南岔礦大巷掘進(jìn)面粉塵綜合治理研究

任志鵬

（國家煤及煤化工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，山西 太原030002）

0 引 言

通常煤礦井下大巷掘進(jìn)面的粉塵濃度可達(dá)600 mg/m3，是井下粉塵最嚴(yán)重的區(qū)域之一[1]。井下大巷多采用錨噴支護(hù)，噴射混凝土后的粉塵主要為水泥塵，其中有約20%的呼吸性粉塵[2]，嚴(yán)重威脅工人的身體健康。目前國內(nèi)大巷掘進(jìn)面粉塵治理技術(shù)由于工藝復(fù)雜、投資高，應(yīng)用效果較差，導(dǎo)致多數(shù)礦井大巷掘進(jìn)面粉塵治理仍是以個體防護(hù)為主[3]。

南岔礦原大巷掘進(jìn)面中粉塵濃度高達(dá)580 mg/m3，急需開展粉塵綜合治理技術(shù)研究。根據(jù)大巷掘進(jìn)面粉塵特點(diǎn)，提出一套粉塵綜合治理方案，再進(jìn)行井下現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證方案的合理性，對提高防塵效率降低粉塵危害有著重要的意義。

1 工程概況與粉塵特點(diǎn)

1.1 工程概況

南岔礦位于忻州寧武縣，生產(chǎn)能力1.2 Mt/a，主要開采2號和5號煤層，5號煤平均厚2.16 m，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。5號煤布置有3條開拓大巷，依次為軌道、膠帶、回風(fēng)大巷。施工時(shí)布置大巷掘進(jìn)面，先掘進(jìn)膠帶巷。膠帶巷沿煤層底板布置，半圓拱斷面，掘?qū)?.2 m，掘高3.7 m，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，噴射厚度100 mm。

1.2 掘進(jìn)面粉塵特點(diǎn)

井下膠帶巷掘進(jìn)面進(jìn)行噴漿作業(yè)時(shí)，主要是采用潮噴方式，人工上料噴射混凝土，工人靠手持噴嘴對巷道進(jìn)行噴射料漿支護(hù)，噴射過程中產(chǎn)生大量的料漿粉塵，粉塵點(diǎn)相對分散，主要集中在以下區(qū)域。

（1）料漿裝料時(shí)，因頻率快且高度高而產(chǎn)生的揚(yáng)塵。

（2）料漿攪拌時(shí)，因伴隨余氣在噴射機(jī)口和上料口產(chǎn)生的粉塵。

（4）因噴射新料漿與巷道上已附漿體的碰撞產(chǎn)生的粉塵。

經(jīng)分析可知，上述4處粉塵中，前2處粉塵主要發(fā)生在噴射機(jī)設(shè)備附近，稱為設(shè)備生塵區(qū)域；后2處粉塵主要發(fā)生在噴嘴與巷道壁之間的區(qū)域，稱為工作生塵區(qū)域。

根據(jù)井下噴漿設(shè)備布置情況，噴射機(jī)設(shè)備布置在掘進(jìn)面壁后方30～45 m位置，即設(shè)備生塵區(qū)域與工作生塵區(qū)域相距30～45 m。經(jīng)測定，設(shè)備生塵區(qū)域粉塵濃度為380～580 mg/m3，工作生塵區(qū)域粉塵濃度為140～240 mg/m3，粉塵濃度較大。

2 粉塵治理方案

根據(jù)大巷掘進(jìn)面粉塵特點(diǎn)，考慮設(shè)備生塵區(qū)域與工作生塵區(qū)域相距較遠(yuǎn)，粉塵治理時(shí)可將其分為2個相互獨(dú)立的區(qū)域進(jìn)行分別治理，將設(shè)2個區(qū)域進(jìn)行粉塵綜合治理，技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)面粉塵綜合治理示意Fig.1 Integrated control of dust in heading face

（1）設(shè)備生塵區(qū)域。在噴射機(jī)的裝料系統(tǒng)中增加1部刮板機(jī)，利用刮板機(jī)降低裝料高度，減少因裝料高度產(chǎn)生的粉塵；再增設(shè)1個防塵罩，將噴射機(jī)周邊粉塵控制在較少范圍，最后再設(shè)置1臺除塵器，對噴射機(jī)周邊粉塵作抽塵凈化，以減小攪拌時(shí)余氣產(chǎn)生的粉塵影響。

（2）工作生塵區(qū)域。將原有的人工噴漿改為用機(jī)械自動噴漿裝置，利用遙控操作噴漿，讓工人遠(yuǎn)離掘進(jìn)面壁；同時(shí)自動噴漿裝置能設(shè)置噴角和噴距等參數(shù)，避免人為操控偏差，一定程度上可減少部分粉塵產(chǎn)生。再采用濕式除塵和渦流控塵2種技術(shù)治理區(qū)域粉塵，將除塵裝置安設(shè)在噴嘴下方的扒渣機(jī)上，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動噴漿、扒渣和除塵。

3 設(shè)備生塵區(qū)域防塵技術(shù)

3.1 噴射機(jī)防塵結(jié)構(gòu)與效果

（1）防塵結(jié)構(gòu)。

巖溶區(qū)域樁基礎(chǔ)施工必須做到每根樁進(jìn)行超前鉆勘探，以往通常做法是在樁位中心鉆一個探孔。因探孔所取土樣僅能體現(xiàn)鉆孔范圍內(nèi)的地層情況，樁基其他位置的地質(zhì)情況屬于盲區(qū)，很容易造成誤判。

為達(dá)到預(yù)期的防塵效果，在噴射機(jī)外側(cè)增設(shè)1個防塵罩將其包裹，并控制噴射機(jī)一側(cè)的余氣。防塵罩內(nèi)部空隙與刮板機(jī)內(nèi)部空隙之間形成一個大空腔；當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生粉塵時(shí)，打開除塵器抽出氣流，在空腔內(nèi)形成負(fù)壓，進(jìn)而降低上料口的粉塵濃度[4]。

（2）防塵效率。

噴射機(jī)正常工作時(shí)余氣量約5 m3/min。為研究該防塵結(jié)構(gòu)的效果，進(jìn)行試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)防塵罩附近的粉塵濃度，得出防塵效率與防塵結(jié)構(gòu)抽風(fēng)量的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 防塵效率與抽風(fēng)量關(guān)系Fig.2 Relationship between dust efficiency and exhaust volume

由圖2可以看出，當(dāng)防塵結(jié)構(gòu)抽風(fēng)量低于7.5 m3/min時(shí)，效率顯線性遞增關(guān)系；當(dāng)抽風(fēng)量7.5 m3/min，效率達(dá)到一個相對高值99%，經(jīng)測試此時(shí)的防塵結(jié)構(gòu)風(fēng)阻為1.2 kPa；當(dāng)抽風(fēng)量高于7.5 m3/min時(shí)，效率顯平緩趨勢。因此現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，將防塵結(jié)構(gòu)抽風(fēng)量設(shè)置在7.5 m3/min左右較為合適。

3.2 噴射機(jī)防塵配套

考慮噴射機(jī)結(jié)構(gòu)特征和井下掘進(jìn)面地質(zhì)條件，改造時(shí)噴射機(jī)防塵配套裝置要求應(yīng)體積小、使用輕便且安全，同時(shí)能有效治理設(shè)備生塵區(qū)域粉塵。

（1）防塵裝置工作壓力。

由上述測試可知，抽風(fēng)量7.5 m3/min時(shí)防塵結(jié)構(gòu)的風(fēng)阻為1.2 kPa，根據(jù)除塵器運(yùn)行記錄得知除塵器最大風(fēng)阻為1.4 kPa，即整個防塵裝置的進(jìn)口總風(fēng)阻為2.6 kPa。為研究防塵裝置不同工作壓力下進(jìn)口風(fēng)阻與抽風(fēng)量的關(guān)系，進(jìn)行試驗(yàn)（圖3）。可以看出，當(dāng)抽風(fēng)量7.5 m3/min，防塵裝置進(jìn)口風(fēng)阻為2.6 kPa時(shí)，防塵裝置工作壓力為0.35 MPa。井下供氣標(biāo)準(zhǔn)要求壓力最大值為0.5 MPa，說明裝置壓力滿足要求。

圖3 進(jìn)口風(fēng)阻與抽風(fēng)量關(guān)系Fig.3 Relationship between inlet resistance and pumping volume

（2）過濾網(wǎng)及其他。

當(dāng)除塵器濕式作業(yè)時(shí)，防塵效率由過濾網(wǎng)孔徑和風(fēng)速決定。為研究不同過濾網(wǎng)孔徑下防塵效率與風(fēng)速的關(guān)系，進(jìn)行試驗(yàn)（圖4）。可以看出，在同一過濾網(wǎng)孔徑下，風(fēng)速越大，防塵效率反而降低；當(dāng)過濾網(wǎng)孔徑為250 um時(shí)，防塵效率最好。

圖4 防塵效率與風(fēng)速關(guān)系Fig.4 Relationship between dust efficiency and wind speed

此外，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，噴射機(jī)防塵配套還需采用120°霧化角的螺旋噴嘴，其噴霧流量為20 L/min；在除塵器上應(yīng)增設(shè)脫水擋板。

4 工作生塵區(qū)域防塵技術(shù)

4.1 區(qū)域防塵技術(shù)分析

通常井下綜掘面采用氣幕和渦流兩種防塵方式，文獻(xiàn)[5]研究表明，采用除塵器和渦流綜合防塵技術(shù)后[5]，綜合防塵效率可達(dá)95%～99%，滿足該礦大巷掘進(jìn)面的防塵要求，因此工作生塵區(qū)域采用除塵器和渦流綜合防塵技術(shù)。

根據(jù)大巷掘進(jìn)面現(xiàn)場實(shí)際和需風(fēng)要求，防塵設(shè)備采用KCS230D濕式防爆除塵器，其綜合防塵效率為98.5%。前期使用時(shí)，為確保防塵效果和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，將除塵器壓入和抽出風(fēng)量設(shè)置為175 m3/min和160 m3/min，渦流除塵裝置單獨(dú)設(shè)置風(fēng)機(jī)進(jìn)行供風(fēng)。

4.2 防塵技術(shù)參數(shù)

根據(jù)渦流除塵裝置的結(jié)構(gòu)特征，以及井下大巷掘進(jìn)面的現(xiàn)場實(shí)際情況，此次防塵技術(shù)參數(shù)研究主要為渦流裝置的出口風(fēng)速、角度和氣流分布。

（1）出口風(fēng)速。

為研究不同渦流裝置的出口風(fēng)速下的綜合防塵效率，進(jìn)行試驗(yàn)（圖5）。可以看出，防塵效率隨著渦流裝置出口風(fēng)速的增加而增加，由于風(fēng)速過大會增加電機(jī)功率，因此最終將渦流裝置的出口風(fēng)速確定為60 m/s，其防塵效率為94%。風(fēng)速的大小還有出口的開口尺寸有關(guān)，該裝置風(fēng)速60 m/s的開口尺寸為20×25 mm。

圖5 防塵效率與出口風(fēng)速關(guān)系Fig.5 Relationship between dust control efficiency and exit wind speed

（2）出口角度。

為研究不同渦流裝置的出口角度下的綜合防塵效率，進(jìn)行試驗(yàn)（圖6）。

圖6 防塵效率與出口角度關(guān)系Fig.6 Relationship between dust efficiency and exit angle

可以看出，當(dāng)出口角度小于30°時(shí)，防塵效率隨著角度的增加而增加；當(dāng)出口角度介于30°～50°時(shí)，防塵效率不穩(wěn)定；當(dāng)出口角度50°時(shí)，防塵效率基本處于最高值；當(dāng)出口角度大于50°時(shí)，防塵效率隨著角度的增加反而降低。因此，最終將渦流裝置的出口角度確定為50°。

（3）出口氣流分布。

渦流裝置的出口氣流分布主要與渦流風(fēng)筒距離迎頭的長度有關(guān)[6]，長度越大，氣流分布越穩(wěn)定，防塵效率就越好；但長度越大，風(fēng)筒就越長，風(fēng)阻越大，影響防塵效率。該裝置的原始長度為8 m，經(jīng)測試其綜合防塵效率僅有90%，該值偏低，不滿足工程防塵要求。由于裝置原始長度不能調(diào)整，無法通過增加風(fēng)筒距離迎頭的長度來提高防塵效率。增設(shè)1個引風(fēng)槽，將渦流裝置的出口風(fēng)速的最大值往除塵裝置側(cè)移動1 m，測試得出防塵效率為96%，滿足工程防塵要求。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)改造后的掘進(jìn)面粉塵綜合治理方案，選擇一段20 m長的大巷掘進(jìn)面進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。布置測點(diǎn)C1、C2、C3、C4進(jìn)行采樣，測點(diǎn)C1位于扒渣機(jī)機(jī)頭，測點(diǎn)C2位于人工遙控旁，測點(diǎn)C3位于噴射機(jī)中部，測點(diǎn)C4位于上料口旁1m處。采樣器型號為AZF-2型，各個測點(diǎn)連續(xù)采集2次。原始方案和改造后綜合方案采集的粉塵濃度見表1。

表1 各測點(diǎn)粉塵濃度Table 1 Dust concentration at each measuring point

采用改造后的綜合方案，能大幅度降低粉塵濃度，其中人工遙控旁僅有9.1 mg/m3，噴射機(jī)中部和上料口旁1 m降低至3 mg/m3，這3處防塵效率均高于98%，滿足規(guī)程相關(guān)要求。

6 結(jié) 語

試驗(yàn)取得一定的成功，改造后的綜合方案提高了防塵效率，證實(shí)了該綜合防塵技術(shù)方案的可行性和合理性。礦井后續(xù)大巷掘進(jìn)面一直沿用該套技術(shù)方案，提高防塵效率的同時(shí)也降低了大巷掘進(jìn)面的粉塵危害。

目前該技術(shù)方案已在井下其他采區(qū)掘進(jìn)面防塵中推廣應(yīng)用，防塵效果較好，后續(xù)可推廣應(yīng)用至其他礦井類似條件掘進(jìn)面防塵中，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。