衛(wèi)強(qiáng)強(qiáng)

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

作為礦井五大自然災(zāi)害之一，煤塵的產(chǎn)生幾乎貫穿于煤炭開(kāi)采的各個(gè)環(huán)節(jié)。近年來(lái)，隨著煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)和開(kāi)采裝備的大面積推廣應(yīng)用，生產(chǎn)過(guò)程中的粉塵產(chǎn)生量大幅增加，粉塵濃度超標(biāo)的問(wèn)題日益嚴(yán)重。煤塵具有爆炸性，達(dá)到一定濃度時(shí)在高溫下容易發(fā)生爆炸，誘發(fā)瓦斯爆炸和火災(zāi)等，同時(shí)長(zhǎng)期在高濃度煤塵環(huán)境下工作，會(huì)導(dǎo)致塵肺病的發(fā)生，嚴(yán)重危害煤礦工人的身體健康[1-3]。因此，進(jìn)行井下煤塵治理和防爆研究，對(duì)創(chuàng)建安全、高效、綠色礦井具有重要意義。

1 工程概況

山西霍州煤電集團(tuán)回坡底煤礦11-104 工作面所采煤層為11 號(hào)煤，11-1042 巷沿11 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，巷道地面標(biāo)高為+926～+724 m，井下標(biāo)高為+468～+486 m。11 號(hào)煤的平均厚度為3.2 m，平均傾角為3°，頂板依次為：泥巖，3.5 m，灰黑色，含少量黃鐵礦薄膜、植物化石碎屑，中夾0.3 m 煤線；粉砂巖，2.6 m，灰白色，致密，質(zhì)脆，含黃鐵礦及植物化石，夾薄泥巖；10 號(hào)煤，2.6 m，煤層穩(wěn)定，含硫高，易自燃，中部含0～1 層不穩(wěn)定夾矸；泥巖，2.3 m，深灰色，含薄膜狀黃鐵礦及植物化石，局部相變?yōu)槟噘|(zhì)粉砂巖。

11 號(hào)煤的普氏系數(shù)為0.9～1.1，節(jié)理裂隙發(fā)育程度高。煤塵自燃傾向等級(jí)為Ⅱ級(jí)，類別為自燃煤層，自然發(fā)火期為82 d，煤塵火焰長(zhǎng)度＞400 mm，有煤塵爆炸性。

11-1042 巷的斷面尺寸為4800 mm×3200 mm（寬×高），采用錨網(wǎng)索支護(hù)。

2 噴霧降塵機(jī)理

2.1 掘進(jìn)工作面煤塵來(lái)源

煤礦井下兩巷的掘進(jìn)是工作面回采的先期工程，煤塵產(chǎn)生量?jī)H次于工作面。與工作面相比，礦井掘進(jìn)工作面數(shù)量多，掘進(jìn)過(guò)程工序多，塵源的分布范圍廣，分散度高。巖巷掘進(jìn)中還會(huì)產(chǎn)生大量的巖塵，是導(dǎo)致工人塵肺病的主要原因。

11-1042 巷采用綜掘機(jī)破煤掘進(jìn)，按照綜掘工藝分析，煤塵的主要來(lái)源有幾個(gè)方面：

（1）切割煤壁

綜掘機(jī)截割頭對(duì)煤體產(chǎn)生的粉塵量是整個(gè)掘進(jìn)工序中最大的，占比達(dá)80%以上。切割過(guò)程中，煤體受截齒擠壓作用的影響，發(fā)生彈性變形，當(dāng)截齒離開(kāi)時(shí)，彈性變形恢復(fù)，在產(chǎn)生變形和恢復(fù)的過(guò)程中，煤體被破碎成塊，從而產(chǎn)生大量粉塵。同時(shí)，截齒的沖擊作用也促進(jìn)了煤塵的產(chǎn)生，并且飛揚(yáng)在巷道中。

（2）運(yùn)輸轉(zhuǎn)載產(chǎn)塵

綜掘工作面出煤過(guò)程中煤炭要經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)載，由于摩擦和振動(dòng)的作用，進(jìn)一步加大了煤塊的破碎，并且在運(yùn)輸過(guò)程中極有可能使得靜態(tài)的沉積粉塵飛揚(yáng)，增加了巷道中的煤塵濃度。

（3）進(jìn)風(fēng)流帶入

根據(jù)測(cè)試，在不采取任何凈化措施的情況下，進(jìn)風(fēng)流中的粉塵濃度可達(dá)5 mg/m3以上。如果風(fēng)速較大，含塵量可高達(dá)50 mg/m3以上。

2.2 噴霧降塵機(jī)理

噴霧能降低巷道中的粉塵濃度，主要是由于慣性、重力、靜電等多種力相互作用的結(jié)果，降塵機(jī)理如圖1[4-5]。

圖1 噴霧降塵機(jī)理

（1）慣性作用

較小的煤塵在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到霧滴會(huì)改變方向，而粒徑大的塵粒由于慣性作用，不能及時(shí)避開(kāi)，保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向而與霧滴碰到一起，從而降低濃度。

（2）擴(kuò)散效應(yīng)

部分粒徑較小的粉塵，在空氣中并非沿流線運(yùn)動(dòng)，而是呈現(xiàn)不規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。在霧滴附近，這些細(xì)小的塵?？赡芘c霧滴發(fā)生碰撞而停止飛揚(yáng)。粒徑越小，碰撞的概率越大，擴(kuò)散效應(yīng)越強(qiáng)。

3 綜掘面通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 通風(fēng)方式的確定

當(dāng)前綜掘工作面常用的通風(fēng)方式有單抽出式、長(zhǎng)抽短壓、長(zhǎng)壓短抽和長(zhǎng)抽長(zhǎng)壓式等，結(jié)合回坡底礦的實(shí)際情況，確定11-1042 巷采用長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)。通過(guò)合理確定抽風(fēng)口和壓風(fēng)口的位置，在巷道中形成一個(gè)出風(fēng)、進(jìn)風(fēng)的穩(wěn)定屏障。該屏障內(nèi)的風(fēng)流穩(wěn)定，煤塵具有一定的運(yùn)動(dòng)速度，在保證排出掘進(jìn)頭煤塵的同時(shí)，減少了粉塵向風(fēng)筒后巷道的擴(kuò)散。風(fēng)流運(yùn)動(dòng)如圖2。

圖2 長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)的風(fēng)流狀態(tài)

3.2 風(fēng)量匹配

為防止壓入式通風(fēng)和抽出式通風(fēng)的共同作用范圍內(nèi)出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)，一般壓入式風(fēng)量為抽出式風(fēng)量的120%～130%。在實(shí)際應(yīng)用中，抽出式風(fēng)量一般不變，而壓入式風(fēng)量隨著距離掘進(jìn)頭距離的增大而減少，為此，應(yīng)根據(jù)掘進(jìn)頭的進(jìn)尺前移壓入式風(fēng)筒的位置。

3.3 進(jìn)、出風(fēng)口位置的確定

（1）壓入式出風(fēng)口位置

壓入式出風(fēng)口距離工作面迎頭距離大，則除塵效果差，距離小，則容易將粉塵帶入到巷道中。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，壓入式出風(fēng)口的距離按公式（1）計(jì)算：

代入計(jì)算可得，出風(fēng)口的距離小于19.6 m。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)進(jìn)尺情況及時(shí)續(xù)接風(fēng)筒。

在實(shí)際生產(chǎn)中，綜掘工作面以上三個(gè)參數(shù)的變化范圍見(jiàn)表1。同時(shí)，保持壓入總風(fēng)量大于抽出式總風(fēng)量的20%以上，這樣，可以避免產(chǎn)生風(fēng)流循環(huán)，降塵效果最佳。

表1 掘進(jìn)頭風(fēng)筒口關(guān)系

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 掘進(jìn)設(shè)備布置

巷道掘進(jìn)采用的EBZ200 綜掘機(jī)，所用壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒的直徑為500 mm。壓入式和抽出式風(fēng)機(jī)均采用對(duì)旋軸流式，主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 兩風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

為了防止掘進(jìn)過(guò)程中的煤塵隨回風(fēng)流進(jìn)入到回風(fēng)大巷中，必須將煤塵控制在掘進(jìn)機(jī)前方，一般采用的是封閉掘進(jìn)、全封閉除塵的方式。在掘進(jìn)頭布置除塵器等設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如圖3。

圖3 掘進(jìn)頭設(shè)備布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般在掘進(jìn)作業(yè)中，巷道斷面中部的粉塵濃度最高，是防治的重點(diǎn)區(qū)域。為了方便移動(dòng)作業(yè)，將抽出式通風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口安裝在綜掘機(jī)上，隨掘進(jìn)機(jī)前移。吸風(fēng)口下端距離底板1200 mm，上段距離頂板1300 mm，距迎頭的距離不得大于2500 mm。

4.2 濕式振弦除塵器

研究表明，利用專用的設(shè)備除塵是降低掘進(jìn)頭濃度的有效方式。近年來(lái)，濕式振弦除塵器作為強(qiáng)力除塵的有效設(shè)備，與傳統(tǒng)的機(jī)械除塵、過(guò)濾除塵相比，具有占地小、移動(dòng)方便、對(duì)呼塵除塵效果好等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。在11-1042 巷采用KCS-225ZL 濕式振弦除塵器進(jìn)行除塵，額定處理風(fēng)量為250 m3/min，額定呼塵除塵效率可達(dá)90%以上，總粉塵除塵效率高于99%。

4.3 應(yīng)用效果

在11-1042 巷掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)粉塵濃度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 除塵前后效果對(duì)比 （單位：mg/m3）

由表3 可知，采用綜合防塵措施后，迎頭和司機(jī)處的粉塵濃度有明顯降低，取得了較好的效果。

5 結(jié)論

（1）綜掘工作面粉塵主要來(lái)源于煤壁的切割、煤塊的轉(zhuǎn)載等，具有分布范圍廣、分散度高的特點(diǎn)，產(chǎn)生量?jī)H次于綜采工作面。

（2）噴霧能降低巷道中煤塵的濃度，主要是慣性、重力、靜電、擴(kuò)散等綜合作用的結(jié)果，其中起主要作用的是慣性和擴(kuò)散作用。

（3）11-1042 巷通過(guò)采用長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)、全封閉除塵和濕式振弦除塵器，迎頭和司機(jī)處的粉塵濃度有明顯降低，最大降幅達(dá)98%，取得了較好的效果。