建新煤礦綜掘工作面多級(jí)除塵技術(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

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(陜西建新煤化有限責(zé)任公司,陜西 黃陵 727307)

1 工程概況

建新煤礦4209綜采放頂煤工作面位于42盤(pán)區(qū)西翼,工作面東界為4211工作面(未開(kāi)采),南界為4-2煤層可采邊界,北界為42盤(pán)區(qū)大巷保護(hù)煤柱,西側(cè)為實(shí)體煤,工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為2 963 m.工作面開(kāi)采4-2號(hào)煤層,煤層厚度為2.4～12.6 m,工作面采用兩巷布置方式,呈“U”型通風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)建新煤礦以往掘進(jìn)工作面粉塵測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)得知,在無(wú)降塵措施條件下,掘進(jìn)迎頭附近粉塵質(zhì)量濃度達(dá)1 100 mg/m3左右,僅采用綜掘機(jī)內(nèi)、外噴霧降塵措施條件下,掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處總粉塵質(zhì)量濃度仍達(dá)500 mg/m3左右,呼吸性粉塵質(zhì)量濃度達(dá)300 mg/m3以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出《作業(yè)場(chǎng)所空氣中粉塵濃度標(biāo)準(zhǔn)》的要求。目前建新煤礦還未探索出一套行之有效的綜合除塵方案,綜掘工作面現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境仍較惡劣,因此,本文以4209運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面為工程背景,對(duì)綜掘面粉塵運(yùn)移規(guī)律和多級(jí)除塵技術(shù)展開(kāi)深入研究,為綜掘面除塵提供科學(xué)合理的指導(dǎo)。

2 通風(fēng)除塵技術(shù)優(yōu)化研究

2.1 抽、壓組合式除塵通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)建新煤礦綜掘工作面粉塵治理現(xiàn)狀,對(duì)煤質(zhì)相近、率先采用抽、壓聯(lián)合除塵通風(fēng)技術(shù)的玉華礦2410綜掘工作面進(jìn)行了調(diào)研、分析。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)適合于建新煤礦4209綜掘工作面的除塵通風(fēng)方案。將在掘進(jìn)工作面布置兩條風(fēng)管,保證壓縮風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量大于除塵風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量,形成前抽后壓通風(fēng)系統(tǒng)。該技術(shù)可以彌補(bǔ)單一壓風(fēng)除塵或抽風(fēng)除塵方法的缺點(diǎn)。

1) 工作面合理風(fēng)量匹配 。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,工作面要求的最小風(fēng)速為0.25 m/s,最大風(fēng)速為4 m/s.此外,還計(jì)算并驗(yàn)證了稀釋瓦斯氣體所需的風(fēng)量和工人呼吸所需的風(fēng)量,得到4209掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)壓風(fēng)管實(shí)際需要風(fēng)量為521.3 m3/min,確定現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際送風(fēng)量為530 m3/min.壓風(fēng)管與排風(fēng)管吸風(fēng)量的比例關(guān)系將直接影響工作面的粉塵治理效果。根據(jù)王輝等學(xué)者的研究結(jié)論,推薦除塵器的處理風(fēng)量為壓風(fēng)量的75%～80%,抽吸比控制在0.8.這樣既保證了除塵風(fēng)機(jī)內(nèi)不發(fā)生循環(huán)風(fēng)流,又保證了重疊段風(fēng)速符合規(guī)定,從而達(dá)到最佳除塵效果。因此設(shè)計(jì)4209掘進(jìn)工作面采用KCS-408D型抽濕式除塵風(fēng)機(jī),其實(shí)際風(fēng)量為400 m3/min,在合理范圍內(nèi)。

2) 風(fēng)筒距底板位置。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)查閱分析可知[1-2],壓風(fēng)風(fēng)管高度約為0.7H(H為巷道高度)、抽風(fēng)風(fēng)管高度為0.6H時(shí)通風(fēng)位置最優(yōu),且符合煤礦安全規(guī)定。因此,考慮4209綜掘工作面現(xiàn)場(chǎng)布置,巷道高度H=4.0時(shí),壓風(fēng)管和除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)筒軸心距底板高度分別為2.8 m和2.4 m.

3) 風(fēng)筒距迎頭端面位置。根據(jù)文獻(xiàn)分析和現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)[3-4],觀察到壓風(fēng)管出風(fēng)口與端面之間的距離過(guò)小時(shí),易導(dǎo)致端面產(chǎn)生的粉塵被吹散到后方工作區(qū);出風(fēng)口與端面間距離如果超過(guò)有效范圍,則難以形成抽壓氣流,影響未處理粉塵的排出。出風(fēng)口與端面的最大有效距離為(0.6～ 0.8)S,掘進(jìn)斷面面積S為22.4 m2.壓風(fēng)管出風(fēng)口至端面L1的最大距離為18 m.根據(jù)煤礦安全規(guī)程和現(xiàn)場(chǎng)施工工藝規(guī)范的要求,理想情況下,L1應(yīng)在10～15 m之間。排風(fēng)管吸風(fēng)口與端面之間的距離不應(yīng)超過(guò)0.25S.吸風(fēng)口與端面L2之間的最大距離應(yīng)為6 m.考慮到排風(fēng)管對(duì)綜掘機(jī)開(kāi)挖施工的影響,建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求,排風(fēng)管吸風(fēng)口與工作面保持5 m的距離。

2.2 抽、壓組合式除塵通風(fēng)方案的模擬驗(yàn)證

1) 建立數(shù)值模型。本文選取建新煤礦4209綜掘工作面為研究對(duì)象。該工作面總長(zhǎng)2 963 m,斷面高4.4 m,寬5.7 m.巷道頂部為拱形結(jié)構(gòu),橫截面積為22.4 m2.綜采工作面整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使用三維繪圖軟件Pro-E很難對(duì)掘進(jìn)面的真實(shí)細(xì)節(jié)進(jìn)行建模,因此只能對(duì)面部的幾何模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,研究計(jì)算區(qū)長(zhǎng)50 m,如圖1所示。電纜溝、水管對(duì)氣流有一定影響,因此將其簡(jiǎn)化為距左煤巖壁50 mm的規(guī)則圓柱體。將壓入式風(fēng)管視為直徑為1 m的圓筒,建新煤礦4209綜掘面風(fēng)管軸線距巷道底板2.8 m,風(fēng)管懸掛在巷道右上角。礦井濕式除塵風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,將其視為直徑為0.8 m的圓柱形風(fēng)管。風(fēng)管吸入口至工作面距離5 m,風(fēng)管直接懸掛在采煤機(jī)上方,風(fēng)管軸線距底板2.4 m.

圖1 綜掘面模型示意

2) 建新 4209工作面粉塵場(chǎng)運(yùn)移規(guī)律。為了清楚地了解巷道粉塵質(zhì)量濃度的變化情況,通過(guò)數(shù)值模擬得到對(duì)綜掘工作面水平剖面云圖。如圖2(a)所示,當(dāng)出風(fēng)口距離工作面10 m時(shí),排風(fēng)機(jī)的吸入口受負(fù)壓影響,粉塵源處的大部分粉塵會(huì)聚集在吸入口處,逐漸被吸入,由除塵系統(tǒng)進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)出風(fēng)口至工作面10 ～ 15 m處的粉塵質(zhì)量濃度分布折線圖進(jìn)行對(duì)比分析見(jiàn)圖2(b),發(fā)現(xiàn)隨著出風(fēng)口至工作面距離的增加,回風(fēng)側(cè)粉塵質(zhì)量濃度降低,在40 m左右粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)出風(fēng)口距離工作面13 m時(shí),回風(fēng)側(cè)粉塵質(zhì)量濃度低于其他工況。將抽、壓組合式除塵條件下的模擬結(jié)果與玉華礦2410綜掘工作面實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知,實(shí)測(cè)和模擬平均除塵效率分別接近60%和65%,基本接近于玉華礦實(shí)際除塵效率范圍,粉塵變化趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果可靠,抽、壓組合式除塵通風(fēng)方法可達(dá)到預(yù)定的除塵效果,該除塵通風(fēng)方案可用于建新礦2409綜掘面,見(jiàn)圖2(c)。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果示意

3 其他除塵措施設(shè)計(jì)

3.1 濕式全斷面捕塵簾降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為減少巷道懸浮粉塵,包括可吸入細(xì)顆粒物、二次輸送點(diǎn)產(chǎn)生的粉塵等,在實(shí)施過(guò)程中采用防塵網(wǎng)和噴霧聯(lián)動(dòng),盡量減少因長(zhǎng)期大規(guī)模噴灑造成水浪費(fèi)和底板積水。為提高工作效率和安全性,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,如圖3(a)所示。設(shè)計(jì)其濕式全斷面塵幕如圖3(b)所示,采用直徑20 mm、壁厚5 mm以上的防銹鋼管,根據(jù)巷道樣式焊接成框架。塵幕兩側(cè)各安裝兩個(gè)紅外傳感器,防止塵幕移動(dòng)過(guò)程中對(duì)行人造成意外傷害。框架靠近塵幕頂部安裝噴嘴,凈化水霧噴霧系統(tǒng)設(shè)有5個(gè)螺旋芯噴嘴(噴嘴孔徑0.8～1.2 mm),在氣流(風(fēng)速≥0.25 m/s)的作用下,水霧顆粒附著在集塵網(wǎng)上形成濾水膜。將其安裝在距離掘進(jìn)工作面40 m的位置。

圖3 全斷面捕塵簾降塵系統(tǒng)

3.2 掘進(jìn)機(jī)高壓外噴霧系統(tǒng)改進(jìn)

綜掘機(jī)截割方式的不同將影響其內(nèi)噴霧的應(yīng)用效果,采取掏挖方式工作時(shí),內(nèi)噴霧噴出阻力增大,往往導(dǎo)致切削部分的內(nèi)部噴嘴堵塞,無(wú)法正常工作。同樣,輔助外噴系統(tǒng)也有很多缺點(diǎn)。例如,對(duì)塵源針對(duì)性不強(qiáng),噴水壓力不穩(wěn)定等。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)遇到的問(wèn)題,對(duì)綜掘機(jī)內(nèi)外噴霧降塵系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。如圖4所示,可分為內(nèi)噴霧系統(tǒng)和輔助外部噴霧系統(tǒng)。為保證其正常工作,在噴霧系統(tǒng)上安裝孔徑為1.2 mm的螺旋齒形水芯噴嘴(空心錐),供水壓力保持在4～6 MPa.另外,還增加了過(guò)濾裝置來(lái)過(guò)濾所述噴霧水。

圖4 綜掘機(jī)輔助外噴霧裝置

3.3 輸送帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)降塵

現(xiàn)代化礦山運(yùn)輸設(shè)備為帶式輸送機(jī),地下運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)也是主要產(chǎn)塵點(diǎn),產(chǎn)塵量占總粉塵量的5%～10%.為了緩解這一問(wèn)題,必須在運(yùn)輸機(jī)的每個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)安裝防塵罩和噴霧霧化設(shè)施。因此,在建新煤礦4209掘進(jìn)工作面各煤流轉(zhuǎn)載點(diǎn)安設(shè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧系統(tǒng),在轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭安裝手動(dòng)轉(zhuǎn)載噴霧噴嘴4個(gè);在膠帶運(yùn)輸機(jī)每500 m安裝1組膠帶用風(fēng)水射流噴霧,前后噴嘴為8個(gè)。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用的是AKFC - 92 a粉塵取樣器,測(cè)點(diǎn)如圖5 (a)所示,試驗(yàn)結(jié)果如圖5(b)和(c)所示。在啟動(dòng)多級(jí)除塵系統(tǒng)后,掘進(jìn)工作面各個(gè)測(cè)點(diǎn)全塵和呼塵質(zhì)量濃度均明顯降低,其中司機(jī)處粉塵質(zhì)量濃度降低最為顯著,全塵、呼塵質(zhì)量降幅分別達(dá)到96.8%和97.6%,全塵、呼塵質(zhì)量濃度分別降至37.4 mg/m3和15.1 mg/m3;其余各處的降塵效率也達(dá)到85%左右,捕塵簾后方全塵、呼塵質(zhì)量濃度分別降至18.4 mg/m3和4.6 mg/m3,說(shuō)明多級(jí)除塵系統(tǒng)防止了粉塵向掘進(jìn)迎頭后方空間的擴(kuò)散。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,多級(jí)降塵技術(shù)在4209綜掘面應(yīng)用效果良好。

圖5 多級(jí)除塵系統(tǒng)應(yīng)用期間粉塵監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以建新煤礦4209運(yùn)輸巷綜掘工作面為背景進(jìn)行掘進(jìn)綜合降塵技術(shù)研究,擬引進(jìn)抽、壓組合式除塵通風(fēng)方案。通過(guò)工程類比、理論分析設(shè)計(jì)4209掘進(jìn)面抽、壓組合式通風(fēng)方案,借助數(shù)值模擬手段研究工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律,確定出風(fēng)口距迎頭最佳距離為13 m,掘進(jìn)機(jī)內(nèi)、外噴霧,濕式全斷面捕塵簾,轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧等多級(jí)除塵方案。在建新煤礦4209掘進(jìn)工作面進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)后,總體降塵效率在85%以上,掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處除塵效率更是達(dá)到95%以上,降塵效果顯著。