談煤礦綜采放頂煤工作面高濃度粉塵的綜合防治

摘要 煤礦綜采放頂煤工作面開(kāi)采強(qiáng)度大、產(chǎn)塵塵源多、粉塵濃度高，因而對(duì)塵毒的治理難度大。為此，提出了治理的總體思路、防治方案并在幾十個(gè)煤礦綜采放項(xiàng)煤工作面推廣，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞 綜采放項(xiàng)煤工作面 粉塵綜合防治

1 前言

綜采放頂煤是我國(guó)80年代初從國(guó)外引進(jìn)的一種新的采煤方法。由于它具有高產(chǎn)、高效、低耗等一系列優(yōu)點(diǎn)，近十年來(lái)，在我國(guó)得到了較迅速的推廣，成為實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤礦高產(chǎn)、高效的主要途徑之一。但這種采煤方法由于開(kāi)采強(qiáng)度大、產(chǎn)塵塵源多、多塵量可高達(dá)（2000-5000）mg/m3，因而對(duì)塵毒的防治難度大。在生產(chǎn)中，由于高濃度粉塵使作業(yè)場(chǎng)所的勞動(dòng)衛(wèi)生條件急劇惡化，嚴(yán)重地制約了這種采煤方法的推廣應(yīng)用?！鞍恕の濉逼陂g，為解決上述問(wèn)題，煤炭科學(xué)研究總院重慶分院承擔(dān)并完成了煤炭部下達(dá)的“治理綜放面高濃度粉塵危害”的重點(diǎn)課題。現(xiàn)將本課題研究所提出的總體思路、具體防治方案及應(yīng)用情況作一簡(jiǎn)要介紹。

2 綜放面高濃度粉塵防治的總體思路

綜放工作面采煤機(jī)采煤和液壓支架移架均是移動(dòng)性塵源，工作面直流通風(fēng)，風(fēng)流流場(chǎng)難以控制（風(fēng)速每秒高達(dá)2m），工作面空間狹小且有變化，還有片幫冒頂?shù)炔焕蛩氐挠绊?，條件十分惡劣。防治該作業(yè)場(chǎng)所的粉塵，考慮了上述條件后，提出了治本和治標(biāo)兩手抓的總體思路：一是減少粉塵的產(chǎn)生；二是要針對(duì)不同塵源的特點(diǎn)，采取防治措施。

3 綜放面粉塵防治的技術(shù)方案及效果

3.1 綜放工作面煤層注水

煤層注水是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的減少粉塵產(chǎn)生的較好技術(shù)措施，尤其是對(duì)綜采放頂煤工作面，還具有軟化煤體（f>3的硬煤），減少跨落煤中的大塊，提高煤炭回收率的作用。但是，將一般在普通綜采面應(yīng)用的煤層注水技術(shù)，應(yīng)用在綜采放頂煤的厚煤層中，則達(dá)不到濕潤(rùn)頂煤的作用，因此，對(duì)注水工藝必須作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)；再者，對(duì)孔隙率較低的難注水煤層，在工作面原始應(yīng)力帶注水，水難以注入煤體，不容易達(dá)到理想要求，必須對(duì)注水工藝進(jìn)行改進(jìn)。

為了使綜放面厚煤層中頂層煤炭得到較好的濕潤(rùn)，采用了雙向扇形鋁孔布置（工業(yè)性試驗(yàn)中利用了原基本原頂部煤中所掘的巷道）和三巷鉆孔（如圖1）長(zhǎng)鉆孔靜壓注水的方式。

由于在試驗(yàn)工作面上煤的自然孔隙率僅為2.76%，透水性系數(shù)僅為0.01536，屬難注水煤層，在原始應(yīng)力區(qū)注水是難以取得較理想的注水效果的。因此，決定在工作面的動(dòng)壓區(qū)利用礦山壓力所致的次生裂隙進(jìn)行煤層注水。根據(jù)試驗(yàn)工作面礦山壓力觀測(cè)及頂板位移規(guī)律資料的分析，回風(fēng)巷在靠工作面一端60m左右范圍內(nèi)，進(jìn)風(fēng)巷靠工作面35m左右范圍內(nèi)，受礦壓及頂板位移影響，煤層中存在較發(fā)育的次生裂隙，煤層的滲透性大大提高，并可降低注水壓力。決定注水區(qū)域在距工作面(35-40)m開(kāi)始注水，距工作面(5-6)m停止注水，注水時(shí)間約8天。注水系統(tǒng)主要由注水流量表、分流器、高壓閥門(mén)、注水管、封孔器等組成。注水中有關(guān)注水的一些參數(shù)分別由以下公式確定。

單孔注水量由（1）確定

Q=KLBhγ( (1)

式中，Q—單孔注水量，m3；K—注水系數(shù)，取K=1.1；L—鉆孔長(zhǎng)度，m；B—鉆孔間距，m；h—鉆孔范圍內(nèi)應(yīng)濕潤(rùn)的煤層厚度，m；γ—煤的密度，t/m3；δ—噸煤注水量，m3/t，取δ=0.025m3/t。通過(guò)計(jì)算，回風(fēng)巷上孔注水量Qs=127m3，每個(gè)下孔注水量Qx=104m3，進(jìn)風(fēng)巷每個(gè)鉆孔注水量Qj=166m3。

注水壓力按（2）式確定

（1.2-1.5）Pw<=Px<=0.75Pf (2)

式中，Px—煤層注水壓力，MPa；Pw—煤層瓦斯壓力，MPa；Pf—上覆巖層壓力及煤層剪切強(qiáng)度之和，MPa。試驗(yàn)礦井鮑店煤礦防塵用水靜壓在（3.0-40.)MPa之間，能滿足上述要求。

注水時(shí)間按（3）式進(jìn)行計(jì)算

T=（D-d）/i （3）

式中，T—總注水時(shí)間，d；D—開(kāi)始注水時(shí)鉆孔距工作面距離，35m；d—結(jié)束注水時(shí)鉆孔距工作面距離，5m；i—工作面日推進(jìn)度，按設(shè)計(jì)，取i=3.6m/d。通過(guò)計(jì)算，T=8.3d。

單孔注水流量按（4）式計(jì)算

q=1000Q/1440T (4)

式中，q—單孔流水量，l/min。通過(guò)計(jì)算，回風(fēng)巷上孔qs=11l/min，下孔qx=9l/min，進(jìn)風(fēng)巷鉆孔qj=14l/min。工作面注水后煤的實(shí)際水份增量達(dá)到了（1.4-1.8）%，注水量增量一般大于是%即有較好的防塵效果。

3.2 采煤機(jī)徑向霧屏及液壓支架探梁輔助噴霧降塵

采煤機(jī)割煤過(guò)程是綜放工作面的主要產(chǎn)塵塵源，約占綜采放頂煤工作面產(chǎn)生總粉塵的60%。采煤機(jī)處于綜放工作面主風(fēng)流中，采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)生的粉塵極易隨風(fēng)流向人行道方向擴(kuò)散，污染作業(yè)環(huán)境。為此，在滾筒搖臂靠人行道一側(cè)設(shè)一組構(gòu)成一弧形的噴嘴組，當(dāng)噴霧時(shí)，在滾筒靠人行道一側(cè)形成一道徑向噴霧屏障。同時(shí)，在液壓支架探梁上設(shè)噴嘴，在采煤機(jī)部位開(kāi)啟這些噴嘴進(jìn)行噴霧，在采煤機(jī)上方形成第二道噴霧屏障。此外，在采煤機(jī)兩個(gè)端頭各設(shè)兩個(gè)噴嘴，在采煤過(guò)程中，作為第二道霧屏的延伸，起到控塵降塵的作用。（圖2）這兩道噴霧屏障既可防止粉塵向人行道方向擴(kuò)散，又可以起到降塵的作用。為了使采煤機(jī)徑向霧屏及液壓支架探梁輔助噴霧降塵設(shè)施達(dá)到較好的控塵、降塵目的，除了噴嘴要合理布置外，采燈機(jī)徑向霧屏選用了NPB—1型噴嘴，采煤機(jī)WPB型空心錐形噴嘴，支架探梁輔助噴霧選用了SD304型實(shí)心錐形噴嘴。

此外，在采煤機(jī)噴霧降塵的設(shè)計(jì)中，還需對(duì)噴霧降塵使煤水分的增加量進(jìn)行估算，以避免由于水份增量過(guò)大使煤的水分超標(biāo)而影響經(jīng)濟(jì)效益（水分超標(biāo)，售價(jià)將降一個(gè)等級(jí)）。設(shè)采煤機(jī)噴霧水壓力為1.5MPa時(shí)，噴霧用水量為Qs1，則

Qs1=2（n1+n(1）q1+n2q2+n3q3=284.0l/min (5)

式中，n1—采煤機(jī)一個(gè)滾筒內(nèi)噴嘴數(shù)，n1=48；n(1—采煤機(jī)一個(gè)滾筒搖臂霧屏噴嘴數(shù)，n(1=9；n2—采煤機(jī)端頭外噴嘴數(shù)，n2=4；n3—支架探梁輔助噴嘴數(shù)，n3=5；q1—NPB-1型噴嘴在水壓為1.5MPa時(shí)的流量，q1=2.1l/min；q2—WPB型噴嘴在水壓為1.5MPa時(shí)的流量，q2=5.6l/min；q3—SD304型噴嘴在水壓為1.5MPa時(shí)的流量，q3=4.4l/min。

采煤機(jī)單位時(shí)間采煤量按（6）式計(jì)算

Q1=HBVqρ=10.2t/min （6）

式中，Q1—每分鐘的割煤量，t；H—采煤高度，H=2.8m；Vq—割煤時(shí)的平均牽引速度，Vq=4.0m；B—滾筒的截深，B=0.65m；ρ—煤的實(shí)體密度，ρ=1.4t/m3。

采煤機(jī)割煤過(guò)程中，因噴霧而造成水分增量可按（7）式計(jì)算

WZ1=Qs1(1-k)10Q1%=2.37% (3)

式中，WZ1—每噸煤增加水分的重量百分比；k—噴霧水浸入底板等的損失系數(shù)，取k=0.15。

煤的平均原始水分為2.5%左右，從水分的增量看，上述采煤機(jī)噴霧降塵設(shè)計(jì)方案的噴霧水分量不會(huì)使煤的水分含量超標(biāo)。經(jīng)實(shí)施上述方案，采煤機(jī)司機(jī)處平均降塵率達(dá)到了82.6%；采煤機(jī)下風(fēng)（10-15）m處平均降塵率達(dá)到81.7%。

3.3 液壓支架移架和放煤自動(dòng)噴霧降塵

液壓支架移架和放煤是綜放工作面的兩個(gè)主要產(chǎn)塵塵源，約占綜放面粉塵產(chǎn)出量的30%左右，亦是綜放工作面防塵的重點(diǎn)之一。

液壓支架移架產(chǎn)塵的特點(diǎn)是，只在移架作業(yè)（降柱、拉架、升柱）過(guò)程中產(chǎn)塵，產(chǎn)塵時(shí)間極短；產(chǎn)塵部位主要在液壓支架架間，尤其在液壓支架前半部，處在工作面采場(chǎng)主風(fēng)流中，產(chǎn)生的粉塵在風(fēng)流作用下極易擴(kuò)散。放煤口放煤產(chǎn)塵的特點(diǎn)是，主要在放煤作業(yè)時(shí)產(chǎn)塵，尤其在放煤初始階段產(chǎn)塵量大；產(chǎn)塵部位在液壓支架后部刮板運(yùn)輸機(jī)處；支架后部由于受到支柱、四連桿、高壓軟管等支架零部件阻礙與支架前部主風(fēng)流相比風(fēng)速較小，但在后部刮板輸送機(jī)處有一較寬闊的連通空間，放煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵如未被沉降，易隨風(fēng)流沿此通道向下風(fēng)鄰架擴(kuò)散。

根據(jù)液壓支架移架、放煤產(chǎn)塵的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)方案中，有針對(duì)性地采取以下技術(shù)措施：第一，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)噴霧控制閥，使液壓支架移架和放煤的噴霧降法與操縱液壓支架動(dòng)作的液壓系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴霧降塵，即實(shí)現(xiàn)作業(yè)產(chǎn)塵時(shí)自動(dòng)噴霧降塵，移架和放煤結(jié)束自動(dòng)停止噴霧降塵；第二，在噴霧系統(tǒng)中增加一個(gè)組合五通閥，可以實(shí)現(xiàn)本架移架自動(dòng)噴霧下風(fēng)鄰架同時(shí)自動(dòng)噴霧，使得下風(fēng)鄰架擴(kuò)散的粉塵被第二次噴霧降塵，可提高噴霧降塵效果；第三，設(shè)計(jì)磁化噴嘴，使水磁化，改善水霧的物理特性，提高水霧對(duì)粉塵的捕獲能力。

為了簡(jiǎn)化噴霧降塵的管路系統(tǒng)，還設(shè)計(jì)并研制了一種兩功能的自動(dòng)噴霧控制閥。該閥屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，試驗(yàn)成功后申報(bào)了專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)為ZL95242892．x）；磁化噴嘴經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，水經(jīng)其磁化后，水的表面張力可以降低（1.96-4.47）%；水的蒸發(fā)率提高了0.2%左右，這都有利于水霧捕獲粉塵。液壓支架?chē)婌F降塵，噴頭安裝位置如圖3所示。其噴霧系統(tǒng)如圖4所示。

上述技術(shù)措施經(jīng)過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)，取得了很好的效果，噴霧系統(tǒng)管路得到了簡(jiǎn)化，下風(fēng)鄰架同時(shí)噴霧能夠?qū)崿F(xiàn)；液壓支架移架降塵率達(dá)到了81%；放煤口放煤降塵率達(dá)到了84.2%。

3.4 破碎機(jī)降塵，采用

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