掘進工作面自動泡沫抑塵技術研究應用

李鵬杰

（潞安集團李村煤礦，山西 長治 047105）

1 概述

潞安集團李村煤礦1305風巷位于井田一采區，工作面北部為1307工作面，西面為一采區2#回風下山，南面為1303工作面。巷道設計長度為1060m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.5×4.2m，巷道掘進煤層為石炭系3#煤層，平均厚度為4.2m。施工巷道從一采區膠帶下山2+77.7m位置開口以3°仰角上山掘進施工。

1305風巷在開口120m范圍內為半煤巖巷，巖石層主要以白砂巖為主，巖石普氏系數f＞4.0，硬度大。為了降低掘進機故障率，巷道在開口前120m范圍內采用爆破施工工藝。截止目前巷道已掘進560m。

由于1305風巷掘進煤層為石炭系煤層，煤層發育不穩定，煤層平均密度為1.43g/cm3，掘進期間煤塵揮發性大。經檢測，巷道在半煤巖巷掘進期間工作面經降塵后粉塵濃度最高達870mg/m3，在全煤巷掘進期間降塵后工作面粉塵濃度最高達224mg/m3。工作面采取降塵措施后降塵效果差，造成工作面平均能見度僅為10.5m，嚴重影響著工作面安全高效施工和職工健康。

2 工作面傳統降塵措施及問題分析

2.1 掘進巷道傳統降塵措施

（1）工作面降塵措施。1305風巷前期爆破掘進期間，工作面安裝可移動式擋矸噴霧降塵裝置，該裝置在爆破前人工移至距工作面5.0m處進行噴霧降塵，爆破后降塵20min后移出工作面。1305風巷掘進至120m后工作面采用掘進機內噴霧及機載噴霧灑水裝置進行聯合降塵。

（2）巷道內降塵措施。1305風巷在前期掘進期間分別在距工作面、回風口20m處以及巷道每隔200m安裝一道吊掛式防塵水幕，水幕主要由吊桿、四個高壓直式噴頭以及高壓水管組成。吊掛式水幕主要利用靜壓水壓力作用，使高壓水源經噴頭形成細小顆粒水霧進行捕塵。

2.2 主要存在的問題

（1）自動化水平低。吊掛式防塵水幕需人工進行開啟，自動化水平低，巷道掘進施工期間需指派專人沿巷道內依次開啟水幕，巷道掘進完成后依次進行關閉。隨著巷道延伸，吊掛式水幕數量增加，人工開啟水幕勞動強度加大。

（2）故障率高。巷道爆破期間采用可移動式擋矸噴霧裝置進行降塵時，受爆破震動影響該裝置故障率高，經常出現靜壓水管、噴頭損壞現象。在后期掘進期間采用掘進機內噴霧和機載噴霧灑水裝置進行降塵時，受煤塵影響，內外噴霧灑水裝置高壓噴頭經常出現堵塞現象，從而降低了降塵效果，增加降塵裝置維修成本費用。

（3）加大了巷道積水量。吊掛式防塵水幕捕塵源主要為水源，1305風巷吊掛的防塵水幕共布置四個，每道水幕灑水量為0.7m3/h，全天掘進巷道水幕開啟時間達8h，灑水量達5.6m3，造成巷道內積水量大，影響巷道掘進施工。

（4）造成機電設備故障。水源為導電介質，由于掘進巷道內安裝機械設備數量較多，如隔爆開關、電纜、輸送機等，采用噴霧灑水降塵時會導致機電設備隔爆性能降低，設備漏電強度加大，不僅造成設備易損壞，而且很可能發生觸電事故。

（5）降塵效果差。吊掛式防塵水幕噴灑的水霧顆粒直徑在20～30μm之間，而工作面粉塵顆粒直徑在40～60μm之間，達到降塵效果時水霧顆粒與粉塵顆粒數比為1:2.3，降塵效果差。同時直式水霧在巷道回風作用下集聚效果差，捕塵面積小，對高度在2.0m以下巷道內懸浮粉塵降塵效果差。

3 自動泡沫抑塵技術應用

李村煤礦1305風巷采用自動泡沫抑塵技術主要是利用自動泡沫抑塵裝置達到抑制粉塵飛揚并降塵的目的。

3.1 MFD型自動泡沫抑塵裝置結構

（1）MFD型自動泡沫抑塵裝置主要由螺旋式噴頭、泡沫產生器、除塵風水管路、電控液閥、聯鎖開關、PLC控制柜以及粉塵濃度監測系統等部分組成，如圖1所示。

（2）1305風巷安裝的泡沫抑塵裝置共有三個螺旋式噴頭，且呈高低邁步疊加式布置。1#、3#螺旋噴頭分別安裝在距頂板0.5m、距巷幫1.0m處，2#螺旋噴頭安裝在距頂板1.0m、距幫2.0m處，噴頭噴灑泡沫呈螺旋狀，單噴頭噴灑直徑為1.2m。

（3）電控液閥主要由手動閥門、電控模塊、風水管控制器等部分組成，電控液閥主要是實現對風水管自動控制作用，若液閥電控模塊發生故障時可通過手動閥門人工控制。

（4）聯鎖開關分別于電控液閥及PLC控制柜聯接，由PLC控制柜對聯鎖開關進行控制，從而實現電控液閥自動開、關的目的。

（5）粉塵監控系統主要由監控分站及三個粉塵濃度傳感器組成，通過監控分站將傳感器動作保護值設定，當檢測粉塵濃度值K＞140mg/m3進行動作保護，當K＜100mg/m3動作保護關閉。

圖1 1305風巷MFD型自動泡沫抑塵裝置結構示意圖

3.2 MFD型自動泡沫抑塵裝置工作原理

（1）巷道掘進期間裝置傳感器對巷道內粉塵濃度及顆粒直徑進行監測，當粉塵濃度達到140mg/m3時，傳感器將監測數據傳輸至監控分站，經監控分站分析處理及時將信號傳遞至PLC控制柜。

（2）PLC控制柜接收信號后進行處理并將開啟指令傳遞至聯鎖開關，聯鎖開關接收指令后及時打開電控液閥供電電源，電控液閥通電后經電控模塊打開風水管路集控器。

（3）電控液閥打開后泡沫產生器主機內泡沫生產劑在風水壓力作下快速產生高濃度泡沫，同時根據監測的粉塵濃度顆粒直徑通過主機調節作用可產生直徑在20～80μm范圍內的泡沫顆粒。

（4）泡沫產生器產生高濃度泡沫經分配器分配后在各個螺旋式噴頭噴出，對巷道進行降塵。

（5）當巷道內粉塵濃度低于100mg/m3時傳感器監測后將信號傳遞至PLC控制柜，經信號處理后將“關閉”指令發送至聯鎖開關，聯鎖開關接收指令后及時關閉電控液閥電源，泡沫抑塵裝置停止工作。

4 實際應用效果及優缺點分析

4.1 實際應用效果

1305風巷掘進至560m處開始對巷道每隔300m安裝一道MFD型自動泡沫抑塵裝置。通過三個月實際應用并對巷道粉塵濃度監測發現，采用自動泡沫抑塵裝置后巷道掘進期間粉塵濃度得到了有效控制，平均濃度在92.4mg/m3以下，工作面能見度提高至39m，取得了顯著應用成效。

4.2 優點

（1）實現自動化降塵。自動泡沫抑塵裝置通過傳感器對巷道粉塵濃度進行監測，從而自動開啟、關閉裝置，全程無需人工操作，提高了降塵自動化水平，降低了勞動強度。

（2）降低了機電事故率。自動泡沫抑塵裝置噴出的抑塵源為高濃度泡沫且為非導電介質，泡沫噴出5min后能夠快速凝固，對巷道內機電設備隔爆安全性能不會產生影響。

（3）提高了巷道質量標準化。與傳統噴霧灑水裝置相比，自動泡沫抑塵裝置有效解決了巷道積水量大等技術難題，大大提高了巷道施工質量標準化。

（4）降塵效果好。自動泡沫抑塵裝置采用的是螺旋狀噴頭且邁步疊加布置，單噴頭降塵面積達2.0m2，降塵面積大。而且該裝置產生的高粘度泡沫與水霧相比粘著性強，并通過控制器自動產生不同粒徑的泡沫顆粒，實現了降塵時泡沫顆粒與粉塵顆粒數比為1:1，大大提高了巷道降塵效果。

4.3 缺點

（1）自動泡沫抑塵裝置每臺設備成本費用達0.7萬元，與傳統噴霧灑水裝置相比，增加了巷道掘進成本費用。

（2）定期需對每臺設備泡沫產生器里添加泡沫生成劑，與水源相比費用相對較高。

（3）通過實際應用發現，裝置中螺旋狀噴頭經常出現粉塵堵塞現象，需定期進行更換。