武甲煤礦3101綜采工作面高壓噴霧降塵技術(shù)

王晉波

(山西陽泰集團(tuán) 晶鑫煤業(yè)股份有限公司，山西 晉城 048100)

煤炭是我國的主要能源，對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出了極大貢獻(xiàn)，但是在對(duì)煤炭資源的回采過程中，事故發(fā)生率也一直居高不下[1]。特別是近些年來隨著開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，開采強(qiáng)度也在不斷增強(qiáng)，相應(yīng)的工作面粉塵濃度也越來越大[2]，對(duì)工人的身體健康造成了巨大影響，若不及時(shí)對(duì)其治理，甚至還可能會(huì)引起工作面粉塵濃度爆炸的重大事故，造成難以挽回的損失[3]。因此在回采過程中對(duì)粉塵濃度進(jìn)行及時(shí)有效的治理是許多學(xué)者的研究重點(diǎn)[4]。

武甲煤礦3101綜采工作面在回采過程中粉塵濃度較大，現(xiàn)有的降塵手段無法滿足工人對(duì)環(huán)境的要求。對(duì)工作面的粉塵濃度分布規(guī)律進(jìn)行分析，并提出行之有效的治理措施，對(duì)礦井安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

3101綜采工作面位于武甲煤礦一采區(qū)東部，南為實(shí)體煤柱，西為3102準(zhǔn)備工作面，北為一采區(qū)四條大巷，東為礦界，埋深為450 m。工作面地面相對(duì)位置位于呂家河村以南，地表為少部分耕地及林地，大部分為山坡。工作面沿走向布置，傾向推進(jìn)，其中走向布置長度為150 m，傾向推進(jìn)長度為850 m，所采煤層為3號(hào)煤，平均厚度為4.5 m，采用走向長壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，所使用的采煤機(jī)為MG500/1180-WD型電牽引采煤機(jī)，該采煤機(jī)往返一次為兩個(gè)循環(huán)。采用端部斜切割三角煤進(jìn)刀，機(jī)組進(jìn)刀總長度控制在不小于50 m。回采過程中雖然采煤機(jī)采用了內(nèi)外噴霧，但粉塵濃度仍較大，不能有效降低工作面粉塵濃度。

3101綜采工作面?zhèn)雾敒槟鄮r，厚度0.7 m，直接頂為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，厚度為0.9～14.0 m，底板為泥巖，為較硬巖石，泥巖厚度為6.53 m。共布置兩條巷道，為U型通風(fēng)布置方式，分別為3101進(jìn)風(fēng)巷道和3101回風(fēng)巷道。其中3101進(jìn)風(fēng)巷道用于進(jìn)風(fēng)、供電、供水、供液、排水和運(yùn)煤。3101回風(fēng)巷道用于回風(fēng)及輔助運(yùn)料、排水。3101進(jìn)風(fēng)巷道和3101回風(fēng)巷道兩巷尾部開鑿一條切眼。所有巷道均沿煤層底板掘進(jìn)。

2 工作面粉塵分布特征現(xiàn)場測試

在對(duì)工作面粉塵進(jìn)行治理前首先必須掌握工作面的粉塵分布特征，由于工作面的割煤方式主要分為順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤，采煤機(jī)割煤時(shí)自帶的噴霧系統(tǒng)開啟和關(guān)閉時(shí)，分別對(duì)工作面的粉塵濃度進(jìn)行了測試，現(xiàn)場測試共布置4個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)沿割煤機(jī)滾筒起始位置又分別布置了7個(gè)粉塵濃度取樣點(diǎn)。其中測點(diǎn)1負(fù)責(zé)監(jiān)測機(jī)道空間呼吸帶粉塵濃度，距地面高度1.5 m處；測點(diǎn)2負(fù)責(zé)監(jiān)測行人道空間呼吸帶粉塵濃度，距離地面同樣為1.5 m；測點(diǎn)3和測點(diǎn)4分別布置在機(jī)道空間、行人道空間，距地面0.5 m，測點(diǎn)布置如圖1所示。每個(gè)測點(diǎn)的粉塵濃度取樣點(diǎn)與該測點(diǎn)的水平高度一致，取樣點(diǎn)布置如圖2所示，測試時(shí)以風(fēng)流的方向?yàn)檎?/p>

圖1 采煤機(jī)測點(diǎn)布置示意

圖2 工作面順風(fēng)割煤時(shí)取樣點(diǎn)布置示意(m)

測點(diǎn)布置完成后，對(duì)工作面割煤時(shí)在噴霧和不噴霧兩種情況下的粉塵濃度進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，以采煤機(jī)測點(diǎn)2為例，將所監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 工作面順風(fēng)全塵不噴霧和噴霧濃度對(duì)比曲線

圖中x軸為距前后滾筒的距離，從圖中可以看出，采煤機(jī)司機(jī)處的粉塵濃度相對(duì)較低，隨著與采煤機(jī)滾筒距離的增加，粉塵濃度快速上升，在距離滾筒16 m處達(dá)到峰值。隨著與滾筒距離的繼續(xù)增加，粉塵濃度急劇下降，當(dāng)距離滾筒24 m時(shí)，粉塵濃度降至低點(diǎn)，隨著距離的繼續(xù)增加，粉塵濃度的變化趨勢基本保持平穩(wěn)。在不噴霧的情況下，工作面粉塵濃度峰值達(dá)到了1 430 mg/m3，而噴霧后工作面粉塵濃度仍達(dá)到了1 360 mg/m3，采煤機(jī)噴霧對(duì)工作面粉塵濃度的治理效果較差。

圖4為工作面順風(fēng)噴霧時(shí)4個(gè)測點(diǎn)全塵濃度的分布曲線。

圖4 工作面順風(fēng)噴霧時(shí)四個(gè)測點(diǎn)全塵濃度的分布曲線

由圖4可知，1號(hào)測點(diǎn)的全塵濃度最大，其次為3號(hào)測點(diǎn)和2號(hào)測點(diǎn)，4號(hào)測點(diǎn)的全塵濃度最小。且隨著與采煤機(jī)滾筒距離的增加，1號(hào)、3號(hào)測點(diǎn)的粉塵濃度始終大于2號(hào)測點(diǎn)和4號(hào)測點(diǎn)的粉塵濃度，而1號(hào)、3號(hào)測點(diǎn)與2號(hào)、4號(hào)測點(diǎn)相比距離煤壁較近，這也說明粉塵是由采煤機(jī)產(chǎn)生并向人行道一側(cè)擴(kuò)散的。

為了使測試結(jié)果更加全面準(zhǔn)確，采煤機(jī)采用逆風(fēng)割煤時(shí)同樣對(duì)其粉塵濃度進(jìn)行了現(xiàn)場測試，同樣以采煤機(jī)測點(diǎn)2為例，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 工作面逆風(fēng)全塵不噴霧和噴霧濃度對(duì)比曲線

由圖5可知，當(dāng)工作面采用逆風(fēng)割煤時(shí)，在噴霧和不噴霧兩種情況下，工作面粉塵濃度分布曲線與順風(fēng)割煤時(shí)具有一定的相似性，不噴霧時(shí)工作面粉塵濃度峰值達(dá)到了1 710 mg/m3，而在噴霧的情況下工作面粉塵濃度峰值仍達(dá)到了1 340 mg/m3，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了采煤機(jī)內(nèi)外噴霧對(duì)工作面粉塵較大的現(xiàn)象治理效果較差，急需制定合理的措施來對(duì)其進(jìn)行治理。

3 工作面粉塵分布特征分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，分析工作面粉塵分布具有如下特征：

1) 工作面采煤機(jī)割煤時(shí)所產(chǎn)生的粉塵粒徑介于2～3 μm，最大粒徑則達(dá)到了110 μm。

2) 采煤機(jī)附近大顆粒粉塵較多，隨著與采煤機(jī)距離的增加大顆粒粉塵逐漸沉降，呼吸性粉塵的沉降則需要更長的距離和時(shí)間。

3) 小顆粒粉塵主要集中于采煤機(jī)滾筒下風(fēng)向處，采取除塵措施時(shí)應(yīng)重點(diǎn)對(duì)塵源附近的粉塵進(jìn)行沉降。

4 高壓噴霧降塵機(jī)理分析

工作面的粉塵濃度主要來源于工作面割煤，煤的破碎度越大，所產(chǎn)生的粉塵濃度也越大，由于采煤機(jī)是不斷移動(dòng)的，這也決定了工作面粉塵濃度的分布具有不均勻性，但是粉塵濃度較高的區(qū)域主要集中于采煤機(jī)附近，因此在對(duì)工作面粉塵進(jìn)行治理時(shí)應(yīng)以采煤機(jī)附近的粉塵作為主要治理目標(biāo)，故在采煤機(jī)滾筒附近安裝高壓噴霧降塵裝置。該裝置可以以連續(xù)液體的形式從噴嘴噴出，由于受到空氣的擾動(dòng)作用，液體表面會(huì)形成一定模式的振動(dòng)波，使噴射而出的液體又進(jìn)一步分裂成液片和大顆粒液珠，對(duì)大顆粒粉塵和小顆粒粉塵起到一個(gè)更好的沉降效果，同時(shí)該裝置還具有二次霧化的作用，使工作面粉塵濃度進(jìn)一步降低。

5 實(shí)施方案

在工作面設(shè)計(jì)一套15 kW的高壓系統(tǒng)，加壓裝置的進(jìn)水壓力約為2 MPa，在安裝加壓裝置時(shí)設(shè)置1個(gè)進(jìn)水箱，該進(jìn)水箱可以根據(jù)水位高度而自行關(guān)閉、開啟進(jìn)水閥門。加壓裝置進(jìn)水管、出水管分別選用直徑為35 mm、25 mm的4層鋼絲編織的橡膠管，三通后端滾筒噴嘴通水管選用直徑為16 mm的3層鋼絲編織的橡膠管。高壓出水管路共計(jì)6條，鋪設(shè)在電纜槽中，進(jìn)水管路兩條，用來連接水箱和水源。采煤機(jī)左右滾筒各設(shè)1組噴嘴，每組噴嘴數(shù)量為7個(gè)，出水通經(jīng)1.2 mm，噴嘴組安裝在兩滾筒搖臂電機(jī)側(cè)蓋處，安裝時(shí)噴嘴應(yīng)朝向滾筒，噴嘴的噴射距離最長約為3 m，水霧覆蓋半徑約為1.5 m。

6 工程監(jiān)測

采用高壓噴霧降塵裝置對(duì)工作面粉塵進(jìn)行治理后，對(duì)工作面的粉塵濃度進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，以采煤機(jī)測點(diǎn)2的粉塵濃度峰值為例，對(duì)治理效果進(jìn)行評(píng)定，治理前后的粉塵濃度峰值對(duì)比如圖6所示。

圖6 治理前后粉塵濃度峰值對(duì)比

由圖6可知，沒有使用高壓噴霧裝置進(jìn)行治理前，粉塵濃度的峰值達(dá)到了1 320 mg/m3，而采用高壓噴霧降塵裝置對(duì)其進(jìn)行治理后工作面粉塵濃度峰值僅為370 mg/m3，與治理前相比降低了72%，該措施對(duì)粉塵治理效果顯著，工作面環(huán)境得到了極大改善。

7 結(jié) 語

1) 3101綜采工作面粉塵是由采煤機(jī)產(chǎn)生并向人行道一側(cè)擴(kuò)散，且粉塵濃度較大，現(xiàn)有的除塵措施不能對(duì)工作面粉塵進(jìn)行及時(shí)有效的治理，嚴(yán)重威脅工作人員的身體健康。

2) 結(jié)合工作面粉塵的分布特征，提出采用高壓噴霧降塵措施來對(duì)其進(jìn)行治理，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明在新措施的治理下工作面粉塵濃度與原治理措施下相比減少了72%，工作面環(huán)境得到了極大改善。