礦用泡沫抑塵系統(tǒng)在綜掘機上的應(yīng)用

康克甫

貴州能渝煤業(yè)開發(fā)有限責任公司，中國·貴州 金沙 551800

1 引言

11402 機巷掘進工作面布置在K14煤層，K14煤層直接頂為厚度0.5～5m 灰色中厚層狀粉砂巖，含碳化植物化石。老頂為厚度4m 的深灰色薄層狀泥巖，夾0.2m 左右細砂巖。直接底為厚度0.5m 的深灰色粘土質(zhì)泥巖，含植物化石碎片。老底為厚度3.2m 的灰色薄至中厚層狀細砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，水平層理。煤層厚度為1.7～2.1m，平均1.9m，煤層傾角一般在33～35°。巷道掘進采用三一重工EBZ200H 型掘進機，矸石運輸方式采用綜掘機二運加礦車轉(zhuǎn)運，機車運輸?shù)姆绞健７缐m措施主要采取綜掘機內(nèi)外噴霧降塵，外噴霧降塵，巷道全斷面噴霧降塵等措施，掘進工作面工作人員和后方運輸人員必須佩戴3M 防塵口。在實際使用過程中，綜掘機內(nèi)外噴霧效果不好，掘進巷道內(nèi)產(chǎn)生大量含煤粉塵。

2 掘進機截割產(chǎn)塵機理分析

掘進機截割煤巖時尖銳的刀齒會與煤巖接觸部分產(chǎn)生很高的接觸應(yīng)力，接觸應(yīng)力隨截割力增大而增大，突破極限值時，就會在接觸點處產(chǎn)生破碎。破碎發(fā)生區(qū)域較小，破碎煤巖粒徑也比較小，因此破碎體不會排除至截齒外，只有隨著刀體的進一步前進，才會再次破碎，直至形成壓固核或密實核，刀齒的能量會利用密實核傳給其周圍煤巖。粉塵的產(chǎn)生是由于密實核積聚的能量釋放，解除了其約束狀態(tài)造成的。在未破碎的煤巖與密實核之間區(qū)域是許多微裂紋集合體，這些集合體會隨著截齒截割力的增大而逐漸失穩(wěn)，當截割力達到一定界限時，裂紋徹底失穩(wěn)形成自由面而放出能量造成粉塵飛揚。

掘進機截齒類型有兩種，分別為鎬型齒和刀型齒，下面介紹鹽井一礦使用鎬型截齒破煤過程中的產(chǎn)塵機理。

如圖1所示，鎬型截齒破煤時截齒以速度Vj破入煤體，在截齒破入受力體瞬間時，鎬型截齒表面對煤巖體的壓力超過其抗壓強度，煤巖體破碎，破碎面為圓錐面。施力加大截齒繼續(xù)破入，鎬刃周圍煤巖破碎為粉末，形成密實核并不斷擴大，其對周圍煤巖張力也不斷增大。如果煤巖體張力合力2R 大于BC 與AD 處拉應(yīng)力合力時，則會在距離BC 與AD近距離處形成自由面，煤巖以1、2、3 的順序崩落，結(jié)束了密實核的約束狀態(tài)，其本身積聚的能量得到釋放[1]。

圖1 鎬型截齒破煤產(chǎn)塵機理

3 井下粉塵的危害

①含有大量煤塵的粉塵遇到電氣設(shè)備失爆產(chǎn)生電氣火花、火星、弧光等容易產(chǎn)生粉塵爆炸，造成礦井災難事故。

②粉塵對工作人員身體健康產(chǎn)生嚴重危害，長期在掘進工作面工作人員塵肺病發(fā)病率高。

③掘進工作面及后方巷道內(nèi)能見度低，容易發(fā)生安全事故。

④大量的粉塵污染環(huán)境。

4 泡沫抑塵系統(tǒng)的現(xiàn)場布置

需要現(xiàn)場裝配的部件有：發(fā)泡一體化裝置、噴頭支架、噴頭和堵頭。需要現(xiàn)場加工的部件有：泡沫分配器和噴頭支架的安裝機構(gòu)。其中噴頭支架的安裝機構(gòu)是用來固定噴頭支架的，其上設(shè)置供噴頭滑動的螺栓槽，便于實驗過程中調(diào)節(jié)噴頭角度和覆蓋范圍[2]。

泡沫降塵系統(tǒng)在11402 巷掘進工作面的布置情況如圖2所示。降塵所用水流為原降塵用水的一部分，氣源為壓風的一部分。風水一體閥門的兩個接口分別與水管和風管連接，發(fā)泡劑添加裝置和發(fā)泡劑箱底部相連，依靠水管中水流的動力把發(fā)泡劑添加至水管中，風水一體閥門出口端的壓風管接到發(fā)泡器上，連接管路都用直徑為19mm 的高壓膠管、發(fā)泡器、發(fā)泡劑添加裝置和發(fā)泡劑箱連成一體固定在掘進機臺面上，生成的泡沫采用直徑為38mm 的膠管輸送至泡沫分配器的入口，裝有泡沫噴頭的噴頭支架由直徑為25mm 的膠管和分配器的出口端連接，最后由噴頭噴灑至產(chǎn)塵點，抑制礦塵的擴散。泡沫一體化發(fā)生裝置布置在司機側(cè)。

由于整個掘進工作面的產(chǎn)塵點主要在掘進機的截齒處，所以泡沫噴頭的作用范圍應(yīng)該是切割滾筒的四周。由于泡沫會因重力作用向下運動，掘進機截割頭下側(cè)不易布置噴頭，泡沫噴頭的布置重點是掘進機截割頭的上部和兩翼，因此上部和兩翼的噴頭支架上各并排布置兩個噴頭，總計六個噴頭，剩余的噴頭安裝口使用堵頭將其封閉。噴頭的布置情況如圖2所示。噴頭所噴出泡沫的擴散形式分別為：上部兩個噴頭呈水平扇形分布噴出，左右兩翼的四個噴頭呈傾斜扇形噴出，噴頭擴散角度均為45°。噴頭布置好以后，把水管和風管連接到發(fā)泡器上，最后把發(fā)泡器和泡沫噴頭接通。根據(jù)設(shè)計的方案和多次井下現(xiàn)場實地勘察和測算，并增加安裝墊塊，最終將泡沫降塵系統(tǒng)安裝完畢[3]。

圖2 系統(tǒng)的安裝與布置示意圖

5 應(yīng)用效果分析

泡沫降塵系統(tǒng)在11402 巷掘進工作面安裝完畢后，進行了一系列應(yīng)用試驗。結(jié)果表明，泡沫降塵系統(tǒng)降塵優(yōu)勢明顯，效果顯著。

試驗現(xiàn)場在司機處布置了粉塵濃度測點，分別測得了無措施時全塵及呼吸性粉塵濃度、防塵噴霧降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度、泡沫降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度各6 組數(shù)據(jù)，參考通風科已有的測塵數(shù)據(jù)，最終取各種情況下有效數(shù)據(jù)各4 組并進行對比分析，如表1所示。

表1 降塵效率的比較

11402 機巷屬于全巖巷掘進工作面，通過對比分析可知，防塵噴霧降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度可分別達到941.28mg/m3和402.88mg/m3，降塵效率分別為22.3%和25.4%。而泡沫降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度分別為277.38mg/m3和120.5mg/m3，降塵效率分別為77.1%和77.7%。從所測得數(shù)據(jù)來看，泡沫降塵與防塵噴霧降塵相比，對全塵和呼吸性粉塵的降塵效果明顯，分別是其降塵效率的3.46 倍和3.06 倍。

6 結(jié)語

從以上試驗和數(shù)據(jù)分析可知，泡沫除塵技術(shù)的降塵效果優(yōu)于防塵噴霧降塵，可使司機側(cè)的粉塵有很大的降低，對司機工人的身心健康有很大幫助，起到了良好的作用。泡沫降塵技術(shù)的應(yīng)用可有效地降低井下掘進工作面的粉塵濃度，降低職工肺塵病發(fā)病率，防止煤塵爆炸，保證井下安全生產(chǎn)。