圣天寶地清城礦厚煤層綜放工作面降塵技術應用

付向東

(山西圣天寶地清城煤礦有限公司，山西 陽泉 045000)

粉塵是主要的空氣污染物之一，長期吸入大量粉塵，尤其是呼吸性粉塵、PM2.5等細微粒徑的粉塵顆粒極容易在支氣管、肺泡等呼吸系統內部沉積，粉塵顆粒進入下呼吸系統后就很難排出，可能會造成肺部的纖維化，最終引發塵肺病——我國第一大職業病。據統計，目前我國塵肺病患者累計約80萬人，每年新增約1.5萬人，高濃度煤塵還容易造成粉塵爆炸，其威力遠高于瓦斯爆炸。煤礦采煤面是礦井最大的產塵源之一。近年來隨著煤炭需求量增加，厚煤層逐漸被開發出來，放頂煤和一次采全高等采煤方法，由于煤體破裂高度增加，粉塵危害更加嚴重，因此需要對厚煤層綜采面粉塵防治進行詳細研究。

1 15107采煤面概況

圣天寶地清城煤礦位于山西省陽泉市西北方向，年產量150萬t。15107采煤面位于第15號煤層，煤層平均厚度為7.2 m，平均傾向8°，工作面東部和西部分別是已經開采完畢的15105工作面和15109工作面，南部是15號煤的采區巷道，上部沒有采空區。工作面走向長度為855 m，傾斜長度為148 m，工作面開采面積為126 540 m2，可采儲量為112萬t。

工作面利用MG200/500-WD型采煤機割煤，前后滾筒分別位于上方和下方，割煤深度為600 mm，在采煤面兩端斜切進刀，進刀區段長度為40 m，如圖1所示：(a)步驟為采煤機割至工作面溜頭(尾)后，停機調換滾筒上下位置，隨機拉架和推溜暫停，采煤機反向斜切進刀；(b)步驟為采煤機反向斜切進刀后，隨機拉架、推溜和收后溜，停機調換滾筒上下位置，割至工作面溜頭(尾)掃掉三角煤；(c)步驟為割至溜頭(尾)后，停機調換滾筒上下位置；反向至進刀處暫停；(d)步驟為前移溜頭(尾)，并拉架推溜至采煤機后3～5 m處，采煤機正常割煤至溜尾(頭)。

圖1 采煤機斜切進刀方式

2 15107綜放面產塵特性分析

煤塵的產生其實是大尺寸煤體破碎變成多個小尺寸煤體碎塊的過程。對于15107采煤面，其平均采高為2.5 m，煤層平均厚度為7.2 m，此外還有4.7 m厚度的煤層通過放頂掉落開采，因此該工作面產塵位置主要有以下幾點：

1) 采煤機雙滾筒截割產塵。滾筒割煤時，主要依靠滾筒上固定的多個截齒與煤體相互碰撞使其破碎實現割煤效果。煤體因截齒侵入受擠壓、剪切等作用，從整體的大尺寸煤壁破碎成小尺寸碎煤塊，期間產生大量粉塵。截齒侵入煤體時，煤體與齒尖接觸的地方所受壓力最大，形成密實核(即粉化核)，當壓力超過煤體的強度極限后，煤體發生破碎，密實核積聚的能量在破碎瞬間釋放出來，內部的高密度粉化核被拋向空中形成粉塵。煤體內部原生、次生裂隙中也可能含有大量粉塵，破碎后也會暴露在空氣中隨風流移動。另外，由于該工作面采用放頂煤技術，因此煤體穩定性相對較差，易受采動影響，因此采煤機割煤時很容易出現距滾筒較遠處煤壁大面積跨落的現象，煤體掉落至底板后碰撞沖擊產生大量揚塵。

2) 放頂落煤產塵。煤體在支架后方掉落時相互碰撞，產生大量粉塵。由于該空間內空氣流速較低，產生的粉塵通常沉積在煤體表面，當放煤口打開后，大量碎煤體涌入隨膠帶機向巷道中運移，此時受工作面風流影響，膠帶機上煤流中的沉積粉塵將被揚起，污染巷道內的空氣。

3) 移架產塵。該工作面放頂煤開采過程中，采煤機割煤厚度占煤層平均厚度的34.74%，其余煤體受重力自然下落，因此受采動影響，頂部未被截割的煤體堅硬程度和整體性很差，極易破碎。液壓支架的作用則是用高壓力向上支撐頂部破碎的煤體，在此過程中，頂部煤體受強烈擠壓作用破碎產生粉塵。當采煤機向前割煤時，支架需要跟隨移動，此時支架與頂部煤體之間滑動摩擦，移動到位后再次向上擠壓支撐。可以看出，支架移動過程中將伴隨大量煤體碎塊破碎產塵，相鄰兩臺支架間出現縫隙，粉塵會從縫隙中掉落，隨人行道氣流向回風側運移污染整條巷道。

4) 轉載點產塵。轉載點處為具有高度差的兩段膠帶機，碎煤體從上膠帶向下膠帶轉運時，大量煤流在掉落點相互碰撞，極易造成破碎產塵以及沉積粉塵二次飛揚。

3 綜合降塵技術應用效果測定

3.1 降塵技術應用

根據前文對產塵特性的分析可以看出，圣天寶地清城礦15107采煤面主要粉塵點為采煤機滾筒割煤產塵、支架移架落塵、膠帶轉載點揚塵等，因此需要對這些產塵點分別采取有效的降塵措施。

針對采煤機雙滾筒割煤產塵采用負壓二次大流量噴霧降塵技術，既能夠噴射大流量水霧潤濕粉塵，又能夠吸入含塵氣流，使其再次潤濕沉降，如圖2所示。從正面視角來看，負壓二次噴霧裝置噴射角度隨滾筒一同移動，保證噴霧能夠全覆蓋割煤產塵區域。噴霧壓力為5 MPa，使霧滴能夠噴射至較遠位置潤濕遠端煤體，防止遠端煤壁跨落時產生粉塵。從俯視視角來看，噴射裝置安裝在搖臂旋轉電機上，這樣既能夠保證噴射角度與滾筒保持一致，又能有效避免掉落的煤體碎塊砸到噴射裝置。

由于支架移架過程中有大量粉塵從頂部縫隙中掉落，因此在支架頂部安裝向兩側噴射水霧的負壓二次噴霧降塵裝置，吸塵口位于噴霧中部，其中位于支架前側的噴霧朝中部和下部噴射，位于后側的噴霧朝支架下方噴射，如圖3所示。

圖2 采煤機負壓二次大流量噴霧降塵裝置示意

圖3 液壓支架架間負壓二次噴霧降塵裝置示意

為了治理膠帶機運輸過程中產生的二次揚塵，在工作面兩端安設針對采煤空間的全斷面捕塵水幕簾，捕塵網固定在支架側方，能夠隨支架一同移動。同時在距離回風巷與工作面交界處2 m的位置布置全斷面捕塵水幕簾，如圖4所示。

圖4 全斷面水幕簾示意

3.2 降塵效果分析

我國對煤礦井下粉塵治理工作十分重視，出臺了一系列相關標準規定。根據《煤礦井下粉塵綜合防治技術規范》等標準中對測塵點的規定，在采煤機下風向10 m處、回風巷水幕簾后方3 m處設置測塵點，同時測量該地點的總粉塵和呼吸性粉塵濃度，測定儀器采用CCZ-1000型直讀式測塵儀。測塵結果如表1所示。除塵率按照公式(1)計算。

(1)

式中：μ為除塵率，%；c1為沒有降塵措施時的粉塵濃度，mg/m3；c2為采用綜合降塵措施后的粉塵濃度，mg/m3。

表1 各測塵點粉塵濃度

根據表1中的測塵數據可以看出，采用了綜合降塵措施以后，采煤機下風側10 m處的全塵平均濃度從1 157.6 mg/m3降低至164.7 mg/m3，呼吸性粉塵平均濃度從411.9 mg/m3降低至65.7 mg/m3，降幅分別為85.8%和84%(即除塵率)。回風巷水幕簾后方3 m處全塵濃度從380.8 mg/m3降低至35.9 mg/m3，呼吸性粉塵濃度從194.5 mg/m3降低至20.9 mg/m3，除塵率分別為90.6%和89.3%.粉塵治理效果較好。

4 結 語

1) 綜放工作面粉塵主要產自采煤機滾筒割煤、支架移架、放頂煤破碎、膠帶輸送煤流、轉載點轉運等5處，需要綜合治理才能實現較好的降塵效果。

2) 利用以負壓二次降塵為基礎的降塵技術以后，采煤機下風側10 m處的全塵和呼塵平均降塵率分別為85.8%和84%，回風巷水幕簾后方3 m處全塵和呼吸性平均除塵率分別為90.6%和89.3%.