綜掘巖巷粉塵治理技術(shù)研究

任 凱

（山西焦煤集團(tuán)介休正益煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000）

0 引言

煤礦井下生產(chǎn)期間難以避免需要掘進(jìn)巖巷，由于巖層較為堅(jiān)硬，以往巖巷多采用炮掘方式掘進(jìn)，放炮破巖期間工作人員在遠(yuǎn)離掘進(jìn)迎頭的安全位置，破巖時(shí)產(chǎn)生的廢氣及粉塵等均會(huì)通過局部通風(fēng)系統(tǒng)排出，因而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員身體健康威脅較小[1-2]。但是炮掘也存在掘進(jìn)效率、工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，難以適應(yīng)煤礦高效開采需要。為此，隨著大功率、重型掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用推廣，綜掘機(jī)在巖巷掘進(jìn)應(yīng)用更為廣泛，在提高掘進(jìn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。采用綜掘方式掘進(jìn)巖巷時(shí)，截割頭直接截割堅(jiān)硬巖體且無法通過超前注水方式降低粉塵產(chǎn)生量，導(dǎo)水截割期間會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，雖然現(xiàn)場(chǎng)工作人員均佩戴有防塵口罩等個(gè)體防護(hù)工具，但是常時(shí)間在高粉塵環(huán)境下工作仍會(huì)給身體健康帶來較為威脅；同時(shí)高濃度粉塵會(huì)也增大掘進(jìn)設(shè)備磨損程度以及故障發(fā)生率[3-5]。眾多的研究學(xué)者對(duì)綜掘巖巷粉塵治理技術(shù)展開研究[6-8]，并提出采用“長壓短抽”、“高壓噴霧”、“水幕”等各種粉塵防治措施，文中就結(jié)合以往研究成果并以山西某礦南翼回風(fēng)大巷掘產(chǎn)塵特點(diǎn)，提出針對(duì)性治理技術(shù)，以期改善綜掘巖巷現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

南翼回風(fēng)大巷設(shè)計(jì)在二2 煤底板細(xì)砂巖中掘進(jìn)，巷道底板為泥巖、頂板為細(xì)砂巖。南翼回風(fēng)大巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度為1 500 m，為矩形斷面，巷道凈寬5 100 mm、凈高4 150 mm，掘進(jìn)用EBZ318（H）綜掘機(jī)+帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)，圍巖采用錨網(wǎng)索支護(hù)工藝。南翼回風(fēng)大巷掘進(jìn)時(shí)采用FBD2×30 kW 局部通風(fēng)機(jī)（2 臺(tái)、一備一用），配合Φ800 mm 風(fēng)筒，迎頭配風(fēng)量約320 m3/min，配風(fēng)量可滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。巷道掘進(jìn)期間設(shè)計(jì)采用的粉塵治理技術(shù)包括有水幕降塵、綜掘機(jī)噴霧降塵等，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員均按照要求全程佩戴防塵口罩。

1.2 迎頭產(chǎn)塵情況

在南翼回風(fēng)大巷掘進(jìn)期間，由于綜掘機(jī)直接細(xì)砂巖，受細(xì)砂巖巖密度大、孔隙不發(fā)育等影響，破巖時(shí)粉塵產(chǎn)生量及迎頭呼吸性粉塵占比等均較高；在局部風(fēng)筒通風(fēng)影響下，部分高濃度粉塵被吹至巷道頂?shù)装寮斑h(yuǎn)離風(fēng)筒一側(cè)。

雖然EBZ318（H）綜掘機(jī)在掘進(jìn)期間采用高壓噴霧方式降塵，但是仍無法有效降低掘進(jìn)迎頭粉塵濃度高問題，若持續(xù)增大噴霧量，雖可在一定程度降低粉塵濃度，但是也面臨底板積水、弱化底板泥巖強(qiáng)度等問題。后對(duì)掘進(jìn)機(jī)噴霧系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在靠近結(jié)構(gòu)頭位置增設(shè)高效外噴霧噴嘴，噴霧壓力為8 MPa、噴嘴有效噴霧射程≥2 m，通過水幕抑塵，具體外噴霧噴嘴布置見圖1 所示。

圖1 綜掘機(jī)外噴霧噴嘴布置示意圖

現(xiàn)階段在EBZ318（H）綜掘機(jī)在掘進(jìn)期間掘進(jìn)迎頭粉塵濃度整體較高，工作人員視野受限且長期暴露在高濃度粉塵中，影響作業(yè)人員身體健康、工作效率及掘進(jìn)效率。

2 綜掘巖巷粉塵治理技術(shù)

針對(duì)南翼回風(fēng)大巷掘進(jìn)期間粉塵產(chǎn)生量大、大流量高壓噴霧導(dǎo)致底板積水（弱化底板泥巖強(qiáng)度）、粉塵濃度高等問題，提出用空氣幕除塵+全自動(dòng)水幕降塵方式，改善掘進(jìn)迎頭現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境質(zhì)量。

2.1 空氣幕降塵

南翼回風(fēng)大巷內(nèi)使用的空氣幕降有控塵、抽塵凈化兩個(gè)環(huán)節(jié)，主要設(shè)備有附壁風(fēng)筒、抽風(fēng)筒、除塵風(fēng)機(jī)等，具體見圖2 所示。

圖2 南翼回風(fēng)大巷迎頭空氣幕除塵結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 構(gòu)建空氣幕抑制粉塵外溢

綜合附壁風(fēng)筒、出風(fēng)口及抽風(fēng)筒等可在掘進(jìn)迎頭形成空氣幕，在靠近掘進(jìn)迎頭位置構(gòu)建空氣幕，從而盡量抑制高濃度粉塵外溢。通過附壁風(fēng)筒改變掘進(jìn)仰頭風(fēng)流方向，絕大部分風(fēng)流通過附壁風(fēng)筒垂向流動(dòng)（即吹向巷道另一幫），少量風(fēng)流吹向掘進(jìn)迎頭，在側(cè)向風(fēng)流、迎頭風(fēng)流及抽風(fēng)風(fēng)流等共同作用形成抑制外溢的空氣幕，抑制高濃度粉塵粉塵控外溢并將粉塵通過抽風(fēng)筒進(jìn)入到除塵風(fēng)機(jī)中進(jìn)行處理。

附壁風(fēng)筒可是構(gòu)建空氣幕的關(guān)鍵，通過附壁風(fēng)筒吹出的新鮮風(fēng)流形成空氣幕，傳統(tǒng)的附壁風(fēng)筒多為鐵質(zhì)或者鋼質(zhì)，存在有移動(dòng)不便、重量大等問題。為此在南翼回風(fēng)大巷采用高分子附壁風(fēng)筒，附壁風(fēng)筒長度為1 700 mm，調(diào)節(jié)附壁風(fēng)筒內(nèi)部圓形擋板可調(diào)整徑向、軸向風(fēng)流風(fēng)量配比。

2.1.2 抽塵凈化

除塵風(fēng)機(jī)產(chǎn)生一定負(fù)壓并通過抽風(fēng)筒將掘進(jìn)迎頭含高濃度粉塵的氣體抽入到除塵風(fēng)機(jī)中，對(duì)高濃度氣體處理后排出新型空氣。抽風(fēng)筒Φ500 m、出口布置在綜掘司機(jī)前方500 mm 以外位置；除塵風(fēng)機(jī)型號(hào)KS-400，布置在帶式輸送機(jī)伸縮機(jī)尾位置；除塵風(fēng)機(jī)滯后綜掘機(jī)在30～35 m。除塵風(fēng)機(jī)處理風(fēng)量控制在280～300 m3/min。

2.2 全自動(dòng)水幕噴霧降塵

為進(jìn)一步降低南翼回風(fēng)大巷內(nèi)飄散的粉塵濃度，在掘進(jìn)巷道掘進(jìn)迎頭20 m、50 m 位置分別布置一道全自動(dòng)噴霧水幕，具體水幕布置見圖3 所示。全自動(dòng)水幕上方布置4 個(gè)扇形噴頭，噴頭擴(kuò)散角均為60°，噴頭噴嘴孔徑為1.2 mm、噴霧壓力為5 MPa。全自動(dòng)水幕采用電磁閥、紅外傳感器控制，當(dāng)監(jiān)測(cè)到人員通過時(shí)則自動(dòng)停止噴霧。

圖3 水幕布置示意圖

2.3 噴霧水中添加新型化學(xué)除塵劑

在綜掘機(jī)高壓噴霧降塵以及水幕噴霧降塵時(shí)，采用普通軟化水由于水表明張力較高，難以實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒粉塵有效、快速包裹、沉降，降低噴霧效果。依據(jù)南翼回風(fēng)大巷掘進(jìn)時(shí)粉塵性質(zhì)，提出在綜掘機(jī)高壓噴霧降塵、全自動(dòng)水幕噴霧降塵用水中添加一定量的新型化學(xué)除塵劑。該除塵劑組成包括有兩性離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、無機(jī)鹽及非離子表面活性劑等，按質(zhì)量比添加量配比為1.5∶2.5∶1.0∶2.0。采用電動(dòng)自動(dòng)添加裝置將新型化學(xué)除塵劑添加到噴霧用水中。噴霧水中添加新型化學(xué)除塵劑后，噴霧水表面張力降至30 mN/m 以內(nèi)、10 s 后接觸角降至0°、沉降0.3 g 以下粉塵時(shí)耗時(shí)控制在10 s 以內(nèi)，較普通軟化水除塵效率提升幅度超過10%。

3 粉塵治理效果分析

在南翼回風(fēng)大巷內(nèi)應(yīng)用空氣幕降塵、全自動(dòng)水幕噴霧降塵技術(shù)，并在降塵用水中增加新型化學(xué)除塵劑后，巷道內(nèi)粉塵濃度得以明顯降低，有效改善了掘進(jìn)巷道迎頭環(huán)境質(zhì)量。具體粉塵治理技術(shù)后粉塵濃度測(cè)定結(jié)果見表1 所示。

表1 粉塵濃度測(cè)定結(jié)果

除塵技術(shù)應(yīng)用后，巷道內(nèi)各粉塵濃度均明顯降低，除去掘進(jìn)迎頭外，其余各位置粉全塵及呼吸性粉塵濃度降幅均超過90%；綜掘司機(jī)出全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別降至36.4 mg/m3、20.8 mg/m3，掘進(jìn)迎頭環(huán)境質(zhì)量得以顯著改善、顯著增大了視野范圍。

4 結(jié)論

綜掘巖巷由于截割頭截割進(jìn)尺深，在直接截割堅(jiān)硬巖體，粉塵產(chǎn)生量更大，且由于巖體本身含水率較低、吸水性較差，難以通過超前注水降低粉塵產(chǎn)生量。綜掘巖巷粉塵產(chǎn)生量大成為制約巷道安全高效掘進(jìn)的主要因素之一。依據(jù)南翼回風(fēng)大巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在掘進(jìn)機(jī)原有高壓噴霧除塵基礎(chǔ)上，通過空氣幕除塵技術(shù)、全自動(dòng)水幕噴霧降塵技術(shù)抑制高濃度粉塵擴(kuò)展并進(jìn)行降塵，同時(shí)在噴霧用水中增加新型化學(xué)除塵劑，提高掘進(jìn)機(jī)及全自動(dòng)水幕噴霧降塵效果。

依據(jù)南翼回風(fēng)大巷現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)空氣幕除塵及全自動(dòng)水幕噴霧降塵布置進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工程應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，南翼回風(fēng)大巷內(nèi)粉塵濃度高問題得以有效解決，其中掘進(jìn)迎頭位置全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別控制在140.3 mg/m3、60.1 mg/m3以內(nèi)，降幅分別為80.5%、84.6%；綜掘司機(jī)位置全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別控制在36.4 mg/m3、20.8 mg/m3以內(nèi)，降幅分別為94.2%、93.5%。除塵技術(shù)應(yīng)用后，有效改善了掘進(jìn)巷道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境質(zhì)量，取得較好粉塵治理效果。