馮彥強

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司,山西 晉中 045400)

1 工作面概況

壽陽新元煤礦是山西潞安化工集團的重點礦井,新元公司是潞安化工集團有限公司的生產(chǎn)礦井之一,井田東西走向長為15.6 km,南北傾斜寬為9.6 km,面積為136.77 km2,主采煤層為3號煤、9號煤、15號煤,礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為300萬噸/年,核定生產(chǎn)能力為270萬噸/年。目前開采3號煤、9號煤,其中,3號煤平均厚度為2.8 m,9號煤平均厚度為3.4 m,層間距為44 m;煤種主要為貧煤、貧瘦煤及無煙煤,屬中低灰、特低硫、低磷、中高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)動力煤,截至2022年底,礦井保有資源儲量為130 326.9萬噸,可采儲量為62 365.9萬噸。工作面走向和傾向平均長度分別為2 200 m和240 m,采高為3.6 m,采煤機滾筒截割深度為0.6 m.

2 采煤面粉塵產(chǎn)生特點分析

經(jīng)過對壽陽新元煤礦采煤面的長期觀測分析發(fā)現(xiàn),其主要產(chǎn)生粉塵的區(qū)域為采煤機滾筒割煤和液壓支架移架兩個過程。目前礦用采煤機多數(shù)為雙滾筒布置,當(dāng)采煤機前進時,前方的滾筒位于上部,用以截割煤壁頂板附近和中上部煤體;后方的滾筒位于下部,割煤時,用于截割破碎壁面下方的煤體,這樣上下兩個滾筒就能夠?qū)崿F(xiàn)對某些中小采高礦井的一次成型全斷面截割。在開采過程中,當(dāng)采煤機的移動方向和工作面風(fēng)流方向相同時,認為是順風(fēng)割煤條件,反之認為是逆風(fēng)割煤條件。根據(jù)前人研究結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),雖然兩種割煤條件下粉塵質(zhì)量濃度在采煤機周圍的分布情況略有差異,但主要產(chǎn)塵區(qū)域基本相近,都是由于采煤機滾筒上的截齒和煤體碰撞而產(chǎn)生的粉塵,滾筒旋轉(zhuǎn)割煤時,其前半部分是粉塵的主要產(chǎn)生源頭。高強度截割時,對煤體的應(yīng)力分布有強烈擾動,煤層在生成過程中存在很多原生裂隙,這些裂隙內(nèi)部含有較多原生粉塵,當(dāng)煤體破碎時,沿原生裂紋擴展形成自由面,這些粉塵受振動影響被釋放向空氣中,在工作面風(fēng)流作用下擴散至整個斷面。這一過程中產(chǎn)生的粉塵范圍大、隨機性強,且產(chǎn)生時強度較大。

采煤機向前割煤推進時,液壓支架需要跟隨工作面一同向前推移,滿足對頂板的支撐以避免大范圍空頂,支架在移動時伴隨著落架、前移、升架3個步驟,升架時,支架向上支撐頂板,強大的擠壓力使支架和頂板之間的煤體碎塊發(fā)生粉碎,但由于空間不夠無法隨空氣飄散。當(dāng)支架需要前移時開始落架,此時兩支架之間出現(xiàn)空隙,升架時產(chǎn)生的粉塵從空隙中掉落擴散至人行道和機道內(nèi),這種粉塵具有明顯的周期性且位置比較固定,往往都從相鄰兩臺支架中間掉落。

3 綜采面粉塵治理效果

3.1 降塵技術(shù)應(yīng)用

1) 采煤機降塵技術(shù)。針對采煤機產(chǎn)塵的降塵系統(tǒng)如圖1所示。在采煤面運輸巷中,安裝清水箱和高壓水泵,通過25 mm礦用防爆高壓膠管將高壓水運送至采煤機機身上的降塵裝置處,清水箱內(nèi)部存水為工作面日常用水。

圖1 降塵用水布置示意

采煤機高壓霧化降塵設(shè)備的噴射部件安裝示意如圖2所示。噴射部件通過固定器安裝在采煤機機身與截割臂相連的電機外殼上。固定器上面開有3個定位孔,孔位置根據(jù)采煤機搖臂外殼上的螺孔確定。噴射部件上面同樣開有3個定位孔,利用定位銷和固定器相連,安裝完成后,再調(diào)整噴嘴噴射角度。根據(jù)本文對采煤機滾筒割煤產(chǎn)塵的分析,降塵設(shè)備的噴射部件內(nèi)部包含5個擴散角度為30°的實心錐噴頭,其噴射軸線如圖2(a)中所示,能夠?qū)L筒形成霧滴場包裹。由于噴射裝置固定在搖臂上,可以根據(jù)滾筒上下擺動而同時移動,保證了霧滴場對產(chǎn)塵區(qū)域的實時覆蓋,如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn),噴霧供水壓力越大,產(chǎn)生的霧滴粒徑越小,更容易潤濕粉塵顆粒,同時擴散角度也隨之減小。為保證噴霧對粉塵的潤濕效果,同時兼顧采煤機滾筒產(chǎn)塵范圍大的特點,確定噴霧壓力為8 MPa.

圖2 噴射裝置水平和垂直投影圖

圖3 霧滴場噴射三維示意

2) 液壓支架架間負壓二次降塵技術(shù)。根據(jù)前文對液壓支架跟隨采煤機移架過程中的產(chǎn)塵特點分析,設(shè)計了以水噴霧作為主要降塵介質(zhì),同時兼具負壓引射效果吸入含塵空氣直接將其凈化的負壓二次噴霧引射降塵技術(shù),如圖4所示。負壓二次噴霧引射降塵裝置固定在兩臺液壓支架之間上頂板的下方,在朝向采煤機道以及煤壁的方向布置3個擴散角度為45°的平扇形噴頭,其噴射方向和在工作面斷面上與水平線呈0°、45°和90°夾角,這樣能夠在機道中形成幾乎無縫隙的噴霧簾,可以直接潤濕整個機道斷面的粉塵,提高降塵效果。噴射裝置后部和側(cè)面開孔,當(dāng)噴霧從噴射裝置內(nèi)部高速噴出時,在周圍卷吸空氣形成負壓,通過后部和側(cè)面開孔增強其在人行道處和兩支架之間的負壓場。側(cè)面開孔方向朝上風(fēng)向,增加了對含塵氣流的吸入能力。根據(jù)圖4中的原理圖可以看出,在采煤機開始前進割煤時,液壓支架跟隨采煤機一同移動,期間伴隨支架的下降、前移、上升,在機道處產(chǎn)生的粉塵直接被噴射的霧滴場捕獲潤濕;在人行道處,下落的粉塵被后方吸塵口吸入噴射裝置中,上風(fēng)向隨風(fēng)流吹來的含塵空氣經(jīng)由側(cè)面吸塵口被吸進噴射裝置內(nèi)部,這些含塵氣流直接在噴射裝置內(nèi)部與霧滴相互碰撞最終被潤濕沉降,如圖5所示。

圖4 液壓支架架間負壓二次降塵裝置原理

圖5 支架間引射噴霧原理

根據(jù)本文對產(chǎn)塵特點的分析可知,采煤機滾筒割煤過程中產(chǎn)塵點并不局限在滾筒周圍,距離滾筒較遠處的底板上也會產(chǎn)生粉塵,這部分粉塵會隨風(fēng)流直接向整個開采斷面擴散,利用采煤機外噴霧治理效果不佳,因此,在回風(fēng)巷中設(shè)置了全斷面捕塵水幕簾,用于捕獲斷面中隨風(fēng)流飄散的粉塵。

3.2 降塵效果分析

為了確定設(shè)計的采煤機機身噴霧降塵裝置和液壓支架架間負壓二次降塵裝置的粉塵治理效果,根據(jù)我國《工作場所空氣中粉塵測定》和《煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于產(chǎn)塵作業(yè)場所粉塵測定地點的規(guī)定,在采煤機下風(fēng)測距離采煤機10 m的位置和回風(fēng)巷水幕簾后方3 m處,分別設(shè)定1個測塵點,共采用4臺CCZ-1000直讀式測塵儀測定粉塵質(zhì)量濃度,每個測點利用兩臺分別測定其呼吸性粉塵(呼塵)濃度和總粉塵(全塵)濃度,每次測定采樣時間為5 min,采樣流量為20 L/min,呼塵和全塵利用專用采樣頭進行采樣。除塵率按照公式(1)計算。

(1)

式中:μ為除塵率,%;c1為沒有降塵措施時的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3;c2為采用綜合降塵措施后的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3.

圖6 采煤機和回風(fēng)巷水幕簾后的全塵呼塵治理效果

根據(jù)綜采面現(xiàn)場兩個測點處的粉塵質(zhì)量濃度實測結(jié)果(圖6)可以看出,沒有任何防塵措施對粉塵進行治理時,全塵在采煤機下風(fēng)測10 m處的平均濃度為1 368.9 mg/m3,呼塵平均濃度為636.1 mg/m3;回風(fēng)巷后方3 m處的全塵和呼塵原始平均濃度分別為770.5 mg/m3和389.7 mg/m3,遠超過國家規(guī)程對煤礦工作地點粉塵質(zhì)量濃度的規(guī)定,亟需高效降塵措施進行處理。當(dāng)利用了綜合降塵措施以后,在回風(fēng)巷水幕簾后方3 m處的降塵率相對更高,全塵和呼塵的降塵率均為95.1%,殘余濃度分別為37.8 mg/m3和19.2 mg/m3;采煤機下風(fēng)向10 m處的全塵和呼塵質(zhì)量濃度降低到了86.1 mg/m3和39.5 mg/m3,降塵率均為93%以上。

4 結(jié) 語

1) 采煤面粉塵主要來自采煤機雙滾筒割煤破碎產(chǎn)塵、碎煤塊從煤壁掉落至地面產(chǎn)生揚塵和液壓支架移架時兩臺支架中間落塵。

2) 結(jié)合采煤面產(chǎn)塵情況采取了降塵措施以后,在采煤機下風(fēng)測10 m處,對全塵的降塵率為93.7%,呼塵的降塵率為93.8%;在回風(fēng)巷水幕簾后方3 m處,對全塵的降塵率為95.1%,呼塵的降塵率為95.1%.