華勝礦3113 運輸順槽綜掘面除塵技術優化

趙基國

（山西蒲縣華勝煤業有限公司，山西 臨汾 041206）

0 引 言

粉塵引發的塵肺病是我國最嚴重的職業病[1]，據統計，2020 年我國新增塵肺病14 367 例，占新增職業病總數的84 %，因塵肺病死亡6 668 例[2]。井工礦多個作業區域都會產生粉塵，尤其是綜掘工作面，粉塵濃度高達1 000 mg/m3，嚴重威脅人員生命健康和企業安全生產。為了高效治理3113 運輸順槽綜掘工作面粉塵危害，對掘進作業全過程的產塵種類、地點、機理進行了研究，對不同產塵地點分別提出了針對性的降塵措施，保證降塵效率。提升綜掘面粉塵治理效果對建設綠色礦山有重要的積極作用。

1 3113 運輸順槽工作面概況

山西蒲縣華勝煤業有限公司為兼并重組整合礦井，位于山西省蒲縣縣城東部20 km 處，礦井生產能力0.90 Mt/a，礦井面積約9 km2。3113 運輸順槽位于該煤礦首采3 號煤層中，3 號煤層煤塵爆炸指數為46.24 %，原水水分1.45 %～1.51 %、孔隙1.41 %～3.52 %、吸水率1.45 %～1.76%、堅固性系數1.18～1.31，為可不注水煤層，無法采取煤層注水工作預先防塵。2020 年瓦斯絕對涌出量為2.80 m3/min，相對涌出量為1.52 m3/t，回采和掘進中瓦斯最大絕對涌出量分別為0.43、0.28 m3/min，為低瓦斯礦井。

3113 運輸順槽巷道設計長577 m，開口位于3113 運輸聯絡巷P14 導線點以南65.47 m 處，以90°方位角沿3 號煤層頂板掘進283 m，再以180°方位角沿3 號煤層頂板掘進294 m 到達切眼開口位置。巷道為矩形斷面，0～25 m 段斷面寬和高分別為4.8、2.9 m，凈斷面面積13.92 m2；26～294 m 段斷面寬和高分別為4.4、2.7 m，凈斷面面積為 11.88 m2。掘進采用EBZ-160 型掘進機，每次截割0.9 m。

2 3113 運輸順槽綜掘面產塵特性

通過對3113 綜掘面掘進作業全過程的長期觀測發現，產生粉塵的方式共有5 種：①掘進機截割作業時，截割頭帶動截齒旋轉與煤壁碰撞產生粉塵，這種方式的產塵量占掘進面總產塵量的90 %；②煤塊從高處掉落后在底板碰撞或和其他煤體、機械碰撞產塵；③截割頭截割過程中，煤壁受掘進擾動發生大范圍斷裂，斷裂過程中從裂縫處產塵或原生粉塵受擾動后迸出；④壓入式供風方式從礦井供風系統中抽取的空氣內帶有粉塵；⑤壓入式通風風量風速較高，引發地面、機械表面沉積粉塵二次揚塵。而這5 種產塵方式主要集中在3 個產塵地點：掘進機截割頭割煤產塵、煤體掉落碰撞產塵、皮帶機轉載點拋煤產塵。因此，粉塵防治應該主要針對這3 個地點進行。

掘進機截割頭割煤產塵是首要的產塵點，截割時截齒隨截割頭高速旋轉碰撞煤壁使其破碎，這個過程可以被分成5 個步驟：①截齒和煤相互擠壓，煤體受截齒的應力作用產生應力集中區域并發生輕微變形，煤是脆性材料，因此這一較小的變形屬于彈性形變的階段，煤體并沒有發生顯著損傷。但隨著截齒繼續向煤內部進入，施加的應力也越來越大，應力集中程度顯著增加，當煤體和截齒接觸部分的拉應力和壓應力之一超過煤的抗拉強度或者抗壓極限時，煤體開始發生破碎形成破碎區；②當截齒持續侵入，煤體破碎區內部孔裂隙較多無法將應力及時傳遞給內部煤體，因此存在著截齒持續擠壓破碎區的過程，由于煤體沒有發生大范圍破裂，破碎區內部的碎塊無法排出，最終在一直增加的應力作用下形成壓實的粉化核（這也是主要的粉塵源頭），這一粉化核就可以將截齒的作用力傳遞給內部煤體；③內部煤體受到應力作用后，當應力值大于煤體強度后開始發生細微斷裂，這些細微斷裂主要從粉化核的邊界處開始產生，而后迅速相互融合擴展，形成宏觀裂隙；④宏觀裂隙在產生的過程中成放射狀向外擴展，最終與空氣相接處變成貫通裂隙，形成新的自由面；⑤新自由面形成后，碎煤塊開始掉落，此時煤體對截齒處的應力約束狀態被解除，積聚了大量能量的壓實粉化核以及煤體自身開始釋放能量，粉塵被拋向空氣中形成氣載粉塵污染環境。

這5 個產塵步驟的全過程都有能量的相互轉化，如圖1 所示。從外界輸入的能量也就是截齒提供的機械能和熱能，在煤體內部轉變成可存儲的能量和被耗散的能量，當能量積聚到極值后通過動能、表面能、摩擦熱能的形式再釋放到外界。

圖1 截齒截割能量轉換過程

3 3113 運輸順槽綜掘面除塵技術

3.1 除塵技術現狀

目前3113 運輸順槽綜掘面主要依靠掘進機自帶內外噴霧進行除塵，內噴霧和外噴霧裝置的供水壓力分別為2 MPa 和4 MPa，并且在掘進機機身后側刮板輸送機的機頭、皮帶運輸機機頭以及皮帶機轉載點等地點安裝了一些低壓噴霧裝置，供水壓力約0.7 MPa。在距離工作面迎頭40 m 處設置有一道全斷面風流凈化水幕，供水壓力同樣為0.7 MPa。

經實際生產中發現，3113 運輸順槽綜掘面粉塵治理效果并不理想，巷道能見度很低。此外，該巷道平均凈斷面面積為12.9 m2，局部壓入式供風量270 m3/min，斷面平均風速約為0.35 m/s，風流流速較緩，粉塵（尤其是呼吸性粉塵等細微顆粒粉塵）在產生后容易長時間積聚在巷道前端，而巷道前端工作人員較多，對人員健康危害很大。因此，需要對該工作面除塵技術方案進行改進，以提高粉塵治理效果。

3.2 除塵技術改進

根據產生粉塵的5 個步驟可以看出，直到最后2 步粉塵才真正進入空氣中形成污染物，如果能夠從產塵過程中降低粉塵產生，除塵效果將非常顯著。為了解決3113 運輸順槽工作面前端粉塵運移速度慢、容易形成粉塵積聚的問題，設計了由掘進機外噴霧、掘進機機載全斷面噴霧幕、濕式除塵風機、旋流風幕發生器組成的綜合封閉式除塵系統，如圖2 所示。當掘進機開始截割煤體時，開啟除塵系統，由旋流風幕發生器吹出的與巷道軸向垂直的全斷面風幕在巷道迎頭部分形成封閉控塵空間，阻止粉塵向巷道后方擴散；濕式除塵風機抽風口固定在綜掘機機身處，可以直接吸入截割頭截割破碎產生的粉塵以及底板碎煤塊碰撞產生的粉塵；掘進機外噴霧噴射向截割頭周圍，直接潤濕截割產生的粉塵，從源頭上使其潤濕沉降；全斷面噴霧幕用以截留因巷道迎頭風流影響而向后方運移的含塵空氣，當粉塵顆粒通過噴霧幕時將被霧滴潤濕沉降。

圖2 綜合封閉式除塵系統示意圖

改進后的掘進機外噴霧如圖3 所示。噴霧系統由8 個噴嘴和噴霧架構成，噴霧架是內部中空的圓環形，既作為固定支架將噴嘴固定在掘進機搖臂根部，又作為高壓水管為噴嘴供水。噴霧架上部有5 個噴嘴，下部布置有3 個噴嘴，其中最高處和最低處各有1 個噴嘴。在噴霧系統上方安設一個3 mm 厚的圓環鋼板，防治截割中掉落的煤塊砸到噴霧系統造成損壞。噴嘴噴射流型為弧扇形，8 個噴嘴相互結合能夠在截割頭周圍形成一圈霧滴，截割作業發生在霧滴場內部，粉塵產生后就與霧滴相互作用，從源頭進行粉塵治理。

圖3 掘進機外噴霧改進示意圖

所用的旋流風幕發生器是一個總體長度1.5 m的圓筒裝結構，其直接安裝在工作面壓入式通風風筒出口附近，旋流風幕發生器側面設置有覆蓋半圓的0.05 m 徑向風出口，出口共有10 組，3 向出口和2 向出口各有5 組，能夠形成均勻的全斷面風幕，且其安設時為旋轉略微向前的角度，能夠將粉塵緩慢吹向巷道迎頭處，促使其從除塵風機吸風口吸入。旋流風幕發生器本身為耐火高分子材料，質量較輕但強度較高，滿足了煤礦井下使用的本質安全要求，同時還能輕易懸掛在風筒導軌上，減輕工人勞動強度。

濕式抽出式除塵風機在風機內部利用多組噴霧除塵，再將凈化后的新鮮氣流排出。濕式除塵風機結構圖如圖4 所示。

圖4 濕式除塵器結構示意圖

增加濕式除塵風機后，工作面從單一的壓入時通風改變為長壓短抽式通風，工作面壓入式供風的風量應該為除塵風機抽風量的1.2～1.3 倍，壓入式和抽出式風筒之間相互重疊的長度應大于2，抽風口與工作面迎頭距離小于1.5[3]。由此可以計算出，除塵風機抽風量為207～225 m3/min，抽出式風筒長度10 m，抽風口距工作面迎頭5 m。

經過對我國多種礦用除塵風機的調研，結合3113 運輸順槽綜掘面現場實際情況，選用KCS-300濕式旋流除塵風機，該風機額定吸入風量為300 m3/min，工作阻力小于1 500 Pa，滿足前述對抽風量的要求；理論全塵除塵效率超過90 %，呼塵除塵率超過85 %，除塵效果效果較好。除塵風機長寬高分別為1.9、0.7、1.3 m。安裝過程中既要考慮到方便機組隨掘進機掘進過程一同移動，又不能妨礙工作人員作業及物料運輸。巷道為受限空間，一側為人行、運料部分，另一側用于皮帶運輸煤，皮帶機高0.6 m，因此最終決定將除塵風機架設在第一皮帶運輸機上方，總高度2.1 m，滿足了方便移動且不妨礙正常作業的要求。

濕式除塵風機及風筒安裝示意圖如圖5 所示。抽風口位于掘進機機身上，可伸縮式鋼圈風筒和除塵風機機身架設在皮帶運輸機上方，除塵風機與壓入式供風風筒形成了長壓短抽式通風。為了能夠增強抽風口附近的負壓提高吸塵效果，在風筒入口處安設一個喇叭狀的吸風口。這樣既能夠最大化抽出工作面迎頭經噴霧除塵后逃逸的粉塵和二次揚塵，又能夠避免在工作面附近出現循環風。

圖5 濕式除塵風機安裝示意圖

為了更準確、快速的測定工作面不同地點的粉塵濃度，同時采用2 臺直讀式粉塵濃度測量儀同時測定全塵和呼塵濃度，測塵地點參考行業標準《煤礦井下粉塵綜合防治技術規范》[4]中的規定，設置在掘進機司機位置和水幕簾后方2 m 處的呼吸帶高度上。測塵結果見表1。

降塵率根據公式（1）計算[5]。

式中：μ為降塵率，%；C1為無除塵措施時的粉塵濃度，mg/m3；C2為有除塵措施后的粉塵濃度，mg/m3。

從表1 中可以看出，在沒有采取任何除塵措施時，掘進機司機處全塵濃度高達542.1 mg/m3、呼塵濃度高達269.1 mg/m3，及時在水幕簾后2 m 處，全塵和呼塵濃度依然很高，分別為390.4 mg/m3和185.1 mg/m3，嚴重威脅工人生命健康。在原有除塵技術條件下，掘進機自帶噴霧對全塵和呼塵的除塵率約為70 %，只有經過水幕簾后除塵效率才略微增加到77%，可以看出降塵效果較差。而增設掘進機機載全斷面噴霧幕、濕式除塵風機、旋流風幕發生器形成了綜合封閉式除塵系統后，司機處全塵和呼塵濃度分別降至44.8 mg/m3和31.5 mg/m3，除塵率分別高達91.7 %和88.3 %，司機前方能見度提升明顯。水幕簾后方全塵和呼塵濃度分別降低至22.8 mg/m3和15.8 mg/m3，降塵率分別達到了94.2 %和91.5 %，降塵效果得到顯著提升。

表1 不同地點粉塵濃度

4 結 論

1）本文研究了3113 運輸順槽綜掘面產塵特性，認為粉塵主要包含截齒截割破碎產塵、煤體碰撞產塵、斷裂產塵、供風送塵、二次揚塵5 種產生方式，掘進機截割頭割煤產塵、煤體掉落碰撞產塵、皮帶機轉載點拋煤產塵3 個主要產生地點，其中掘進機截割產塵量占綜掘工作面總產塵量的90%。

2）分析了3113 運輸順槽綜掘面除塵技術存在的問題，提出了增設濕式除塵風機的改進措施，將風機和風筒架設在皮帶運輸機和掘進機上，可隨時與掘進機同步前進，既避免了反復移動增加的額外工作量，又節約了作業空間，提升勞動效率。除塵措施優化后，在司機處全塵和呼塵的除塵率分別高達91.7 % 和88.3 %，比優化前提升了近20 %，實現了對高濃度粉塵的有效治理，保障了工人身心健康。