矿井采运过程典型粉尘防治技术装备研发与应用

徐修平 李 刚,4 金龙哲 周 刚 孙 彪 刘建国

(1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司,安徽 马鞍山 243000;2.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司,安徽 马鞍山 243000;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山 243000;4.北京科技大学大安全科学研究院,北京 100083;5.北京科技大学国家卫健委粉尘危害工程防护重点实验室,北京 100083;6.山东科技大学安全与环境工程学院,山东 青岛 266590)

矿产资源是能源之源、材料之源,是社会发展、经济增长的重要物质基础。近年来,为满足人们日益增长的消费能力,国内各类矿山企业不断增加开采设备与人员投入,引进先进生产技术,提高企业生产能力。矿产资源开采量的快速增加导致井下生产性粉尘大量产生,高浓度粉尘严重影响了现场作业人员身心健康和生产安全[1-3]。据相关统计,2010年至今,我国每年新发尘肺病病例数平均为23 659例;2019年我国共新增15 898例尘肺病患者,其中矿山尘肺总占比达90%以上[4-5],因此矿山粉尘是我国尘肺病的主要致病物。庞大的尘肺病发病基数,使得我国每年因尘肺病引发的直接经济损失高达千亿元,尘肺病已严重影响到我国经济高质量发展、社会和谐进步。

随着机械化水平的不断提高,开采强度不断增加,矿井粉尘浓度超标现象异常严重。因此,研发矿井粉尘高效控除尘技术装备对于保障工人职业健康与安全、促进我国“健康中国”行动高效开展具有重大意义。现阶段,业内应对粉尘危害的主要思路是“预防为主,综合治理”。据不完全统计,金属矿山中有65%～75%的粉尘来自于地下采场,该类区域工作人员集中,设备多而复杂,是地下粉尘控制的热点区域[6-8]。目前已有措施包括通风排尘、湿式凿岩、喷雾降尘、水封爆破、干式凿岩捕尘、水幕或者空气幕隔离粉尘、干雾降尘、物化防尘等多项技术手段[9-12]。煤矿井下典型尘源主要为综采工作面、综掘工作面和胶带运输转载点[13-15]。针对综采工作面粉尘防治,国内外相关学者开展了粉尘防治的理论分析、技术研发和应用研究,并取得了显著进展,主要体现在通风除尘、注水减尘、喷雾降尘以及化学抑尘等方面[16-17];针对综掘工作面粉尘防治,为了减少巷道掘进时的粉尘生成量,主要采用掘进机内外喷雾、加强掘进通风、空气幕控尘、湿式除尘、泡沫除尘等技术装备进行防控和净化[18-19]。

为加快推进我国矿山“空气革命”进程,全面贯彻落实“面向人民生命健康”要求和2018年国务院提出的“尘肺病防治攻坚行动”以及2019年国家启动的“健康中国2030”战略规划,满足我国矿山智能、绿色、安全开采对粉尘防治的迫切需求,切实保障矿山劳动者的生命健康,本研究根据矿井生产和产尘特点,从矿井开采、掘进、运输3个典型作业环节入手,研发了矿井采运过程典型粉尘成套防治技术装备。理论分析及应用试验结果反映出,所研发的技术装备有助于大幅降低矿井工作面和巷道粉尘浓度,从而解决矿井粉尘防治技术难题。

1 矿井开采粉尘净化技术装备研发

1.1 金属矿采场爆破粉尘防治

本研究通过对多种表面活性剂与吸湿性无机盐复配,筛选出3种表面张力小的表面活性剂十二烷基苯环酸钠、十二烷基磺酸钠、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚,并复配出两种多组份水炮泥配方,经过热合成工艺获得了多组份水炮泥添加剂,并在南京梅山铁矿开展了现场试验。

1.1.1 多组份水泡泥抑尘机理

多组份水炮泥是按照一定比例将基料和辅料混合配制成的一种添加剂,其中吸湿性无机盐为基料,一种或多种表面活性剂为辅料。

多组分水炮泥作为一种复配的添加剂,具有比吸湿性无机盐和表面活性剂效果更优的粉尘润湿效果,能够明显增强水溶液爆破时雾化效果以及降低其表面张力,其抑尘机理主要为:

(1)液滴与矿尘碰撞,沉降效果得到增强。多组份水炮泥溶液密度大于传统水炮泥,爆破时迸发力更强,水炮泥溶液产生的雾滴更细更均匀、雾化范围大,增加了矿尘与雾滴的碰撞概率。同时,矿尘与雾滴结合后形成的混合颗粒密度也较大,提高了矿尘的沉降效果。

(2)矿尘被润湿能力得到改善。由于表面活性剂与吸湿性无机盐等的结合,在矿尘表面的亲水晶格上密实填充着表面活性剂,极大地改善了其亲水性,对难以润湿的矿尘更具有显著的效果。

(3)抑制二次扬尘的产生。多组份水炮泥中加入的吸湿性无机盐除了提高矿尘沉降速度外,还使得被润湿的矿尘继续保持吸湿性,通过吸收空气中水分从而具有一定的含水率,因此微细粉尘可以长时间保持润湿性,从而可以有效抑制二次扬尘的产生。

1.1.2 多组份水泡泥抑尘效果试验

在炮眼数量、装药量、水炮泥装入数量等外界条件等同的情况下,利用尘烟在线监测系统,从装药开始开机,直至爆破后可安全下井时结束,分别记录采场巷帮、巷中处粉尘浓度,并分别对不装水炮泥、装普通水炮泥、装两种多组份水炮泥(分别记为M1、M2)4种条件下粉尘数据进行了记录,结果见图1。

图1 不同条件下的爆破粉尘浓度变化曲线Fig.1 Variation curves of blasting dust concentration under different conditions

由图1可知:采场开始爆破后,瞬间产生大量粉尘进入巷道,随后粉尘浓度呈间歇性减弱的趋势,巷帮与巷中处粉尘浓度变化趋势基本一致。爆破后开启通风排尘系统,在通风大约1.5 h的情况下,粉尘浓度仍高于20 mg/m3,说明仅靠矿井通风排尘方式无法实现有效排尘,且通风成本高、耗时长。因此,有必要从爆破源头上进行粉尘防治。

对图1中4种条件下的爆破粉尘浓度数据统计发现:添加多组份水炮泥配方后有效抑制了粉尘产生量。与普通水炮泥相比,全尘产生量减少了90%以上,呼尘产生量减少了80%以上;通风1.0 h后粉尘浓度低于《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2020)规定的最高允许浓度值,并且大大节约了通风排尘时间,降低了通风能耗,提高了生产效率。

1.2 煤矿综采面粉尘防治

1.2.1 封闭雾化控除尘原理

煤矿综采工作面粉尘防治思路主要是针对采煤机区域截割产尘特点,采取采煤机区域和液压支架区域雾化封闭控除尘方式实现粉尘治理。采煤机区域封闭雾化控除尘原理如图2所示。按水雾幕与煤壁的距离,采煤机滚筒内喷雾、采煤机摇臂外喷雾和采煤机湿式除尘风机喷雾构成了采煤机区域封闭雾化控除尘体系。

图2 采煤机区域封闭雾化控除尘原理示意Fig.2 Schematic of closed atomization control dust removal in shearer area

液压支架区域封闭除尘原理见图3。针对截割粉尘由采煤空间向架前、人行道等有人作业空间的扩散运移规律以及移架产尘的特点,液压支架区域封闭雾化控除尘工艺原理可以概括为:①液压支架前探梁喷雾,形成的水雾幕可在工作面的采煤空间内形成煤壁至支架立柱间的全断面封闭;②液压支架架间文丘里组合式喷雾,该系统由文丘里负压除尘罩与超声波空气雾化喷嘴构成,形成的风、水双幕能够有效捕集、封闭由采煤空间向架前及人行道等有人作业空间扩散的小粒径粉尘,同时在水雾活塞及文丘里效应下,能有效抽吸呼吸带及其上部空间运移的移架粉尘。

图3 液压支架区域封闭除尘原理示意Fig.3 Schematic of closed dust removal in hydraulic support area

1.2.2 控除尘装备研究及应用

基于前文所述煤矿综采面控除尘原理,在采煤机区域,通过不断优化采煤机摇臂喷雾组并布置采煤机新型湿式除尘风机,构成了煤机区域局部雾化封闭控除尘技术装备系统;在液压支架区域,沿液压支架长度方向布置单水雾化喷嘴组,沿液压支架宽度方向布置文丘里雾化装置,构成了液压支架局部雾化封闭控除尘技术装备系统。将雾化封闭控除尘装置系统在枣庄矿业蒋庄煤矿905外工作面进行了现场应用,应用效果如图4所示。蒋庄煤矿905外工作面控尘效果测试参数见表1。

图4 煤矿综采面雾化封闭控除尘装置及现场应用效果Fig.4 Atomization closed dust control(removal)device in fully mechanized coal mining face and its field application effect

表1 综采工作面雾化封闭控除尘效果测试参数Table 1 Test parameters of atomization closed dust control(removal)effect in fully mechanized mining face

由表1可知:现场应用后,综采工作面雾化封闭控除尘技术装备对工作面平均总尘、呼尘降尘率均大于90%。因此,该装备对于综采工作面高浓度粉尘的治理效果显著,起到了积极有效的抑尘作用。

2 矿井掘进粉尘净化技术装备研发

2.1 金属矿掘进巷道粉尘防治

2.1.1 掘进巷道粉尘净化系统结构及原理

针对金属矿掘进巷道通风除尘效果不佳进而污染井下风流的问题,研发了一种运行可靠、操作简单、实用性强的掘进巷道粉尘净化系统装置。该装置由压风筒、抽风筒、变频调速装置、烟尘传感器、湿式除尘风机、通风机等组成,具体结构如图5所示。

图5 掘进巷道粉尘净化系统装置平面示意Fig.5 Plan schematic of the dust purification system device in heading roadway

结合图5分析可知,掘进巷道粉尘净化系统的工作原理主要为:压风筒将来自中段横巷上风侧的风流压入掘进工作面,风流在重力势能和动能的共同作用下,从压风筒出口流出后沿着正前方向下卷吸掘进工作面粉尘进入掘进巷道左右两侧的两条抽风筒,然后汇集到布置在中段横巷下风侧的出风筒,最后由湿式除尘风机净化后进入井下循环通风系统。压风筒布置于巷道中心位置顶部,抽风筒布置在两侧壁面的呼吸带高度处。如此布置可使得送风风流不存在与巷道壁面的贴附阻力,减少了通风阻力损失;抽风风流不存在涡流,能够均匀地被引入进抽风筒,提高了含尘气流的捕集效果。

2.1.2 现场应用效果

将该净化系统在铜山铜矿某掘进巷道开展了现场工业试验,结果见表2。

由表2可知:应用掘进巷道粉尘净化系统装置后,粉尘浓度显著降低,由应用前的31.5～222.5 mg/m3减少至应用后的2.5～12.7 mg/m3,除尘效率达到91%以上,掘进工作面的作业环境得到了极大改善,净化后的风流进入井下循环通风系统,有效提高了矿井风流利用率。

表2 掘进巷道粉尘防治试验效果Table 2 Test effects of the dust prevention and control in driving roadway

2.2 煤矿综掘面粉尘防治

2.2.1 综掘面风雾双幕协同增效控除尘装备研发

2.2.1.1 新型附壁风筒研发

本研究研发了一种新型智能化附壁风筒,如图6所示。其优点为:附壁风筒与分风器组合,实现了同步开启与关闭。系统操作简单,工人通过气控箱来控制分风器和附壁风筒系统。当分风器开启时附壁风筒关闭,当分风器关闭时附壁风筒开启。整个附壁风筒由内筒和外筒组成,内筒通过气动机械臂实现伸缩功能,目的是实现附壁内筒的开启与关闭。在整个外风筒侧面的1/3部分开出“2323”模式(附壁风筒一侧共设计8组条形分风口,尺寸分别为225 mm×70 mm(A型)与340 mm×50 mm(B型),2条A型出风口或3条B型出风口为1组,并呈间隔分布,确保侧向分时形成风幕墙,有效阻断尘源外溢,实现有效控尘)的方孔,整个方孔的面积按照一定的比例进行设计,确保侧吹风时形成风幕墙,有效阻断尘源外溢,从而实现控尘。

图6 新型附壁风筒实物图Fig.6 Physical drawing of the new wall attached air duct

2.2.1.2 巷道干雾净化水幕技术设计与研发

综掘面迎头空间内粉尘可以通过干式除尘及掘进机外喷雾降尘装置进行有效沉降,但仍有部分粉尘随风流扩散至巷道后部,造成粉尘污染,且大多为悬浮态的细小粉尘颗粒。因此,在与迎头一定距离处布置一套干雾降尘系统,可在巷道后部形成雾状水幕墙,其喷出的雾滴粒径较小,可有效阻挡粉尘向巷道后部运移。干雾测试效果如图7所示。

图7 干雾测试效果Fig.7 Test effect of dry fog

2.2.2 综掘面风雾双幕协同增效控除尘装备应用

风雾双幕协同增效控除尘装备在淮北矿业邹庄煤矿7703综掘工作面应用后,现场测定了各工序的粉尘浓度,并计算了降尘效率。测定结果显示:综掘工作面的粉尘浓度显著降低,总尘与呼尘平均降尘率分别为97.78%和98.13%。由此可知:综掘面风雾双幕协同增效控除尘系统可以显著降低综掘工作面的粉尘浓度,改善工作面区域的作业环境。现场应用效果如图8所示。

图8 风雾双幕控除尘系统应用效果Fig.8 Application effects of w ind fog double curtain control dust removal system

3 矿井运输粉尘净化技术装备研发

皮带运输转载点是矿井运输系统的关键产尘点。矿料与皮带一起做匀速运动,在转载点前方几乎是水平运动;当矿料运动到达转载点时,由于矿料做下落运动;当矿料落到溜槽上后,由于溜槽具有一定的坡度,矿料会沿溜槽下滑,再落到底层皮带上。由于存在落差,矿料在下落过程中受到空气阻力作用,使周围空气发生流动,产生不稳定气流,造成细小粉尘飞扬,引发扬尘。矿料含水率越低,其质量越轻,粉尘飞扬越严重。本研究以煤矿胶带运输转载点为例,分析半封闭干雾抑尘装置的研发情况与应用效果。

3.1 皮带转载点干雾降尘装置研发

皮带转载点的干雾降尘装置由干雾发生装置、封闭网、高压气水管路、支撑铁架4个部分组成,如图9和图10所示。转载点位于上皮带和下皮带之间,将封闭网安装在上皮带和下皮带之间,形成半封闭空间;在下皮带机底部安装支撑铁架,将干雾降尘装置安装在支撑铁架上,联通气水管路。干雾降尘装置由3组超声干雾喷头组成,每组3～5个,1组喷头朝向皮带机运动方向,2组喷头朝向封闭网空间,形成对落尘的全方位湿润捕集。

图9 皮带转载点干雾降尘装置工作原理示意Fig.9 Schematic of the working principle of the dry fog dust reduction device at belt transfer point

图10 皮带转载点干雾发生器实物图Fig.10 Physical drawing of dry fog generator at belt transfer point

3.2 溜煤眼处干雾降尘装置研发

本研究研发的溜煤眼转载点干雾降尘装置如图11、图12所示,该装置由干雾发生器、支撑架、高压气水管路、封闭网4个部分组成。溜煤眼转载点的粉尘主要来源于皮带溜向溜煤眼的区域以及落煤落进溜煤眼后因卷吸气流引起的扬尘。据此设计了2个矩形铁架十字交叉安装在溜煤眼上部,然后将干雾降尘装置悬挂在支撑架上,利用500目滤网对铁架进行包裹,即对溜煤眼的上部空间进行封闭,提高干雾降尘装置的降尘效率。

图11 溜煤眼转载点干雾降尘装置工作原理示意Fig.11 Schematic of the working principle of dry fog dust reduction device at transfer point of coal chute

图12 溜煤眼转载点干雾降尘装置实物图Fig.12 Physical drawing of dry fog dust reduction device at coal chute transfer point

干雾发生器布设3组超声干雾喷头,每组3个,1组喷头朝向皮带机运动方向,2组喷头朝向滤网封闭空间,在封闭空间中雾滴与粉尘充分接触,迅速沉降,形成对落尘的全方位湿润,最大限度地降低皮带机溜向溜煤眼的粉尘。同时,该降尘装置通过干雾降尘装备控制柜控制喷雾装置的启闭。

3.3 干雾降尘装置现场应用

将该干雾降尘装置在淮北矿业集团杨柳煤矿皮带运输回风巷进行了全面应用,并实现了智能化控制。干雾降尘装置在井下运输回风巷的安装与应用效果如图13所示。

图13 井下干雾降尘装置安装应用Fig.13 Installation and application of underground dry fog dust reduction device

现场实测结果(表3)表明:干雾降尘装置在皮带运输转载点的降尘效率达到80.4%,在溜煤眼转载点处的降尘效率达到81.8%,具有良好的降尘效率,反映出干雾降尘技术可以在煤矿井下转载点处进行推广应用。

表3 转载点抑尘效果测试结果Table 3 Test results of dust suppression effect at transfer point

4 结 论

针对矿井开采、掘进、运输等3个典型作业环节的粉尘防治难点,研发并现场试验了金属矿采场多组份水炮泥抑尘、煤矿综采面封闭雾化控除尘、金属矿掘进巷道粉尘净化、煤矿综掘面风雾双幕协同增效控除尘、矿井皮带运输转载点干雾降尘等高效技术装备体系,主要得到以下结论:

(1)针对矿井开采系统,与普通水炮泥相比,研制的新型多组份水炮泥全尘降尘率提高了90%以上,呼尘降尘率提高了80%以上。研发了新型采煤机湿式除尘风机与液压支架文丘里雾化装置,构建了煤矿综采面尘源局部雾化封闭控除尘技术设备,全尘降尘率和呼尘降尘率均达到91%以上。

(2)针对矿井掘进系统,对金属矿掘进巷道通风系统进行了优化研究,研究设计了一种适合金属矿掘进巷道的粉尘净化系统装置,其除尘效率达到91%以上,有效解决了掘进工作面和掘进巷道的粉尘治理难题。研发了新型附壁风筒及巷道干雾净化水幕技术,对混合通风参数进行了优化,构建了风雾双幕协同增效控除尘技术体系,总尘与呼尘平均降尘率分别为97.78%和98.13%。

(3)针对矿井运输系统,研制了矿井皮带运输半封闭干雾抑尘装置,该装置对皮带转载点和溜煤眼转载点的除尘效率分别为80.4%、81.8%,实现了矿井运输粉尘的高效控除。