店坪矿采煤面转载点密闭除尘技术研究

仝建鑫

(霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿,山西 方山 033100)

采煤工作面是煤炭的生产地点,我国对煤炭的需求量和生产量长期保持在各种一次性能源的首位,据统计,2021年煤炭消费量占56%,生产量占67%.煤体受采煤机割煤破碎后掉落至底板,经由刮板运输机输送至巷道中的胶带运输机上,由胶带运输机运至地面,这是最主要的煤炭运输方式[1]。胶带运输过程中遇到两条巷道交界处需要转变运输方向时,多采用两条胶带转载的形式实现转运,由上胶带将煤流抛落至下胶带上继续运输。煤体抛落过程中会产生大量粉尘,长时间连续运输后转载点处产生的粉尘逐渐累计,造成严重污染,在矿井通风系统作用下还会向远端扩散污染整个矿井系统[2-3]。作业人员吸入大量粉尘后可能会引发尘肺病或其他呼吸性系统疾病,我国目前每年新增尘肺病患者约1.5万。高浓度煤尘环境中如果有明火还可能引发煤尘爆炸,对矿井安全生产威胁极大。为了治理转载点粉尘,目前多采用喷雾降尘、静电除尘、除尘器吸尘、封闭除尘等技术[4-5],但这些技术实际使用效果并不理想。喷雾降尘雾化效果不好,用水量大,降尘效果不佳且容易降低煤质;静电除尘及除尘器吸尘系统复杂,适用性较差;封闭除尘能有效避免粉尘向外扩散,但粉尘治理效果需要根据具体作业条件调整内部降尘系统的参数。本文在店坪矿采煤面转载点处进行降尘实践,实现了高效降尘。

1 9-205采煤工作面概况

店坪矿9-205工作面开采9号煤层,煤尘具有爆炸性,煤层自燃倾向性为第II类。工作面走向长246 m、倾向长1 258 m,高度为3.0 m,工作面可采储量1.24×106t。采煤机一次采全高,开采过程中瓦斯绝对涌出量为3.66 m3/min,工作面供风量1 035 m3/min.

2 9-205采煤面转载点粉尘治理现状分析

采煤面是煤矿最重要的生产地点,采煤机高强度截割煤体产生的碎煤块经过刮板运输机输送到胶带运输机上,这一转运过程中存在的转载点是运煤流程内产生粉尘的主要地点。运输时,煤流与刮板运输机一同向前做匀速运动,在转载点处向下方胶带机上做平抛运动,此处存在明显的高度落差,煤流抛落到下方胶带上时煤块与煤块之间、煤块与胶带之间相互碰撞产生粉尘。同时,煤流产生的连续冲击作用会带动周围空气向外迸出,使得下胶带煤流上原有的沉积粉尘再次飞扬造成二次扬尘。

目前2-607采煤面转载点处已经安装了一个降尘水幕,但使用时发现其喷嘴雾化效果不佳,雾滴直径较大,难以有效润湿粒径较小的呼吸性粉尘;喷嘴个数少且喷射角度小,无法完全覆盖煤流产尘区域,喷头堵塞现象比较严重。虽然增加了转载点处煤流的含水量,具有一定的降尘效果,但现场实测发现转载点旁的粉尘质量浓度依然高达150 mg/m3,对作业人员的身心健康有极大威胁。

3 转载点降尘技术优化及效果

3.1 转载点密闭除尘技术

当前转载点粉尘处于开放治理状态,煤流冲击产生的粉尘容易随工作面风流向远处扩散。转载点产尘属于固定产尘源,可以密闭转载点避免粉尘向外扩散,然后在密闭装置内部喷射降尘介质,使产生的粉尘沉降下来随煤流运走。

图1给出了转载点封闭降尘技术示意图,主要结构是控尘密闭罩和胶带条,该装置从上胶带开始延伸至下胶带,在上胶带末端和下胶带起始端固定密闭罩支撑杆,将密闭罩固定在上下胶带交界处,且密闭罩的上胶带入口处和下胶带出口处用柔性胶带条封闭,当煤流经过时不会产生阻碍。下胶带处的胶带条范围超过煤流平抛运动的最远端,能够有效防止煤流抛出密闭空间以外。

图1 转载点封闭降尘示意

密闭结构内部装有自动控制的喷雾降尘装置,当胶带上运输煤流时,煤流下落时冲击下胶带使其发生变形,触发感应装置,感应装置自动向控制阀门发出信号打开喷雾水流开关,向煤流喷射雾滴。这样能够实现喷雾装置和胶带机运送煤流作业的联动控制,避免胶带未输煤时仍持续喷射水雾造成资源浪费。系统主要依靠水流电磁阀和感应装置工作实现喷雾供水的启闭。所用的电磁阀参数如表1所示,电磁阀通电后,线圈产生磁力将阀门芯吸起,阀门处于打开状态,通过电流的多少控制阀门的打开程度。

表1 电磁阀技术参数

感应装置工作原理如图2所示,实质为距离传感器,作业原理为通过感应磁罐探测与被测金属物体之间的距离,当距离较近时产生电流,通过高频振荡电路将电流放大发送给电磁阀。上胶带输送煤流下落至下胶带上时产生冲击作用,使下胶带向下变形,此时感应装置中的被测金属物体与感应磁罐之间的距离减小,最终打开水流开关。感应装置所用电路来自工作面已有用电部分,利用MY3*10电缆从工作面照明电路中接入,如图3所示。

图2 感应装置工作原理

图3 感应控制装置用电示意

根据前人研究结果,雾滴与粉尘的粒径匹配关系对润湿效果有较大影响。在转载点处设置测尘点,利用粉尘采样器获取粉尘样品,通过粒径分析仪测定发现大部分粉尘粒径分布在5～40 μm范围内,如表2所示,虽然40～60 μm的粉尘占比也较多,但粒径范围的粉尘对人体危害较小,因此主要治理粒径较小的粉尘颗粒。所用的雾化喷头应该有较好的雾化效果及扩散角度。

表2 转载点粉尘粒径分布

喷雾的技术参数如表3所示,雾滴直径≤80 μm,与粉尘颗粒直径近似,此状态下的降尘效果最佳。

表3 喷雾技术参数

密闭控尘装置内的喷雾降尘用水来自工作面常压降尘用水,利用直径为25 mm的矿用胶管供水,在降尘装置水管入口前段安装水质过滤器,保证雾化喷头用水的洁净程度,避免水中杂质过多造成雾化喷头堵塞。降尘用水管路布置如图4所示。

图4 喷雾降尘用水管路布置示意

3.2 降尘效果分析

采煤面转载点处的降尘效果好坏利用残余粉尘量的多少以及粉尘减少程度评价。在转载点旁1.5 m处(工人呼吸带高度)固定两台测尘仪,型号为CCD-1000,分别用于测量呼吸性粉尘和总粉尘质量浓度,在没有开启除尘装置、使用原有除尘装置、使用改进后的除尘装置3种条件下分别测定粉尘质量浓度。降尘率按照公式(1)计算[4]。

(1)

式中:μ为降尘率,%;c1为没有降尘措施时的粉尘质量浓度,mg/m3;c2为采用综合降尘措施后的粉尘质量浓度,mg/m3.

没有开启除尘装置时,呼吸性粉尘和总粉尘平均质量浓度分别为202.7 mg/m3和 83.9 mg/m3,使用原有除尘装置后,呼吸性粉尘和总粉尘平均质量浓度被降低至152.4 mg/m3和 58.3 mg/m3,粉尘质量浓度依然较高。利用改进后的除尘装置后,呼尘和全尘质量浓度降至6.4 mg/m3和2.1 mg/m3,降尘率分别为96.8%和97.5%.

4 结 语

采煤面转载点产尘严重,主要由于上胶带煤流抛落至下胶带时的冲击碰撞所致。现场实测发现原有水幕降尘效果较差,呼吸性粉尘和总粉尘残余质量浓度高达152.4 mg/m3和 58.3 mg/m3.对转载点进行密闭除尘改进,使用密闭罩和全自动喷雾装置除尘后,呼尘和全尘质量浓度降至6.4 mg/m3和2.1 mg/m3,降尘率分别为96.8%和97.5%.