低滲透疏水性煤層綜掘工作面綜合防塵技術研究

王利京

(中國中煤能源集團有限公司，北京市朝陽區，100120)

礦井防塵一直是煤炭行業災害防治工作的重點。在過去的防塵措施研究中，專家們提出許多減塵、降塵、除塵的常規措施，但是針對王家嶺礦低滲透、疏水性煤層綜掘工作面這種情況的綜合防塵技術研究的相對少一些。本文針對王家嶺煤礦2#煤層賦存特征、理化性質以及綜掘工作面粉塵擴散規律，采用現場試驗、理論分析、數值模擬相結合的方法，對低滲透、疏水性煤層快速綜掘工作面綜合防塵進行了科學研究，得出一種適用于該煤層快速綜掘工作面風流流場及產塵特性的高效綜合除塵裝置，實現了全方位、多層次綜合防塵，提高了除塵效果。

1 王家嶺礦2煤層開采條件

王家嶺礦開采的2#煤層屬于穩定厚煤層，平均厚度6.84 m，頂底板為泥巖、粉砂巖，2#煤層孔隙率2.7%，滲透性極差，煤體吸水率為0.22%～0.34%，添加濕潤劑后，吸水率增加不明顯。煤原始水分含量為0.12%～0.85%，煤體非常干燥易碎，煤層堅固性系數為0.4。采用反向滲透法測試表明，煤塵屬絕對憎水性煤塵，U20≈0。2#煤層的產塵能力為0.03295 g/J，掘進時呼吸性粉塵比例21.4%～23.5%，巷道沉積煤塵呼吸性粉塵所占比例38.5%～40.6%。2#煤層在施工的時候均采用綜合機械化掘進機全斷面施工，選用了EBZ-220型懸臂式掘進機，沿巷道底板掘進。巷道為矩形斷面，寬5.6 m，高3.4 m，支護方式為錨網索加鋼筋聯合支護。

2 王家嶺礦2煤層防塵現狀

王家嶺礦前期分別開展了分段煤層注水、高壓噴霧、泡沫除塵以及長壓短抽通風除塵技術研究，其中煤層注水是降低煤層開采和巷道掘進過程中產塵量的最有效措施，但是該技術存在著注水壓力低、封孔深度較淺、注水時間較短、不能濕潤整個巷道斷面的不足，尤其是針對王家嶺2#煤層這種低孔隙、難濕潤煤層，效果極其有限。

高壓噴霧具有霧化效果好、速度高、射程遠、水量較小、覆蓋面積大、降塵效率高、引射風量大等優點，在煤礦防塵中得到廣泛應用。但是高壓噴霧在掘進頭與粉塵充分混合，把粉塵捕捉后，含塵水霧沒有足夠的沉降時間，大量細微霧粒在掘進頭積聚，影響司機操作視線；同時司機位于風流回流區，處于粉塵及水霧擴散運移并迅速沉降區域，受水霧擴散運移影響較為嚴重，導致司機的作業環境較差。

泡沫除塵是利用壓氣和水將生成的泡沫噴射到掘進機截割滾筒和煤壁上，通過將煤體覆蓋來降低作業時的產塵量，但是此技術應用成本較高，在工程上較少使用。

長壓短抽通風除塵措施由于沒有有效的控塵措施，造成掘進頭風流無序擴散，粉塵彌漫至作業空間，同時吸塵罩安裝位置極不合理，系統工作時在掘進機機頭及機尾形成循環風，影響視線，收塵效果差，司機處的總粉塵及呼吸性粉塵濃度高達1224 mg/m3和312 mg/m3

3 綜合防塵技術研究

3.1 技術原理

針對王家嶺礦2#煤層低滲透疏水性等特點，采用綜掘機環形靜壓大流量噴霧抑塵技術，快速濕潤煤體，有效抑制割煤和垮落產塵。采用分段調風控塵技術，保證軸、徑向出風相匹配，形成向前推進的最佳控塵風流，將含塵氣流控制在工作面前部2 m范圍內。采用具有適應工作面產塵特點的分布式收塵凈化系統，多點多層次快速吸塵，實現除塵器高效抽塵凈化。轉載點采用多層次噴霧控降塵裝置有效壓降、濕潤煤塵，防止運煤時二次揚塵。在工作面形成具有高效降塵的前、中、后分布立體式聯合控降塵技術措施，如圖1所示。

3.2 掘進機高效噴霧抑塵技術研究

3.2.1 裝置的設計及噴嘴的選型

綜掘面噴霧裝置安裝布置示意圖如圖2所示。在搖臂根部機面上布置環形噴霧裝置，在噴霧裝置下部左右兩端各安裝若干垂直向下的噴嘴，通過豎向噴霧在搖臂下側形成霧幕墻，阻止垮落沖擊產塵向外擴散的同時進行噴霧降塵，在炮頭兩側布置噴嘴側向噴霧朝向巷道兩幫，形成水霧墻，阻止粉塵向后擴散。

3.2.2 轉載點多層次噴霧降塵技術

低壓大流量噴霧裝置安裝示意圖如圖3所示。其中，第一組轉載噴霧裝置布置于轉載點前方，在轉載前濕潤煤體，減少轉載時產塵量；第二組轉載噴霧裝置布置于轉載點上方，壓制轉載點進行噴霧降塵，阻止煤體在轉載時產塵的同時對產生的粉塵就地降塵；第三組轉載噴霧裝置位于轉載后1 m，噴霧朝向轉載點，阻止轉載產生粉塵被風流及膠帶運輸產生的慣性帶出，把粉塵壓制在轉載點局部空間的同時進行噴霧降塵；經過三組噴霧，增加煤體水分，減少后方運轉載點及膠帶運輸過程的產塵。

1-綜掘機外噴霧裝置；2-正吸罩；3-?400 mm骨架風筒吸塵口；4-側吸罩； 5-風流分配裝置；6-轉載點噴霧裝置；7-?800 mm整流風筒；8-懸掛用鋼繩；9-控塵風筒及調風閥門；10-配套骨架風筒；11-除塵器；12-除塵器承載小車；13-?1000mm供風軟風筒；14-?300 mm吸塵罩連接風筒；15-?700 mm除塵器連接用骨架風筒；16-掘進機右側吸塵罩；17-?400 mm連接用骨架風筒圖1 試驗系統示意圖

圖2 綜掘面噴霧裝置安裝布置示意圖

3.3 高效控風除塵技術及裝備研究

3.3.1 控風控塵技術與裝備研究

控風除塵系統利用骨架風筒制作，通過側面開口實現分風，簡易輕便。此外，為了適應工作面快速掘進的需求，借鑒單軌吊的思路設計了一種輕質吊滑軌，與整流風筒、調風閥門、附壁風筒、伸縮骨架風筒及風筒儲存器等部件共同形成了一套掘進工作面控塵裝置，定期前移，操作便捷。

3.3.2 高效收塵凈化系統與裝備研究

除塵器機尾跟隨式布置示意圖如圖4所示。除塵器通過專用平板小車置于轉載機機尾跑道上并與轉載機機尾通過剛性裝置連接成一體，通過剛性風筒或可伸縮軟風筒將除塵器和集塵裝置連接起來而構成抽塵系統。

圖3 低壓大流量噴霧裝置安裝示意圖

為提高長壓短抽通風除塵系統對粉塵的收集效率，依據集塵裝置應盡量靠近塵源點的原則，在分析原有吸塵罩效果的基礎上，結合掘進頭風流流場(粉塵擴散主要通道)和掘進機的結構尺寸設計了一種特殊的分體式吸塵罩，布置方式如圖5所示。

圖4 除塵器機尾跟隨式布置示意圖

圖5 吸塵罩布置方式示意圖

4 現場應用

4.1 試驗參數

(1)高效噴霧降塵裝置噴霧參數：噴霧壓力≥2.0 MPa；噴霧總流量為265 L/min，其中掘進機環形噴霧降塵裝置流量為148 L/min，一運、二運流量為58.5 L/min×2。

(2)長壓短抽通風高效控除塵系統技術參數：整流風筒出口距掘進頭距離為8～10 m；有效控塵風筒長度為4 m；控塵風筒距掘進頭距離為18～21 m；軸徑向出風比：徑向出風420 m3/min，軸向出風70 m3/min；除塵器抽吸風量為415 m3/min：其中，機面罩右一吸風量80 m3/min，左一吸風量95 m3/min；側吸罩右二吸風量110 m3/min，左二吸風量130 m3/min。

4.2 效果考察

按照技術參數建立綜合防塵系統后，2014年4-5月，對綜合防塵系統的效果及使用可靠性進行跟蹤考察，防塵系統現場使用效果如圖6和圖7所示。

綜合防塵系統在最佳參數條件下正常使用時，各點粉塵濃度大幅降低，各點總體降塵效率均在98%以上；司機視線清晰，割煤時可清楚看見截割滾筒，噴霧對司機位產生不利影響；在工作面前部30 m范圍內能見度高，視線清晰；綜合防塵系統未對現場生產造成不利影響，未增加工人工作量，使用和維護方便，可靠性高，工人愿意使用。同時，此綜合技術在經濟和高效方面更具優勢。

圖6 系統現場布置圖

圖7 噴霧效果圖