶距为0.3m。选两台FBDNO7.1/2×30kW型对旋轴流式局部通风机(一台工作，一台备用)，供风量大于495m3/min。

为降低综掘工作面的粉尘浓度，在掘进机机身上安装了二次负压降尘装置，采用高压外喷雾降尘，但在实际使用时，由于截割工艺和井下水质问题，常常会堵塞喷雾系统而影响降尘效率，掘进机正常作业时，司机位置处总粉尘浓度平均值为1823mg/m3，掘进机机尾15m处粉尘浓度高达780mg/m3，严重危害着作业人员的身心健康。

2 综掘工作面产尘性能及粉尘分布规律

2.1 产尘性能分析

煤和岩石的产尘性能是表征煤在外力作用下产生细微粉尘的能力，主要有产尘能力P、破碎性指标N和破碎程度λ三个指标[13]。测定P、N、λ三个指标，就可以知道该种煤或岩石的产尘性能。现场采取煤层煤样，在实验室测试其粒度分布、产尘能力、煤破碎性指标、煤破碎程度指标及呼吸性粉尘在粉尘中含量，结果如表1和表2所示。

表1 煤层煤样粒度分布测定结果

呼吸性粉尘是空气动力径小于7.07μm的粉尘，粉尘粒度分析测试结果为斯托克斯粒径，将空气动力径7.07μm换算为斯托克斯径为5.85μm。然后通过粒度分布结果求出d<5.85μm的呼吸性粉尘在粉尘中的比例，计算测定结果如表2所示。

表2 煤层煤样产尘性能测试结果

通过对煤层进行产尘性能分析测试和结果计算，表明该煤层产尘能力偏大；破碎性指标偏低，煤破碎后粒度分布范围较窄；破碎程度指标λ值偏高，煤经破碎后产生的细粉尘较多，细粉尘和呼吸性粉尘在破碎后粉尘中占的比例大，需采取针对呼吸性粉尘治理的有效措施。

2.2 粉尘分布规律

在现场采用AZF-2型呼吸性采样器采样，通过滤膜增重法计算测点粉尘浓度，每个测点(司机位置、一运转载点、二运转载点下风测5m、二运转载点下风侧10m)重复测量三次取平均值，掘进机在割顶煤、割中部及扫底时的巷道前端的总粉尘浓度分布如图1所示，呼吸性粉尘浓度如图2所示。

图1 掘进机不同作业工序时总粉尘浓度分布

图2 掘进机不同作业工序时呼吸性粉尘浓度分布

从图1和图2可以看出，掘进机作业时司机处总粉尘及呼吸性粉尘浓度最大，对于不同的作业工序割顶煤时的粉尘产生量最大，割中煤次之，扫底最小。掘进机司机处的总粉尘浓度可达到2231mg/m3，割中部时总粉尘浓度为1056mg/m3，扫底时的总粉尘浓度相对较低为440mg/m3，分析为掘进机割顶煤时大量煤体从高处垮落冲击产生再次产生扬尘。随着风流的向后运移，在割顶煤和中部时，总粉尘粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度均逐渐降低，但在经过二运转载点后总体粉尘浓度又有一定的上升，说明二运转载点处也是粉尘的一个产尘点。

3 粉尘防治措施及效果分析

3.1 掘进机高压外喷雾

为降低综掘工作面的粉尘浓度，在掘进机机身上安装了二次负压降尘装置，采用高压外喷雾降尘。通过对高压喷雾开启前后综掘工作面粉尘浓度进行测试，其结果如图3所示。

图3 高压外喷雾开启前后综掘工作面总粉尘和呼吸性粉尘浓度变化

采用高压外喷雾降尘前，司机位置处总粉尘和呼吸性粉尘浓度平均值分别为1823mg/m3和850mg/m3，采用高压外喷雾降尘后，司机位置处总粉尘和呼吸性浓度分别降低至426mg/m3和236mg/m3，降尘效率达到76.6%和72.2%；采用高压外喷雾降尘前，掘进机机尾15m处总粉尘和呼吸性浓度分别高达780mg/m3和382mg/m3，喷雾降尘后总粉尘和呼吸性粉尘浓度分别为185mg/m3和107mg/m3，降尘效率达到76.3%和72.0%。

3.2 控除尘一体化装置工作原理及系统布置

由于掘进机为移动性尘源，综掘工作面尘源分布随掘进机作业在时间上和空间上不断变化，结合现场实测可知，综掘工作面单独采用掘进机高压外喷雾降尘效果有限。理论和实践均表明，采用长压短抽通风除尘系统较单一的压入式和抽出式通风系统更好地降低综掘工作面的粉尘浓度[14]。因此，采用集控除尘一体化的通风降尘系统，与掘进机保持同步移动，保持控除尘技术参数和几何距离参数恒定，可提高降尘效率和现场实用性。

综掘面车载式通风控、除尘一体化装置(以下简称“一体化装置”)及系统布置如图4所示。整个系统由：供风风筒、可伸缩风筒、轻质单轨吊系统、一体化装置和负压螺旋风筒五部分组成。一体化装置将附壁风筒和除尘器集成于一体，工作面的供风风筒与可伸缩风筒连接，通过一体化装置的风筒存储器存储可伸缩风筒(骨架或螺旋负压风筒)，同时将可伸缩风筒吊挂于轻质单轨吊系统上，通过悬挂于巷道顶部的轻质单轨吊系统将一体化装置前段的负压螺旋风筒吊挂于巷道顶部一侧，控制负压螺旋风筒的吸风口距工作面迎头距离不大于3m。

1.一体化装置；2.掘进机；3.胶带输送机；4.单轨吊系统；5.负压螺旋风筒；6.可伸缩风筒；7.供风风筒

掘进工作面向前推进时，一体化装置带动负压风筒向前移动到指定位置；同时带动风筒存储器内存储的可伸缩风筒在单轨吊滑轨上自动伸长；当存储的风筒完全伸展时，将风筒重新收入风筒存储器内，重新接续供风风筒。

掘进工作面未进行掘进作业时，调节压抽转换风筒为压风通风状态，供风风筒提供的风流经过存储风筒、附壁风筒、压抽转换风筒和抽尘风筒直接到工作面迎头，实现工作面的正常通风。

掘进工作面开始生产时，通过调节压抽转换风筒使得附壁风筒处于完全控尘状态，同时开启除尘器进行抽尘净化。当掘进作业结束时，控、除尘设备停止工作，工作面通风系统恢复至正常通风状态。

3.3 降尘效果考察

综掘工作面采用掘进机高压外喷雾和控除尘一体化装置后，在掘进机司机处和掘进机机尾15m处分别布置一个粉尘浓度测点(每个测点重复测量三次取平均值)，在距离巷道地板高度为1.5m处采用AZF-02型呼吸性粉尘采样器进行采样，在实验室用梅特勒电子天平AL204对采样前的滤膜和采样后的滤膜分别进行称重，采用Bettersize系列激光粒度分布仪分别对采样前和采样后的滤膜粉尘进行粒度分布测试从而获得R1和R2，并根据公式(1)、(2)、(3)来计算测点总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率，测试结果如表3所示。

(1)

式中：c为粉尘浓度，mg/m3；m1为采样前滤膜的质量，mg；m2为采样后滤膜的质量，mg；v为采样流量，L/min；t为采样时间，min。

(2)

式中：η总为总粉尘降尘效率，%；c1为采取措施前的总粉尘浓度，mg/m3；c2为采取措施后的总粉尘浓度，mg/m3。

(3)

式中：η呼为总粉尘降尘效率，%；R1为采取措施前的滤膜粉尘中粒径小于7.07μm的粉尘所占的质量分数，%；R2为采取措施后的滤膜粉尘中粒径小于7.07μm的粉尘所占的质量分数，%。

根据表3可知，采用掘进机高压外喷雾及控除尘一体化装置降尘措施时，掘进机司机处和机尾15m处的总粉尘降尘效率分别为91.2%和92.8%，呼吸性粉尘降尘效率分别为91.3%和90.8%，掘进机司机处和机尾15m处总粉尘降尘效率较单独采用高压外喷雾分别提高了14.6%和16.5%，呼吸性粉尘降尘效率教单独采用高压外喷雾分别提高了19.1%和18.8%，降尘效果明显。