兗礦綜合機械化放頂煤工作面粉塵防治技術(shù)
綜放工作面降塵問題是采掘工作面臨的技術(shù)難題之一。在不采取任何降塵措施的情況下，每割1t煤通常要產(chǎn)生100－150g煤塵。采用滾筒內(nèi)外噴霧、煤層提前注水等降塵措施后，每割1t煤的產(chǎn)塵量可降低到10－12g。20世紀80年代中期以前，綜采面生產(chǎn)能力較低，生產(chǎn)能力一般不超過10t/min，向風(fēng)流中排放的粉塵不超過100－120g/min，風(fēng)流中粉塵的濃度一般不超過500mg/m3。80年代中期以后，綜采（放）面實現(xiàn)高產(chǎn)高效，瞬時生產(chǎn)能力增至20－30t/min以上。90年代以來，我國迅速發(fā)展了綜采放頂煤技術(shù)，該技術(shù)具有高產(chǎn)、高效、低耗的優(yōu)點，但同時帶來了產(chǎn)塵點多、產(chǎn)塵量大、粉塵污染嚴重的問題。因此，在綜放工作面采煤機周圍、放煤口及移設(shè)支架的下風(fēng)側(cè)，粉塵濃度常常高達1000－1200mg/m3以上。采煤工人長期處在這樣條件下工作，極易患煤肺病，嚴重危害身體健康。高濃度粉塵惡化了礦井的工作條件，不僅降低了工人的生產(chǎn)效率，增加了發(fā)生各種工傷事故的機率，而且還潛存著發(fā)生煤塵爆炸的可能性，威脅礦井安全生產(chǎn)。
1、國內(nèi)外防塵技術(shù)概況
1.1綜放工作面粉塵產(chǎn)生機理
1.1.1粉塵的分類
在煤礦開拓、掘進、采煤、運輸、提升等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的、并能較長時間懸浮于空氣中的巖石和煤炭的細微顆粒統(tǒng)稱為煤礦粉塵。煤礦粉塵主要包括巖塵和煤塵，形狀不規(guī)則，顆粒大小分布范圍很廣。按礦塵顆粒的大小可分為：
(1)粗塵。直徑大于40µm的粉塵，是一般篩分的最小直徑，極易沉降。
(2)細塵。直徑為10－40µm,在明亮的光線條件下肉眼可以看到，在靜止空氣中呈加速沉降。
(3)微塵。直徑為0.25－10µm，用普通光學(xué)顯徽鏡可以觀察到，在靜止空氣中呈等速沉降。
(4)超微粉塵。直徑小于0.25µm，要用超顯微鏡才能觀察到，可長時間懸浮于空氣中，能隨空氣分子作布朗運動。
針對粉塵對人體的危害程度，又將煤礦粉塵分為呼吸性粉塵和非呼吸性粉塵以及全塵。呼吸性粉塵是指粒徑在7µm以下的，可以進入人體呼吸系統(tǒng)和肺部，并會導(dǎo)致塵肺病變的那部分細徽塵粒。呼吸性粉塵對人體的健康危害最大，是粉塵防治工作的重點。粒徑大于7µm的粉塵則是非呼吸性粉塵；呼吸性粉塵和非呼吸性粉塵之和就是全塵。
一般來說，為了考察各種降塵措施的實施效果，在科研和生產(chǎn)過程中均需測定呼吸性粉塵濃度和全塵濃度。
1.1.2綜放工作面粉塵的來源
綜放工作面粉塵的來源可分為：
(1)原始粉塵。在開采前因地質(zhì)作用和地質(zhì)變化等原因而生成的粉塵，存在于煤體和巖體的層理、節(jié)理和裂隙之中。
(2)礦壓產(chǎn)塵。在開采過程中，由于采動影響，在礦壓的作用下，煤層中伴隨大量裂隙的出現(xiàn)而產(chǎn)生的粉塵。
(3)工藝產(chǎn)塵。煤體在破、裝、運等過程中受碰撞、擠、壓等作用而產(chǎn)生的粉塵。
(4)采煤機滾筒割煤產(chǎn)塵。這是由截齒的齒尖對煤體的巨大壓應(yīng)力而產(chǎn)生的粉塵。
在綜放面開采過程中，對于強度較大的煤層，原生粉塵及礦壓產(chǎn)塵較少．而工藝產(chǎn)塵和割煤產(chǎn)塵是粉塵的主要來源，尤其是采煤機割煤產(chǎn)塵，是粉塵的最主要來源。反之，對于松散煤層，原生粉塵及礦壓產(chǎn)塵是主要塵源。鮑店煤礦綜放面煤層強度系數(shù)ƒ＝3.5－4.7，強度較大，采煤機割煤產(chǎn)塵約占綜放面總產(chǎn)塵量的60%-70%，而其他塵源產(chǎn)塵量僅占30%-40%。
1.1.3綜放面粉塵的分布狀況
在綜放面，原生粉塵及礦壓產(chǎn)塵主要是通過放頂煤及支架前移時釋放的，多為粗塵，細塵以下顆粒占的比例較少，而且由于架間及放煤道風(fēng)速較低，粉塵容易沉降，其影響范圍一般在下風(fēng)側(cè)10-15m以內(nèi)，超過此范圍，80%-90%的粉塵已經(jīng)沉降，因而，側(cè)定支架放煤產(chǎn)塵和移架時架間產(chǎn)塵應(yīng)在此范圍內(nèi)進行。
采煤機割煤產(chǎn)塵不僅量大，而且顆粒細．多為細塵及微塵，加之采煤機道的風(fēng)速遠高于架間及放煤道，因此采煤機產(chǎn)塵難于沉降，影響范圍大。從前滾筒（即進風(fēng)端滾筒）中心的前方3m處起，采煤機產(chǎn)塵開始影響風(fēng)流，然后從前滾筒至后滾筒（下風(fēng)流端的滾筒），風(fēng)流中粉塵濃度逐漸加大，自后滾筒中心起至機后15m范圍內(nèi)，是采煤機產(chǎn)塵導(dǎo)致風(fēng)流中粉塵濃度最大的區(qū)域，超出此范圍，粉塵濃度逐漸下降。因此在測定采煤機產(chǎn)塵時，測點應(yīng)設(shè)5－6個，以便全面掌握采煤機周圍粉塵分布狀況。
在綜放面的回風(fēng)巷口處，采煤機道、人行道（架間）、放煤道的風(fēng)流合在一起，此處粉塵濃度代表了全工作面風(fēng)流中粉塵平均濃度。如果割煤、放煤、移架3個主要工序距回風(fēng)巷口較遠（大于20m），則回風(fēng)巷口處粉塵濃度一般較低，這是由于粉塵在隨風(fēng)前移中，大部分粗塵及一部分細塵逐漸沉降或附著于設(shè)備表面所致。
在綜放面機道、人行道、放煤道，三者的風(fēng)流并非是隔離的，因此割煤、放煤、移架三者產(chǎn)塵也是相互影響的。為了防止粉塵濃度益加，采煤機順風(fēng)割煤時放煤與移架距采煤機的距離應(yīng)大于15m，逆風(fēng)割煤時應(yīng)大于20m．而移架與放煤兩者應(yīng)相距15m以上。
1.1.4滾筒采煤機產(chǎn)塵機理
(1)滾筒采煤機產(chǎn)塵原因
a截齒切割煤炭，也就是截齒從煤體上剝落煤炭的過程。在這個過程中．截齒與煤體接觸處產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力（圖4－3－1)，使煤體內(nèi)局部粉碎，隨著截齒切割運動的進行，粉碎的范圍擴大并被壓實，即形成“密實核”，密實核體積受壓縮，在它的周圍產(chǎn)生擠壓區(qū)、彈性變形區(qū)，并產(chǎn)生裂紋，當(dāng)裂紋擴散到邊界，大塊煤崩落，同時密實核溢散，煤塵以一定速度溢出。在滾筒割煤的整個過程中，這個過程反復(fù)進行，煤塵連續(xù)產(chǎn)出。
b在螺旋葉片運煤過程中，螺旋葉片與剝落下的煤炭相互碰撞，被粉碎成大小不等的各種碎塊，這些碎塊均按一定比例（比例大小與煤的性質(zhì)有關(guān)），粉塵也隨之按比例產(chǎn)生。
c螺旋葉片裝煤時，葉片尾端對煤炭的拋射作用、葉片與煤炭的相互摩擦作用也將產(chǎn)生部分粉塵，同時煤塵隨煤炭的拋出將會在空氣中揚起，漂浮于空氣中。
(2)影響煤塵產(chǎn)出量的主要因素
采煤機割煤時不產(chǎn)塵是不可能的，但正確處理各產(chǎn)塵因素，采取適當(dāng)技術(shù)措施，產(chǎn)塵量是會減少的。
a截齒的形式、數(shù)量、幾何參數(shù)和磨鈍程度是主要因素。實驗證明，大型鎬型齒可以減少煤塵。近來研究的盤形滾刀也可減少煤塵產(chǎn)出率。滾筒上配置的截齒愈少，煤塵產(chǎn)量愈少。采用鋒利的截齒割煤時，大塊剝落的煤炭增加，密實核減小，產(chǎn)生的煤塵就相對減少。
b螺旋滾筒參數(shù)也是影響產(chǎn)塵量的重要因素。首先是運動參數(shù)，即滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度。降低滾筒轉(zhuǎn)速是減少煤塵的主要措施之一。目前，中厚煤層采煤機滾筒轉(zhuǎn)速大多降至40r/min以下，有的甚至不到30r/min.增大牽引速度，提高了煤的塊度，也增大了采煤機的生產(chǎn)率，在采煤機電動機功率和運輸系統(tǒng)能滿足要求的情況下，截煤時的牽引速度目前可達10m/min左右，這就大大減少了煤塵產(chǎn)出比例。螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)對大塊煤的產(chǎn)出比例和煤塵的產(chǎn)出率都有很大影響，要視礦山地質(zhì)條件和煤巖性質(zhì)而定。一般情況下，割脆性煤時，滾簡截齒的截距可以增大，密度可以減小，從而可使產(chǎn)塵量減少；而對于韌性煤以及截割阻抗大的煤，滾筒上截齒排列密度必須增大，導(dǎo)致產(chǎn)塵量增加。
(3)采煤機采煤過程中產(chǎn)塵量與煤層的性質(zhì)、煤層厚度、煤層中含水量等因素有關(guān)。
1.2國外綜采面降塵技術(shù)
1.2.1文丘里管高壓水吸塵技術(shù)
圖4－3－2所示為德國研制的文丘里管高壓水吸塵技術(shù)示意圖。在滾筒螺旋葉片內(nèi)加工出"V"形孔道，其內(nèi)裝上文丘里管，管內(nèi)裝有噴嘴，當(dāng)20MPa的高壓水通過噴嘴時，噴嘴噴出的水霧在文丘里管內(nèi)形成負壓，含塵氣流被吸入，粉塵與水霧在管內(nèi)快速而充分地結(jié)合、濕潤，噴出管后極易沉降，達到降塵的目的。而從文丘里噴射管內(nèi)噴出的水霧、空氣、濕塵的混合氣霧流又起到普通外噴霧的作用，達到二次降塵的目的，同時也冷卻了截齒、濕潤了煤巖。試驗證明，文丘里管高壓水霧吸塵的降塵效果優(yōu)于滾筒高壓水霧內(nèi)噴霧的降塵效果。
1.2.2采煤機吸塵滾筒
近年來，德國和英國分別研制出了采煤機吸塵滾筒。圖4－3－3為德國研制的采煤機吸塵滾筒剖面圖，圖4－3－4為英國研制吸塵滾筒立體圖。兩者原理和結(jié)構(gòu)基本相同，只是德國吸塵滾筒水壓高達20MPa左右，而英國為l0MPa左右。
以英國吸塵滾簡為例，工作原理如下：
在滾筒筒轂內(nèi)裝有若干集塵管，當(dāng)來自中心管的高壓水進入工作面煤壁側(cè)噴水圈后，經(jīng)若干噴嘴向集塵管噴射，將產(chǎn)生與之成比例的氣流，在集塵管的進口從截割區(qū)吸入含有煤塵的空氣。含塵空氣被凈化后，排放到滾筒的采空側(cè)一端，然后借助于安裝在采煤機滾筒的采空側(cè)一端上的一塊折流板，使霧、氣流再返回截割區(qū)進行二次降塵。圖4－3－4為一中等直徑的吸塵滾筒示意圖，滾筒內(nèi)裝有9根集塵管，管徑l00mm，每秒可吸入含塵空氣1－7m3，耐磨的錐形噴嘴在l0MPa壓力下每分鐘可噴射60L水。實驗表明，70%的風(fēng)流可循環(huán)使用，但有0.5m3／s的新鮮空氣可以進入吸塵滾筒，以稀釋瓦斯。對于直徑為lm左右的滾筒，可采用較扁的矩形斷面集塵管。在直徑為1.5m以上的滾筒內(nèi)可裝16個塵管（管徑為l00mm），以加大流入截割區(qū)的風(fēng)流速度，以便在產(chǎn)生煤塵多和瓦斯涌出量大的工作面加大除塵風(fēng)量。采用16根集塵管時，風(fēng)流可超過3m3／s。
吸塵滾筒為產(chǎn)塵量高的工作面提供了一種新的解決途徑。吸塵滾筒最大的優(yōu)勢表現(xiàn)在切割斷層，即牽引速度低時，由于此時進入滾筒的破碎煤較少，截割區(qū)的空氣阻力相對較小，從而增大了含塵空氣的收集率。吸塵滾筒與普通內(nèi)噴霧滾筒相比，割煤期間空氣中煤塵含量可減少40%-80%（在耗水量相近的條件下），發(fā)生摩擦起火的次數(shù)也大大下降。吸塵滾筒所需高壓水由裝在采煤機上或布置在工作面巷道內(nèi)的高壓水泵提供。
1.2.3綜采工作面排塵技術(shù)
傳統(tǒng)的外噴霧逆風(fēng)噴霧方式，使操作司機常處于高濃度粉塵條件下工作。對此，美國礦業(yè)局進行了大量的實驗與研究，研制出了滾筒采煤機新型外噴霧凈化裝置。這種新型外噴霧裝置的基本原理是采用順風(fēng)引射排塵的方式，將滾筒采煤機割煤時產(chǎn)生的高濃度含塵氣流引向沿煤壁流動，阻止割煤時產(chǎn)生的粉塵向采煤機司機工作位置擴散，使含塵氣流和新鮮風(fēng)流分道運行，克服了傳統(tǒng)外噴霧系統(tǒng)逆風(fēng)噴霧時所產(chǎn)生的渦流效應(yīng)。這種新型外噴霧凈化裝置對含塵氣流的控制和凈化如圖4－3－5所示。它比逆風(fēng)噴霧方式在操作司機位置的粉塵濃度低50%左右，在美國已廣泛推廣使用。
滾筒采煤機新型外噴霧凈化裝置主要有引射分流部分、抑制含塵氣流并凈化部分和跟蹤凈化部分組成，各部分的結(jié)構(gòu)、名稱及作用分述如下。
（1）引射分流部分。包括分流臂及臂上安裝的1－5號噴嘴及采煤機上安裝的6－9號噴嘴。通過引射風(fēng)流的作用，把工作面的風(fēng)流分成沿煤壁和人行道兩部分，沿煤壁風(fēng)流捕集并攜帶采煤機滾筒割煤時產(chǎn)生的粉塵，使其沿煤壁運動，在外噴霧水的作用下將部分粉塵沉降下來，并使輸送機內(nèi)的煤表面得到濕潤。
（2）抑制含塵氣流并凈化部分。包括采煤機箱體上安裝的10－12號噴嘴，通過此部分的作用，進一步控制含塵氣流繼續(xù)沿煤壁流動，抑制其向人行道擴散，加強對含塵氣流的凈化并對煤壁進行濕潤，阻止吸附于煤壁上的粉塵重新飛揚。
（3）跟蹤凈化部分。包括采煤機后端面上安裝的13、14號2個噴嘴。通過此部分的作用，對沿煤壁攜帶粉塵的風(fēng)流進一步進行凈化，包括對由機體下面空間流過的含塵氣流的凈化，控制采煤機回風(fēng)側(cè)滾筒割煤時產(chǎn)生粉塵的飛揚，并對運輸?shù)拿禾窟M行噴霧，阻止運輸過程中二次塵源的產(chǎn)生。
美國煤礦井下長壁綜采面采用多巷布置，即上、下順槽至少各布置3條，因此可設(shè)專門排塵巷道，其內(nèi)既無人也無設(shè)備，盡管粉塵并未降下來，但對人員無危害，對礦井不構(gòu)成威脅。在工作面內(nèi)，為了配合排塵技術(shù)，采煤機采用單向順風(fēng)割煤，使跟機作業(yè)人員均處在新鮮風(fēng)流中工作。
1.2.4噴吸結(jié)合降塵技術(shù)
噴吸結(jié)合降塵法是20世紀80年代前蘇聯(lián)國家煤礦機械設(shè)計院與馬凱耶夫煤礦技術(shù)安全研究所提出的。噴吸結(jié)合降塵法的基本原理如圖4－3－6所示。在采煤機3上的2個螺旋滾簡（1和5)之間安設(shè)了數(shù)組噴嘴40在采煤機的側(cè)面固定有護板2,護板2從采煤機上表面伸向頂板。前滾筒1通過之后，由工作面煤壁、滾筒新割出的煤臺上表面以及護板2圍成一個通道。此時噴嘴4向圖示方向噴射水霧，上述通道內(nèi)的含塵空氣被噴吸器吸入，粉塵被濕潤后部分沉淀下來，粉塵與空氣的混合物由噴吸器管道向采煤機的后滾簡5噴去，因此又將后滾筒產(chǎn)生的煤塵降下。采煤機反向截煤時，噴吸器反向噴射。經(jīng)分析并由試驗證明，當(dāng)采煤機順著風(fēng)流方向牽引截煤時，噴吸器的降塵效果比在逆風(fēng)流方向牽引截煤時差。但在這種情況下，采煤機司機和移架工人是在新鮮風(fēng)流處工作。噴吸結(jié)合降塵裝置能將綜采面風(fēng)流中含塵量降低70％一80％。
為保證對含塵空氣的抽吸效果，在工作面風(fēng)速為4m/s的條件下，噴吸器的吸風(fēng)量應(yīng)為100m3/min。噴吸器的實際給風(fēng)量與噴嘴數(shù)量、噴嘴型號以及水壓有關(guān)。當(dāng)水壓為1.6－2.8MPa,耗水量為27－55L/min時，采用1－2個圓錐型噴嘴（噴嘴直徑為2.2－5mm)就可以保證100m3／min以上供風(fēng)量。
1.3國內(nèi)綜放面常用降塵方法
1.3.1降塵措施分類
按照國內(nèi)綜放面粉塵防治技術(shù)機理的不同，大體可將綜放面防塵技術(shù)措施分為減塵、降塵、排塵、除塵和個體防護（阻塵）措施5類。
(1)減塵措施：a煤層注水；b采空區(qū)及巷道灌水；c選擇適宜的放煤方法和放煤參數(shù)，改進放煤工藝；d改進采煤機切割機構(gòu)及選擇合理截割參數(shù)。
(2)降塵措施：a采煤機內(nèi)外噴霧；b架間及放煤口自動噴霧；c運輸設(shè)備轉(zhuǎn)載點及裝載點噴霧灑水；d防塵用水中添加濕潤劑；e噴霧泡沫降塵；f噴霧水幕凈化風(fēng)流。
(3)排塵措施：a綜放面采用W型、E型通風(fēng)系統(tǒng)或U型順流（下行）通風(fēng)系統(tǒng)，選擇最佳排塵風(fēng)速；b隔塵措施，例如采煤機安設(shè)縱向隔塵簾幕、回風(fēng)巷切口風(fēng)簾、破碎機密封罩等。
(4)除塵措施：包括干式捕塵器、濕式除塵器、過濾式除塵器等。
(5)個體防護：如工人戴防塵口罩、防塵面罩、防塵礦帽等。
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