現(xiàn)代化礦井采掘防塵技術(shù)的研究與應(yīng)用
1 概述
在煤礦生產(chǎn)過程中，采、掘、運(yùn)各個工序?qū)a(chǎn)生大量粉塵。粉塵危害主要有兩方面：一是對人體的危害，如果人的肺部長期吸入大量的礦塵，就可患塵肺病，塵肺病是目前危害較大的一種礦工職業(yè)病。二是煤塵爆炸危害，煤層爆炸是煤礦的嚴(yán)重災(zāi)害之一，它嚴(yán)重威脅著礦井安全。近幾年來，瓦斯煤塵爆炸事故仍時有發(fā)生，嚴(yán)重影響了礦井安全生產(chǎn)和職工生命。因此，搞好礦井粉塵綜合治理已迫在眉睫。煤礦生產(chǎn)過程中粉塵主要來源于采掘工作面，尤其是采掘機(jī)械的迅速發(fā)展，使煤礦機(jī)械化程度大為提高，采掘能力也隨之加大，促進(jìn)煤炭產(chǎn)量成倍增長。但是，在這種生產(chǎn)條件下煤礦的產(chǎn)塵強(qiáng)度也隨之增大，采掘工作面的粉塵濃度大幅度增加，據(jù)統(tǒng)計，在地質(zhì)條件和通風(fēng)狀況基本相同情況下，不同的采掘方法其粉塵濃度相差很大。例如，在無防塵措施條件下，炮采時的粉塵濃度為300～500mg/m3，而機(jī)采時的粉塵濃度可達(dá)1000～3000 mg/m3，綜采則高達(dá)4000～8000 mg/m3。因此，對現(xiàn)代化礦井采掘防塵技術(shù)的研究與應(yīng)用是很有必要的。
2 綜采工作面的防塵技術(shù)
許廠煤礦是1998年投產(chǎn)的現(xiàn)代化大型礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力150萬t/a，2002年實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到320萬t，2003年將突破340萬t。該礦主要特點(diǎn)是人員少（現(xiàn)不足1000人），機(jī)械化程度高，采煤工作面采用德國進(jìn)口SL－300型連續(xù)采煤機(jī)、國產(chǎn)支撐掩護(hù)式支架。工作面正常采用的降塵措施有：采煤機(jī)內(nèi)外噴霧，面前架間噴霧，面后放煤口噴霧及各轉(zhuǎn)載點(diǎn)轉(zhuǎn)載噴霧等主要防塵措施。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測定，在采取上述防塵措施后，粉塵濃度仍達(dá)到116～337 mg/m3，均嚴(yán)重超過國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。因此，我們研究和應(yīng)用了以下幾項新的防塵技術(shù)。
2.1 采煤工作面機(jī)組行走自動光控噴霧裝置
綜采工作面隨機(jī)自動噴霧裝置的每組噴霧由1臺主機(jī)、1個紅外線傳感器、1個電磁閥、1組噴頭、電纜等組成。由電磁閥控制噴頭，主機(jī)控制電磁閥；電源是交流電127V（用工作面照明電源）。每組噴霧的主機(jī)間用電纜連接，實(shí)現(xiàn)噴霧聯(lián)鎖。安設(shè)方法及使用過程：從工作面進(jìn)風(fēng)口處開始每5架1組噴頭進(jìn)行排列（噴頭安裝固定在前探梁上），當(dāng)采煤機(jī)經(jīng)過自動噴霧點(diǎn)的位置時，采煤機(jī)上的光源裝置所發(fā)射的光信號被傳感器（傳感器安裝固定在支架前探梁上）接受，則此時（包括此點(diǎn)）以下回風(fēng)流中的所有噴霧自動打開（假若光源光線比較弱或者光源離傳感器比較遠(yuǎn)則打開的噴霧組比較少），執(zhí)行自動噴霧，并延時一段時間，延時時間可根據(jù)機(jī)組行走速度及所打開噴霧組的多少任意調(diào)整（詳細(xì)布置見圖1）。該自動噴霧裝置的研制使用，減少了移架時人工開啟單向閥實(shí)現(xiàn)架間噴霧除塵這道工序原來人工操作來回開停頻繁，職工怕麻煩，有時架間噴霧不開，造成煤塵飛揚(yáng)，影響防塵效果。
1－支架架間光控自動噴霧；2－支架架間手動噴霧；3－光控傳感器；4－光源；5－采煤機(jī)內(nèi)源噴霧；6－采煤機(jī)外噴霧。
圖1 采煤機(jī)行走割煤光控自動噴霧示意圖
2.2 采煤機(jī)負(fù)壓二次防塵裝置
采煤機(jī)負(fù)壓二次降塵是近期在高等院校幫助指導(dǎo)下研制的負(fù)壓二次降塵技術(shù)。它是利用噴吸裝置向塵源區(qū)域噴射霧流降塵，與此同時，在噴吸裝置內(nèi)部的射流后方形成負(fù)壓區(qū)，將噴吸裝置尾部降壓場內(nèi)的含塵空氣吸入并通過噴吸裝置再噴射出去，在這一過程中將煤塵捕捉下來。這種降塵方法的降塵效果與霧流參數(shù)、負(fù)壓強(qiáng)度、吸入空氣量、吸氣口負(fù)壓場范圍、工作區(qū)風(fēng)速及方向等因素有關(guān)；對噴吸裝置而言，則與裝置的結(jié)構(gòu)、尺寸、安裝位置、方向、噴嘴形式、噴口尺寸、噴霧壓力及流量等因素有關(guān)。采用負(fù)壓二次降塵技術(shù)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場條件進(jìn)行技術(shù)設(shè)計，以達(dá)到最佳降塵效果。
2.3 轉(zhuǎn)載機(jī)同步自動噴霧
原采煤工作面回風(fēng)道在轉(zhuǎn)載機(jī)以外5～10m處安設(shè)1組回風(fēng)流凈化水幕，采用閥門人工手動控制，但由于人為因素在轉(zhuǎn)載運(yùn)行時而水幕經(jīng)常忘記開動，造成粉塵得不到有效控制；有時膠帶機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)停運(yùn)、但水幕則正常噴霧，不僅起不到降塵效果，而且造成水資源浪費(fèi)，并影響煤質(zhì)。
針對以上存在問題，我們組織工程技術(shù)人員進(jìn)行攻關(guān)，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，利用設(shè)備開停傳感器卡在轉(zhuǎn)載電機(jī)供電電纜上，只要轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)動就有電流流動，開停傳感器將有信號輸出，利用光控或聲控自動噴霧主機(jī)，將開停傳感器獲取的信號進(jìn)行處理，來控制電磁閥實(shí)現(xiàn)水幕自動開停。當(dāng)轉(zhuǎn)載機(jī)開動有粉塵產(chǎn)生時，水幕自動開啟，進(jìn)行噴霧降塵，當(dāng)轉(zhuǎn)載機(jī)停止運(yùn)行無粉塵產(chǎn)生水幕將自動關(guān)閉。該項技術(shù)的研究與應(yīng)用，不僅節(jié)約大量水資源，且降塵效果明顯。
3 掘進(jìn)工作面的防塵技術(shù)
在煤礦井下采、掘、運(yùn)等幾項主要生產(chǎn)系統(tǒng)中，除回采外，巷道掘進(jìn)是礦井的主要塵源。按掘進(jìn)方式可分為機(jī)掘和炮掘兩種，隨著煤礦機(jī)構(gòu)化水平的提高，現(xiàn)礦井掘進(jìn)大都采用成巷速度快，勞動強(qiáng)度低的綜掘機(jī)掘進(jìn)巷道。許廠煤礦是一個現(xiàn)代化程度較高的礦井，現(xiàn)所有巷掘進(jìn)全部采用綜掘機(jī)掘進(jìn)，現(xiàn)有綜掘機(jī)5臺，其中日本進(jìn)口MRH－S200綜掘機(jī)2臺，國內(nèi)佳本斯生產(chǎn)S100綜掘機(jī)3臺。由于機(jī)構(gòu)化掘進(jìn)工作面是用大功率綜掘機(jī)強(qiáng)力截割煤，產(chǎn)塵量特別大。據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，在不采用綜合防塵措施情況下，機(jī)掘工作面的粉塵濃度為2000～3000 mg/m3，個別高達(dá)6000 mg/m3左右，不難看出，機(jī)掘防塵是礦井綜合防塵極為關(guān)鍵重要的一環(huán)。
3.1 綜掘機(jī)外噴霧與巷道風(fēng)流凈化水幕聯(lián)動自動噴霧降塵技術(shù)
噴霧灑水降塵是機(jī)掘工作面采取的主要防塵措施之一。掘進(jìn)機(jī)工作時噴霧灑水有兩種方式，即內(nèi)噴霧和外噴霧。目前，我國煤礦使用的各種型號掘進(jìn)機(jī)的內(nèi)噴霧均利用地不好，主要原因是截割部伸縮油缸浮動密封不過關(guān)，容易使降塵水串入電機(jī)，造成電機(jī)短路，因此機(jī)掘工作面的噴霧灑水降塵主要還是靠綜掘機(jī)的外噴霧發(fā)揮作用。而外噴霧的開停是靠綜掘機(jī)司機(jī)操作人為控制，以及掘進(jìn)迎頭內(nèi)凈化風(fēng)流水幕也采有閥門式人工開停，因此水幕經(jīng)常得不到正常使用，造成粉塵超標(biāo)。針對上述問題，我們研制了綜掘機(jī)滾筒旋轉(zhuǎn)割煤與巷道風(fēng)流凈化聯(lián)動自動噴霧降塵裝置，該裝置原理是利用掘進(jìn)機(jī)截割部控制操作電源（110V），從中引出一路控制線，進(jìn)入三通接線盒，從接線盒中分出兩路，一路控制掘進(jìn)機(jī)滾筒外噴霧裝置電磁閥，一路控制工作面30m內(nèi)凈化風(fēng)流水幕；當(dāng)掘進(jìn)時，只要滾筒旋轉(zhuǎn)，外噴霧裝置及風(fēng)流凈化水幕將自動開啟，實(shí)現(xiàn)自動噴霧。當(dāng)滾筒停止運(yùn)轉(zhuǎn)時，兩組降塵裝置將自動停止噴霧。即：當(dāng)掘進(jìn)工作面有粉塵產(chǎn)生時，兩組降塵裝置將自動開啟實(shí)現(xiàn)噴霧降塵，當(dāng)掘進(jìn)工作面無粉塵產(chǎn)生時，兩組噴霧自動關(guān)閉。通過現(xiàn)場試用后取得了很好的降塵效果。
3.2 風(fēng)水高壓遠(yuǎn)程放炮自動噴霧技術(shù)
炮掘工作面中，放炮工序持續(xù)時間雖短，但產(chǎn)生的粉塵濃度卻比其它工序高。許廠煤礦半煤巖、全巖巷道均采用炮掘。針對放炮時工作面粉塵濃度高的特點(diǎn)，我們設(shè)計一種槍口式噴霧裝置。其工作原理是聲控風(fēng)水聯(lián)動組合式，利用掘進(jìn)工作面的供風(fēng)供水管路組合而成，風(fēng)、水在噴霧槍管內(nèi)匯合后噴出，出水口在槍管內(nèi)前端，高壓風(fēng)口在后端，噴霧方向能隨意靈活調(diào)整。放炮時發(fā)出的爆炸沖擊波被傳感器接收并轉(zhuǎn)換成微弱電信號后傳送至主機(jī)，主機(jī)將同時控制供風(fēng)、供水兩路管路的電磁閥打開，實(shí)現(xiàn)高壓遠(yuǎn)程自動噴霧。以及噴霧槍口角度的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，取得了噴霧距離最遠(yuǎn)可達(dá)到30m（見圖2），同時霧化效果好，通過現(xiàn)場實(shí)測，使用高壓遠(yuǎn)程放炮自動噴霧降塵率達(dá)到90％以上。
圖2 高壓遠(yuǎn)程放炮自動噴霧裝置原理圖
4 實(shí)施效果
綜上所述，在機(jī)械化程度相對較高情況下，采掘工作面除正常采取防塵措施，加之上述幾項自動化防塵技術(shù)的實(shí)施，使許廠煤礦井下粉塵得了有效控制。經(jīng)現(xiàn)場粉塵實(shí)際測定，總測塵點(diǎn)（次）數(shù)122點(diǎn)（次），達(dá)到國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)112點(diǎn)（次），合格率達(dá)到100％；煤塵83點(diǎn)（次），合格73點(diǎn)（次），合格率88％。巖塵濃度控制在0.8～10 mg/m3，煤塵濃度控制在4～66 mg/m3，為井下生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境，使礦井面貌整體上了一個新臺階。許廠礦2000年順利通過了ISO9002質(zhì)量認(rèn)證體系和ISO14001環(huán)保體系認(rèn)證。2003年下半年正在組織OHSMS18000職工健康安全管理體系認(rèn)證的外審工作，從而使礦井綜合管理水平在不斷提高，許廠煤礦已連續(xù)2a被評為全國高產(chǎn)高效雙十佳礦井。
