矿用泡沫抑尘系统在综掘机上的应用

2021-11-27康克甫

工程技术与管理 2021年15期

康克甫

贵州能渝煤业开发有限责任公司，中国·贵州金沙 551800

1 引言

11402 机巷掘进工作面布置在K14煤层，K14煤层直接顶为厚度0.5～5m 灰色中厚层状粉砂岩，含碳化植物化石。老顶为厚度4m 的深灰色薄层状泥岩，夹0.2m 左右细砂岩。直接底为厚度0.5m 的深灰色粘土质泥岩，含植物化石碎片。老底为厚度3.2m 的灰色薄至中厚层状细砂岩，泥质胶结，水平层理。煤层厚度为1.7～2.1m，平均1.9m，煤层倾角一般在33～35°。巷道掘进采用三一重工EBZ200H 型掘进机，矸石运输方式采用综掘机二运加矿车转运，机车运输的方式。防尘措施主要采取综掘机内外喷雾降尘，外喷雾降尘，巷道全断面喷雾降尘等措施，掘进工作面工作人员和后方运输人员必须佩戴3M 防尘口。在实际使用过程中，综掘机内外喷雾效果不好，掘进巷道内产生大量含煤粉尘。

2 掘进机截割产尘机理分析

掘进机截割煤岩时尖锐的刀齿会与煤岩接触部分产生很高的接触应力，接触应力随截割力增大而增大，突破极限值时，就会在接触点处产生破碎。破碎发生区域较小，破碎煤岩粒径也比较小，因此破碎体不会排除至截齿外，只有随着刀体的进一步前进，才会再次破碎，直至形成压固核或密实核，刀齿的能量会利用密实核传给其周围煤岩。粉尘的产生是由于密实核积聚的能量释放，解除了其约束状态造成的。在未破碎的煤岩与密实核之间区域是许多微裂纹集合体，这些集合体会随着截齿截割力的增大而逐渐失稳，当截割力达到一定界限时，裂纹彻底失稳形成自由面而放出能量造成粉尘飞扬。

掘进机截齿类型有两种，分别为镐型齿和刀型齿，下面介绍盐井一矿使用镐型截齿破煤过程中的产尘机理。

如图1所示，镐型截齿破煤时截齿以速度Vj破入煤体，在截齿破入受力体瞬间时，镐型截齿表面对煤岩体的压力超过其抗压强度，煤岩体破碎，破碎面为圆锥面。施力加大截齿继续破入，镐刃周围煤岩破碎为粉末，形成密实核并不断扩大，其对周围煤岩张力也不断增大。如果煤岩体张力合力2R 大于BC 与AD 处拉应力合力时，则会在距离BC 与AD近距离处形成自由面，煤岩以1、2、3 的顺序崩落，结束了密实核的约束状态，其本身积聚的能量得到释放[1]。

图1 镐型截齿破煤产尘机理

3 井下粉尘的危害

①含有大量煤尘的粉尘遇到电气设备失爆产生电气火花、火星、弧光等容易产生粉尘爆炸，造成矿井灾难事故。

②粉尘对工作人员身体健康产生严重危害，长期在掘进工作面工作人员尘肺病发病率高。

③掘进工作面及后方巷道内能见度低，容易发生安全事故。

④大量的粉尘污染环境。

4 泡沫抑尘系统的现场布置

需要现场装配的部件有：发泡一体化装置、喷头支架、喷头和堵头。需要现场加工的部件有：泡沫分配器和喷头支架的安装机构。其中喷头支架的安装机构是用来固定喷头支架的，其上设置供喷头滑动的螺栓槽，便于实验过程中调节喷头角度和覆盖范围[2]。

泡沫降尘系统在11402 巷掘进工作面的布置情况如图2所示。降尘所用水流为原降尘用水的一部分，气源为压风的一部分。风水一体阀门的两个接口分别与水管和风管连接，发泡剂添加装置和发泡剂箱底部相连，依靠水管中水流的动力把发泡剂添加至水管中，风水一体阀门出口端的压风管接到发泡器上，连接管路都用直径为19mm 的高压胶管、发泡器、发泡剂添加装置和发泡剂箱连成一体固定在掘进机台面上，生成的泡沫采用直径为38mm 的胶管输送至泡沫分配器的入口，装有泡沫喷头的喷头支架由直径为25mm 的胶管和分配器的出口端连接，最后由喷头喷洒至产尘点，抑制矿尘的扩散。泡沫一体化发生装置布置在司机侧。

由于整个掘进工作面的产尘点主要在掘进机的截齿处，所以泡沫喷头的作用范围应该是切割滚筒的四周。由于泡沫会因重力作用向下运动，掘进机截割头下侧不易布置喷头，泡沫喷头的布置重点是掘进机截割头的上部和两翼，因此上部和两翼的喷头支架上各并排布置两个喷头，总计六个喷头，剩余的喷头安装口使用堵头将其封闭。喷头的布置情况如图2所示。喷头所喷出泡沫的扩散形式分别为：上部两个喷头呈水平扇形分布喷出，左右两翼的四个喷头呈倾斜扇形喷出，喷头扩散角度均为45°。喷头布置好以后，把水管和风管连接到发泡器上，最后把发泡器和泡沫喷头接通。根据设计的方案和多次井下现场实地勘察和测算，并增加安装垫块，最终将泡沫降尘系统安装完毕[3]。

图2 系统的安装与布置示意图

5 应用效果分析

泡沫降尘系统在11402 巷掘进工作面安装完毕后，进行了一系列应用试验。结果表明，泡沫降尘系统降尘优势明显，效果显著。

试验现场在司机处布置了粉尘浓度测点，分别测得了无措施时全尘及呼吸性粉尘浓度、防尘喷雾降尘时全尘及呼吸性粉尘浓度、泡沫降尘时全尘及呼吸性粉尘浓度各6 组数据，参考通风科已有的测尘数据，最终取各种情况下有效数据各4 组并进行对比分析，如表1所示。

表1 降尘效率的比较

11402 机巷属于全岩巷掘进工作面，通过对比分析可知，防尘喷雾降尘时全尘及呼吸性粉尘浓度可分别达到941.28mg/m3和402.88mg/m3，降尘效率分别为22.3%和25.4%。而泡沫降尘时全尘及呼吸性粉尘浓度分别为277.38mg/m3和120.5mg/m3，降尘效率分别为77.1%和77.7%。从所测得数据来看，泡沫降尘与防尘喷雾降尘相比，对全尘和呼吸性粉尘的降尘效果明显，分别是其降尘效率的3.46 倍和3.06 倍。