综掘工作面高效除尘技术研究与实践应用

文/李军岐 杨 柯 崔 浩

矿井工作面综掘过程中产生的粉尘，会诱发作业人员发生职业病，且存在引起粉尘爆燃事故隐患，给矿山安全生产带来潜在威胁。因此，对综掘工作面高效除尘技术进行研究与实践，以此来降低作业点粉尘浓度，改善矿井作业点环境，是职业健康防护的需要，也是保障矿山安全生产的需要。陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪二号井创新传统矿井综掘进尺面水雾除尘方式，采用高倍泡沫除尘，显著降低了粉尘浓度，取得了良好的经济效益和社会效益。

一、综掘工作面现有除尘方式

1.岩层注水除尘技术

岩层注水除尘技术是指在掘进前利用钻孔向岩层注入压力水，预先湿润岩层，可以降低粉尘生成量。但采用岩层注水除尘技术，存在一些弊端。一是注水前先对岩层进行打孔处理的情况占多数，在打孔过程中会造成粉尘量瞬间猛增，且需要打大量的注水孔才能发挥注水效果，增加了松动岩层坍塌的风险。此外，如果岩层弱硬度过大，则会影响吸水效果，不能实现预期的降尘目的。二是该技术耗水量大，井下有些区域的岩层与地面属于石灰质结构，水量过大后会导致地面泥浆化，致使采矿设备无法移动或损坏。

2.水喷雾除尘

目前大多数机械化的采矿设备均设计有喷雾装置，有一定除尘效果。但设备的水喷雾装置为细微孔径的喷头，密布于前端迎头，而前端迎头为直接接触岩层的部位，在实际作业中喷头容易堵塞、失效，对呼吸性粉尘除尘效果不明显。

3.风机除尘

国内矿山行业的风机除尘设备大多价格昂贵、维护困难、结构复杂、体积庞大、处理风量有限。风机除尘主要靠电机驱动风轮实现粉尘控制，因此需要大量的滤芯用于粉尘过滤，一台风机配备的滤芯数量少则100套、多则300套，后期更换滤芯的成本较高。综合来看，风机除尘不宜作为矿山行业除尘的首选。

二、降尘方式改进思路及工作原理

为解决综掘进尺面粉尘过多的问题，桑树坪二号井以高倍泡沫降尘代替水降尘。高倍泡沫降尘具有以下特点：一是可从源头上实现降尘，用泡沫包裹掘进机的掘进头、截齿及切割点，让割煤岩的动作在泡沫体内完成，从根本上阻止粉尘向外扩散。二是将高倍泡沫制剂喷射到产尘作业点，高倍泡沫制剂与水雾相比扩散面积成倍增加，提高了泡沫剂与粉尘的接触率。三是高倍泡沫的液体中具有较高含量的发泡剂，接触释放后可改变粉尘的黏附性能，使粉尘被泡沫剂快速黏附下沉。四是泡沫剂含有特殊的增稠剂，能提高泡沫的黏附力，使泡沫具有很好的黏性，粉尘一旦和泡沫接触将会迅速被泡沫黏附。五是高倍泡沫降尘设备体积小，且在低耗水量和泡沫剂使用量情况下，有较高的降尘能力。六是泡沫剂喷射后的作业面物料表面和裂隙被泡沫覆盖，能有效改善煤层宣泄时游离瓦斯扩散，可一定程度上降低采煤面瓦斯浓度值。

三、具体技术措施

1.专用泡沫设备系统

根据掘进工作面综掘机施工特点，设计采用HD-KPZ-0.3/0.7型定制化泡沫装置。使用时将设备箱体及设备放置在掘进机机身某部位，泡沫喷射头及固定组件固定在掘进机悬臂段，喷头呈上、左、右三面布置，装置与发泡剂配合使用，截割作业时对炮头三面全包围泡沫灭尘。

专用泡沫主设备由储料体、吸料机构、进水管、混料装置、增稠箱、发泡箱、进气管、发泡循环组件、气体增压组件等组成。设备主机使用不锈钢加工，主机设备及内部零件均进行无伤检测，杜绝设备出现渗漏、焊接不严、变形等问题。喷射头和安装架是将泡沫喷送至作业面的重要部件，为扇形多孔型设计，在实际工作中可实现大于60%的掘进头包裹，由快速接管、转换接头、喷射头、固定板、快速接头等构成。

2.高倍泡沫

（1）泡沫剂的分类。根据泡沫消散时间划分，泡沫分为快速消散类泡沫和在无外因影响下数小时不破散的泡沫；按泡沫剂的稳定衡定关系划分，泡沫分为活性泡沫和稳性泡沫；按泡沫剂的黏稠度划分，分为高倍数泡沫和低倍数泡沫。

（2）泡沫剂的成泡。如果泡沫剂表面凝聚力稀松，便不易形成泡沫，即使产生了泡沫，混合液的扩散力也会使泡沫快速破裂。因此，要根据比例添加改变泡沫剂张力的活性剂，以此来降低泡沫剂表面扩散力，进而形成稳定、高效的泡沫。此外，泡沫是气体在混合制剂中的扩散体，当高压气体与混合制剂持续不间断混合时，可大量生产气泡。气泡量的多少是泡沫产生量的必要因素，因此还要使用气体增压，达到良好的发泡效果。

（3）高倍稳性泡沫的制造。通过作业面现有供气源搅拌含有发泡剂的混合液，使气体大量撞击混合液，形成泡沫。具体制造过程为：在混合液中充入增压气体→混合液中的高压气体与混合液反复碰撞，形成气泡、泡沫→增压气体不间断运动，将反复产生的泡沫体随管道推送至设备内部→泡沫不间断被制造，大量充斥在设备内部管道中。

3.高倍泡沫形成的稳定条件和专用设备技术数据

采用高倍泡沫除尘的综掘机进行作业

（1）高倍泡沫的形成条件。制造持续高倍泡沫是泡沫除尘技术可否取得效果的基础条件，应用于采掘进尺工作面时，现场需要具备以下条件：一是制造泡沫提供的水压要稳定，进工作面的供水量稳定在2.5m3/h，压力不低于0.3MPa。二是制造泡沫需要使用较高风压，压风流量保持在70m3/h，供风压力不低于0.5MPa。具备以上条件后，发泡系统才可实现最佳的泡沫制造效果。

（2）专用设备的技术数据。高倍泡沫发泡倍数：80～150倍；设备额定耗水量：0.6～1.0m3/h；设备额定泡沫制造量：35～80m3/h；高倍泡沫剂的使用量：3%～6%；喷射喷头组件的喷射能力：8～10m3/h。

四、应用效果

经过多轮现场应用，粉尘浓度比普通喷雾降尘明显降低，综合有效降尘率达到70%～80%，有效改善了综掘工作面的工作环境，降低了煤尘事故的发生，降低了工作面工人患尘肺病的几率。同时，由于粉尘浓度降低，使工作面能见度有所提高，保证了掘进机司机的操作，实现了掘进的连续性，提高了掘进效率，掘进进尺单进水平提高了20%，且为下一步的支护提供了更好的基础。此外，由于用水量少，且排放的除尘水先期以泡沫形式存在，泡沫会随着碎煤及矸石被排走，避免了巷道底板泥泞化和掘进机下陷，维护了综掘工作面良好的工作环境，有利于提高掘进机的工作效率，从而带来显著的经济效益。此优点对三软煤层、低洼地段掘进面尤为重要，能在更大程度上提高机械化综掘效率。