综掘岩巷粉尘治理技术研究

任 凯

（山西焦煤集团介休正益煤业有限公司，山西 介休 032000）

0 引言

煤矿井下生产期间难以避免需要掘进岩巷，由于岩层较为坚硬，以往岩巷多采用炮掘方式掘进，放炮破岩期间工作人员在远离掘进迎头的安全位置，破岩时产生的废气及粉尘等均会通过局部通风系统排出，因而对现场作业人员身体健康威胁较小[1-2]。但是炮掘也存在掘进效率、工作人员劳动强度大等问题，难以适应煤矿高效开采需要。为此，随着大功率、重型掘进机应用推广，综掘机在岩巷掘进应用更为广泛，在提高掘进效率、降低劳动强度等方面均表现出显著优势。采用综掘方式掘进岩巷时，截割头直接截割坚硬岩体且无法通过超前注水方式降低粉尘产生量，导水截割期间会产生大量的粉尘，虽然现场工作人员均佩戴有防尘口罩等个体防护工具，但是常时间在高粉尘环境下工作仍会给身体健康带来较为威胁；同时高浓度粉尘会也增大掘进设备磨损程度以及故障发生率[3-5]。众多的研究学者对综掘岩巷粉尘治理技术展开研究[6-8]，并提出采用“长压短抽”、“高压喷雾”、“水幕”等各种粉尘防治措施，文中就结合以往研究成果并以山西某矿南翼回风大巷掘产尘特点，提出针对性治理技术，以期改善综掘岩巷现场环境条件。

1 工程概况

1.1 地质概况

南翼回风大巷设计在二2 煤底板细砂岩中掘进，巷道底板为泥岩、顶板为细砂岩。南翼回风大巷设计掘进长度为1 500 m，为矩形断面，巷道净宽5 100 mm、净高4 150 mm，掘进用EBZ318（H）综掘机+带式输送机实现，围岩采用锚网索支护工艺。南翼回风大巷掘进时采用FBD2×30 kW 局部通风机（2 台、一备一用），配合Φ800 mm 风筒，迎头配风量约320 m3/min，配风量可满足现场需求。巷道掘进期间设计采用的粉尘治理技术包括有水幕降尘、综掘机喷雾降尘等，同时现场作业人员均按照要求全程佩戴防尘口罩。

1.2 迎头产尘情况

在南翼回风大巷掘进期间，由于综掘机直接细砂岩，受细砂岩岩密度大、孔隙不发育等影响，破岩时粉尘产生量及迎头呼吸性粉尘占比等均较高；在局部风筒通风影响下，部分高浓度粉尘被吹至巷道顶底板及远离风筒一侧。

虽然EBZ318（H）综掘机在掘进期间采用高压喷雾方式降尘，但是仍无法有效降低掘进迎头粉尘浓度高问题，若持续增大喷雾量，虽可在一定程度降低粉尘浓度，但是也面临底板积水、弱化底板泥岩强度等问题。后对掘进机喷雾系统进行改进，在靠近结构头位置增设高效外喷雾喷嘴，喷雾压力为8 MPa、喷嘴有效喷雾射程≥2 m，通过水幕抑尘，具体外喷雾喷嘴布置见图1 所示。

图1 综掘机外喷雾喷嘴布置示意图

现阶段在EBZ318（H）综掘机在掘进期间掘进迎头粉尘浓度整体较高，工作人员视野受限且长期暴露在高浓度粉尘中，影响作业人员身体健康、工作效率及掘进效率。

2 综掘岩巷粉尘治理技术

针对南翼回风大巷掘进期间粉尘产生量大、大流量高压喷雾导致底板积水（弱化底板泥岩强度）、粉尘浓度高等问题，提出用空气幕除尘+全自动水幕降尘方式，改善掘进迎头现场环境质量。

2.1 空气幕降尘

南翼回风大巷内使用的空气幕降有控尘、抽尘净化两个环节，主要设备有附壁风筒、抽风筒、除尘风机等，具体见图2 所示。

图2 南翼回风大巷迎头空气幕除尘结构图

2.1.1 构建空气幕抑制粉尘外溢

综合附壁风筒、出风口及抽风筒等可在掘进迎头形成空气幕，在靠近掘进迎头位置构建空气幕，从而尽量抑制高浓度粉尘外溢。通过附壁风筒改变掘进仰头风流方向，绝大部分风流通过附壁风筒垂向流动（即吹向巷道另一帮），少量风流吹向掘进迎头，在侧向风流、迎头风流及抽风风流等共同作用形成抑制外溢的空气幕，抑制高浓度粉尘粉尘控外溢并将粉尘通过抽风筒进入到除尘风机中进行处理。

附壁风筒可是构建空气幕的关键，通过附壁风筒吹出的新鲜风流形成空气幕，传统的附壁风筒多为铁质或者钢质，存在有移动不便、重量大等问题。为此在南翼回风大巷采用高分子附壁风筒，附壁风筒长度为1 700 mm，调节附壁风筒内部圆形挡板可调整径向、轴向风流风量配比。

2.1.2 抽尘净化

除尘风机产生一定负压并通过抽风筒将掘进迎头含高浓度粉尘的气体抽入到除尘风机中，对高浓度气体处理后排出新型空气。抽风筒Φ500 m、出口布置在综掘司机前方500 mm 以外位置；除尘风机型号KS-400，布置在带式输送机伸缩机尾位置；除尘风机滞后综掘机在30～35 m。除尘风机处理风量控制在280～300 m3/min。

2.2 全自动水幕喷雾降尘

为进一步降低南翼回风大巷内飘散的粉尘浓度，在掘进巷道掘进迎头20 m、50 m 位置分别布置一道全自动喷雾水幕，具体水幕布置见图3 所示。全自动水幕上方布置4 个扇形喷头，喷头扩散角均为60°，喷头喷嘴孔径为1.2 mm、喷雾压力为5 MPa。全自动水幕采用电磁阀、红外传感器控制，当监测到人员通过时则自动停止喷雾。

图3 水幕布置示意图

2.3 喷雾水中添加新型化学除尘剂

在综掘机高压喷雾降尘以及水幕喷雾降尘时，采用普通软化水由于水表明张力较高，难以实现细颗粒粉尘有效、快速包裹、沉降，降低喷雾效果。依据南翼回风大巷掘进时粉尘性质，提出在综掘机高压喷雾降尘、全自动水幕喷雾降尘用水中添加一定量的新型化学除尘剂。该除尘剂组成包括有两性离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、无机盐及非离子表面活性剂等，按质量比添加量配比为1.5∶2.5∶1.0∶2.0。采用电动自动添加装置将新型化学除尘剂添加到喷雾用水中。喷雾水中添加新型化学除尘剂后，喷雾水表面张力降至30 mN/m 以内、10 s 后接触角降至0°、沉降0.3 g 以下粉尘时耗时控制在10 s 以内，较普通软化水除尘效率提升幅度超过10%。

3 粉尘治理效果分析

在南翼回风大巷内应用空气幕降尘、全自动水幕喷雾降尘技术，并在降尘用水中增加新型化学除尘剂后，巷道内粉尘浓度得以明显降低，有效改善了掘进巷道迎头环境质量。具体粉尘治理技术后粉尘浓度测定结果见表1 所示。

表1 粉尘浓度测定结果

除尘技术应用后，巷道内各粉尘浓度均明显降低，除去掘进迎头外，其余各位置粉全尘及呼吸性粉尘浓度降幅均超过90%；综掘司机出全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别降至36.4 mg/m3、20.8 mg/m3，掘进迎头环境质量得以显著改善、显著增大了视野范围。

4 结论

综掘岩巷由于截割头截割进尺深，在直接截割坚硬岩体，粉尘产生量更大，且由于岩体本身含水率较低、吸水性较差，难以通过超前注水降低粉尘产生量。综掘岩巷粉尘产生量大成为制约巷道安全高效掘进的主要因素之一。依据南翼回风大巷现场实际情况，在掘进机原有高压喷雾除尘基础上，通过空气幕除尘技术、全自动水幕喷雾降尘技术抑制高浓度粉尘扩展并进行降尘，同时在喷雾用水中增加新型化学除尘剂，提高掘进机及全自动水幕喷雾降尘效果。

依据南翼回风大巷现场情况，对空气幕除尘及全自动水幕喷雾降尘布置进行详细设计，并进行工程应用。现场应用后，南翼回风大巷内粉尘浓度高问题得以有效解决，其中掘进迎头位置全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别控制在140.3 mg/m3、60.1 mg/m3以内，降幅分别为80.5%、84.6%；综掘司机位置全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别控制在36.4 mg/m3、20.8 mg/m3以内，降幅分别为94.2%、93.5%。除尘技术应用后，有效改善了掘进巷道现场环境质量，取得较好粉尘治理效果。