劉丁豪
(霍州煤電集團辛置煤礦,山西 霍州 031412)
辛置煤礦2-208 運輸巷掘進面其粉塵濃度單位立方米達上百毫克,甚至上千毫克,嚴重超過了
《煤礦安全規程》中規定的粉塵濃度標準。粉塵作為礦井五害之一,粉塵的增加直接影響到煤礦的安全高效生產,同時會誘發塵肺病,危害礦工生命健康安全[1-5]。目前我國對煤礦井下掘進工作面粉塵的防治還存在著明顯的短板,粉塵防治技術和方法還有缺陷。為此,辛置煤礦開展掘進面粉塵防治技術應用實踐,具有一定的現實意義。
辛置煤礦2-208 工作面開采2#煤層,屬于310 水平二采區工作面。工作面所采煤層位于二疊系下統山西組,大部分屬于穩定可采煤層,結構復雜,含兩層矸石夾層;煤層厚度3.8~4.3 m,平均4.1 m,煤層傾角2°~6°,平均4°,煤層結構1.51(0.3)0.83(0.15)1.31 m,煤質相關參數見表1。工作面直接頂為厚度0~7.5 m的灰黑色薄層狀砂巖和泥巖互層結構,基本頂為厚度6~8.2 m的灰白色厚層狀K8中細砂巖,直接底為厚度4.0~6.5 m的灰黑色厚層狀泥巖,基本底為厚度4.0~7.8 m的灰白色中厚層狀中砂巖。2-208 運輸巷掘進面為矩形斷面,巷道掘進寬度4 800 mm、掘進高度3 900 mm,設計掘進長度583 m。

表1 煤質相關參數
掘進面粉塵來源主要包括掘進機割煤過程、鉆機鉆孔過程、運輸轉載點揚塵以及其他工序造成的二次揚塵等。
(1)掘進機割煤過程。掘進機割煤過程是掘進面粉塵的主要來源之一。掘進機按照割煤工藝切割煤巖體,在截割頭在接觸煤巖體過程中,煤巖體破碎并產生粉塵,在分流的作用下,擴散至整條巷道。
(2)鉆機鉆孔過程。錨桿及錨索鉆孔施工時,由于煤體松散破碎,一般采用壓風式排渣,在打鉆過程中,若不采取專業的粉塵防治措施,將導致大量的粉塵進入巷道。
(3)運輸轉載點揚塵。煤巖在運輸過程中常常需要轉載,轉載運輸過程中導致該區域粉塵飛揚。
采用CC20A粉塵采樣器對2-208 運輸巷掘進面進行粉塵采集,設計多組粉塵采樣測點,求取平均值。圖1 給出了掘進面不同位置粉塵濃度分布曲線圖,由圖可知,在距掘進面8 m的位置巷道粉塵濃度超過了1 000 mg/m3。這主要是由于該區域位置處于掘進機附近,巷道主要空間被占據,大量粉塵在掘進機附近的回風側聚集;而在靠近掘進面的位置,由于較大風流速度有效稀釋了該區域粉塵濃度,之后隨著距掘進面的距離不斷增加,巷道內的粉塵濃度開始顯著降低。

圖1 掘進面不同位置粉塵濃度分布曲線
圖2 給出了巷道內不同位置粉塵濃度分布曲線圖。由圖2 可知,整體看回風側粉塵濃度高于進風側,這是由于巷道內粉塵主要隨風流從回風區域排出,尤其在掘進面附近,回風側粉塵濃度明顯高于進風側(距掘進面12 m時的巷道分布曲線見圖2);隨著與掘進面距離的增加,風流速度逐漸趨于穩定,巷內粉塵分布也趨于均勻(距掘進面20 m和50 m時,巷道分布曲線見圖2)。

圖2 巷道內不同位置粉塵濃度分布曲線
辛置煤礦2-208 運輸巷掘進面粉塵濃度現場實測結果表明巷道粉塵濃度嚴重超過《煤礦安全規程》的標準,必須采用綜合粉塵防治技術和措施,以便改善巷道作業環境。基于此,提出綜合采用優化通風方式、水幕降塵、活性磁化水降塵等綜合技術措施用于治理掘進面粉塵。
(1)優化通風方式。采用通風除塵是礦井常用的安全高效的除塵方式之一,合理的通風方式可有效實現掘進面除塵。2-208 運輸巷掘進面原通風方式供風量為350 m3/min,其粉塵防治效果較差,經理論計算,提出采用供風量為470 m3/min進行掘進面通風除塵,局部通風機布置見圖3。

圖3 巷道掘進面局部通風機風筒布置
(2)水幕降塵。水幕降塵是指在巷道掘進面某區域設置噴霧裝置,通過持續的全斷面噴霧實現巷內除塵的目的。考慮風流對噴霧的影響以及粉塵分布規律,在距掘進25 m的位置布置2 組噴霧降塵裝置,分別布置在進風側和回風側頂板區域,主要參數如下:噴射半角25°、噴霧壓力5 MPa、噴嘴直徑0.15 mm,巷道掘進面水幕布置方式見圖4。

圖4 巷道掘進面水幕布置方式
(3)活性磁化水降塵。礦井粉塵具有疏水性能,常規的噴霧降塵效果有限,研究表明磁場可改變水分子物理性質,增加水的濕潤性。因此,采用活性磁化水配合常規噴霧降塵可有效提高降塵效果。活性磁化水制備流程:將高濃度活性劑溶液采用靜態混合器定量加至輸水管路,并均勻混合,配比得到的低濃度活性水,進入磁化器磁化,得到的活性磁化水用于綜掘面噴霧、灑水。

圖5 活性磁化水制備過程
提出了綜合采用優化通風方式、水幕降塵、活性磁化水降塵等技術措施,在辛置煤礦2-208 運輸巷掘進面進行了實施應用,監測了距掘進迎頭30 m內,采用技術措施前后粉塵濃度情況,未采用降塵措施時,該截面巷內全塵和呼塵濃度分別為280.6 mg/m3、117.8 mg/m3;綜合采用優化通風方式、水幕降塵、活性磁化水降塵等技術措施后,該截面巷內全塵和呼塵濃度分別為49.5 mg/m3、22.4 mg/m3,降塵效果達80%以上。
掘進工作面粉塵濃度大、治理困難,給煤礦生產帶來巨大安全隱患。本文總結了掘進面粉塵主要來源,包括掘進機割煤過程、鉆機鉆孔過程、運輸轉載點揚塵以及其他工序造成的二次揚塵等,提出綜合采用優化通風方式、水幕降塵、活性磁化水降塵等技術措施,在辛置煤礦2-208 運輸巷掘進面進行了實施應用,其降塵效果達80%以上。