王文寬

(中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司,北京 100120;中煤大同能源有限責(zé)任公司,山西 大同 037000)

礦井防塵智能化技術(shù)研究是礦井智能化建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]，其目的在于實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井防塵裝備運(yùn)行狀態(tài)和效果的監(jiān)測(cè)監(jiān)控,根據(jù)防塵效果的實(shí)際情況,自動(dòng)調(diào)整防塵裝備的運(yùn)行狀態(tài),使之能與生產(chǎn)系統(tǒng)和其他安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),達(dá)到實(shí)時(shí)高效降塵的目的。

根據(jù)某煤礦井下的生產(chǎn)技術(shù)條件和粉塵危害現(xiàn)狀、粉塵的物化特性及產(chǎn)塵特點(diǎn)等，制定粉塵綜合防控技術(shù)方案。在對(duì)煤礦井下各塵源點(diǎn)粉塵的擴(kuò)散規(guī)律、粉塵濃度及粉塵粒度分布測(cè)試、煤層注水可注性鑒定、粉塵濃度與爆炸強(qiáng)度的關(guān)系等課題進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,有針對(duì)性地開(kāi)展煤礦井下各塵源點(diǎn)粉塵的綜合防控技術(shù)研究[4],開(kāi)發(fā)出可靠性高、反應(yīng)快速的煤礦粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng),提交一批以呼吸性粉塵治理為主的關(guān)鍵技術(shù)成果和裝備[5-7],構(gòu)建該煤礦標(biāo)準(zhǔn)化綜合防塵系統(tǒng)和煤礦粉塵危害遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái),使煤礦井下各塵源點(diǎn)的總粉塵濃度降低95%以上,呼吸性粉塵濃度降低85%以上,實(shí)現(xiàn)煤礦井下粉塵濃度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和粉塵治理設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控,形成一套煤礦粉塵危害控制的管理制度和標(biāo)準(zhǔn)體系。

1 設(shè)計(jì)原則與建設(shè)內(nèi)容

1.1 設(shè)計(jì)原則

按照高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、分階段、分步驟解決問(wèn)題的指導(dǎo)思想進(jìn)行。堅(jiān)持“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”方針,從科學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的高度,貫徹落實(shí)國(guó)家關(guān)于煤礦職業(yè)危害防治工作的方針、政策、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),著力構(gòu)建礦井管理到位、治理達(dá)標(biāo)的綜合治理工作體系[8-12],把粉塵職業(yè)危害防治意識(shí)在企業(yè)職工中牢固地樹(shù)立起來(lái)。在治理措施上堅(jiān)持以下原則:

1)以主動(dòng)抑塵技術(shù)措施為主,被動(dòng)防塵為輔。

2)自動(dòng)化程度高,最終實(shí)現(xiàn)礦井綜合粉塵防治智能化。

1.2 示范礦井建設(shè)內(nèi)容

把握井下粉塵的基本性質(zhì),合理進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，如表1所示。

表1 基礎(chǔ)試驗(yàn)研究明細(xì)表

通過(guò)調(diào)研該煤礦的基本概況,完成各塵源點(diǎn)的粉塵濃度測(cè)定、粉塵基本性質(zhì)測(cè)定及煤層注水的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究,找出礦井生產(chǎn)過(guò)程中各塵源點(diǎn)產(chǎn)塵特性和采掘工作面粉塵擴(kuò)散規(guī)律及沿程沉降規(guī)律。在此基礎(chǔ)上確定合理的防塵技術(shù)方案,為粉塵綜合治理提供基礎(chǔ)保障。

2 建立完善的粉塵綜合防治系統(tǒng)

2.1 綜采工作面綜合防塵系統(tǒng)的建立

2.1.1通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究確定適合該礦的煤層注水工藝,建立自動(dòng)監(jiān)控的煤層注水系統(tǒng)

根據(jù)地質(zhì)資料查得,該礦2號(hào)煤層原煤含水量低,原煤水分為1.01%～2.58%,平均1.61%,煤層普氏系數(shù)2～3,煤層硬度大,煤層孔隙率、煤層吸水率沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)測(cè)定。

按照現(xiàn)行煤層注水設(shè)計(jì),注水時(shí)間為鉆孔開(kāi)始注水至煤體全面濕潤(rùn)為止,注水煤體全面濕潤(rùn)的標(biāo)志為濕潤(rùn)范圍內(nèi)煤壁出現(xiàn)均勻的“出汗”滲水。注水時(shí)間通常為7～10 d。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煤層注水10 d后,煤壁并沒(méi)有出現(xiàn)出汗的現(xiàn)象。由于該礦煤層硬度大,采用的低壓煤層注水方法,無(wú)法有效地對(duì)煤體進(jìn)行充分濕潤(rùn),起不到應(yīng)有的防塵作用。針對(duì)2號(hào)煤層的具體情況需要進(jìn)行煤層高壓注水試驗(yàn),初步計(jì)劃利用水力壓裂技術(shù),通過(guò)該技術(shù)提高煤層的透氣性,將注水壓力提高到20 MPa左右進(jìn)行試驗(yàn)。由于注水壓力的提高,如果封孔不牢造成跑水則會(huì)嚴(yán)重影響注水的效果,因此原有封孔工藝也需要改進(jìn)優(yōu)化。最終還是需要通過(guò)試驗(yàn)確定適合該礦的煤層注水方法與工藝。

為方便研究，引進(jìn)了自動(dòng)監(jiān)控的煤層注水系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由壓力傳感器、流量傳感器、注水裝置控制箱、電磁閥、封孔器、分流器、高壓注水泵等組成,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)4路流量和壓力的在線監(jiān)測(cè),可與安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用。具有瞬時(shí)流量、瞬時(shí)壓力、累計(jì)流量、累計(jì)時(shí)間的測(cè)量功能,能自動(dòng)記錄和保存,并可隨時(shí)查閱。同時(shí)，能監(jiān)測(cè)注水過(guò)程中“跑水”現(xiàn)象,及時(shí)切斷該路水源。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件設(shè)定動(dòng)壓注水時(shí)間與靜壓注水時(shí)間,并能自動(dòng)切換、能對(duì)水箱水位和注水水壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)水箱缺水或水壓超高時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)控制水泵停止運(yùn)行保護(hù)，水泵。具有參數(shù)斷電保護(hù)功能,斷電后恢復(fù)供電,仍按原存儲(chǔ)的參數(shù)進(jìn)行工作。具有通信接口,進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 自動(dòng)監(jiān)控煤層注水系統(tǒng)圖

2.1.2采煤機(jī)割煤過(guò)程中含塵氣流控制除塵裝置及采煤機(jī)割煤自動(dòng)跟蹤高壓噴霧降塵系統(tǒng)

采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)塵量大、呼吸性粉塵濃度較高、煤體垮落沖擊產(chǎn)塵及落煤揚(yáng)塵極其嚴(yán)重,采用任何單一的技術(shù)手段都難以有效治理采煤機(jī)割煤時(shí)的粉塵污染,只有采取綜合防塵措施才能解決采煤機(jī)割煤時(shí)的粉塵問(wèn)題。

目前該礦采煤機(jī)內(nèi)外噴霧均能正常使用,但是外噴霧采用采煤機(jī)冷卻水,水壓低,射程短,霧化效果差,除塵效果不理想。架間噴霧采用手動(dòng)壓風(fēng)噴霧降塵設(shè)施,壓風(fēng)噴霧霧化效果好,但是由于壓力低,抗風(fēng)干擾能力差,工作面風(fēng)速為約為1.5 m/s,壓氣噴霧根本無(wú)法到達(dá)采煤機(jī)滾筒就被工作面風(fēng)流吹向下風(fēng)側(cè)方向,擴(kuò)散到人行道,不但影響工人作業(yè)視線,而且打濕工人衣服,惡化工人工作條件。此外,手動(dòng)支架噴霧操作,加大工人工作量。

鑒于以上原因,在采煤機(jī)上風(fēng)流通過(guò)順風(fēng)高壓噴霧形成的控塵霧屏對(duì)風(fēng)流引射和控制,迫使含塵氣流緊靠煤壁運(yùn)動(dòng),避免渦流產(chǎn)生,把含塵氣流控制在截割電機(jī)溜槽與煤壁之間較小的區(qū)域,避免含塵氣流污染采煤司機(jī)的工作空間和向人行道空間擴(kuò)散,提高降塵效率。同時(shí)在采煤工作面利用采煤機(jī)二次負(fù)壓噴霧降塵技術(shù)形成的噴霧對(duì)滾筒的中下部進(jìn)行噴霧降塵，利用采煤機(jī)塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)從支架上噴霧在滾筒周圍形成強(qiáng)大、厚實(shí)的水霧包圍圈,使采煤機(jī)滾筒處于三維“立體”噴霧包圍中,使粉塵有效濕潤(rùn)和就地沉降,消滅滾筒處產(chǎn)生的粉塵；并通過(guò)不同的噴霧組合,對(duì)沿人行道和煤壁之間較小區(qū)域運(yùn)動(dòng)的含塵氣流進(jìn)行高效噴霧降塵,使含塵氣流得到有效凈化。其中塵源跟蹤系統(tǒng)按照135架支架容量考慮配備。圖2是采煤機(jī)塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)圖。

圖2 采煤機(jī)塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)組成示意圖

2.1.3建立液壓支架降柱、移架聯(lián)動(dòng)高壓噴霧降塵系統(tǒng)

該支架、降架、移架的過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵,如果不對(duì)該部分粉塵進(jìn)行防治,降架、移架過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵會(huì)被工作面的風(fēng)流吹揚(yáng),擴(kuò)散到人行道,污染工作面作業(yè)環(huán)境。因此在采煤工作面液壓支架上安裝液壓支架降柱、移架聯(lián)動(dòng)高壓噴霧降塵系統(tǒng)。按照現(xiàn)在采煤面135架支架容量考慮配備該系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 液壓支架自動(dòng)控制噴霧降塵系統(tǒng)示意圖

2.1.4采用轉(zhuǎn)載點(diǎn)、破碎機(jī)密閉噴霧降塵及抽塵凈化系統(tǒng)對(duì)煤炭運(yùn)輸轉(zhuǎn)載和破碎時(shí)產(chǎn)生的粉塵實(shí)施控制

系統(tǒng)布置示意圖見(jiàn)圖4,除塵器選用礦用濕式過(guò)濾旋流除塵器。該除塵器利用軸流風(fēng)機(jī)串聯(lián)風(fēng)壓疊加的原理,在一臺(tái)電動(dòng)機(jī)上設(shè)置了前、后共兩級(jí)葉輪,減小了除塵器的體積。除塵器主要由過(guò)濾除塵段、配套風(fēng)機(jī)、旋流脫水段等三部分組成。除塵器的開(kāi)停與破碎機(jī)開(kāi)?？刂崎_(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)。

圖4 破碎機(jī)密閉抽塵、除塵系統(tǒng)布置示意圖

2.1.5進(jìn)、回風(fēng)風(fēng)流粉塵濃度超限自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)和粉塵濃度連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立

該系統(tǒng)用粉塵濃度傳感器感應(yīng)風(fēng)流中的粉塵濃度,當(dāng)粉塵濃度超過(guò)事前設(shè)定的濃度值時(shí),自動(dòng)打開(kāi)凈化水幕。在有人通過(guò)時(shí)可以感應(yīng)到人體輻射的紅外線,關(guān)閉水幕,延時(shí)一定時(shí)間后自動(dòng)打開(kāi)水幕,實(shí)現(xiàn)風(fēng)流凈化。當(dāng)粉塵濃度低于設(shè)定的濃度值時(shí),自動(dòng)關(guān)閉凈化水幕。系統(tǒng)組成如圖5所示,可實(shí)現(xiàn)粉塵濃度超限自動(dòng)噴霧功能,測(cè)得的粉塵濃度值實(shí)時(shí)顯示。裝置可以單獨(dú)自成系統(tǒng)使用,也可與礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用,實(shí)現(xiàn)粉塵濃度在線監(jiān)測(cè)[13]。

圖5 粉塵濃度超限自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)組成示意圖

兩巷在距工作面煤壁50 m處,距皮帶頭50 m處及回風(fēng)順槽距回風(fēng)口50 m處各安裝一道固定水幕,但是該水幕為手動(dòng)控制,水幕的開(kāi)關(guān)受人為影響比較大。并且目前回風(fēng)巷沒(méi)有安裝粉塵濃度傳感器進(jìn)行粉塵濃度連續(xù)監(jiān)測(cè)。根據(jù)這種情況可在進(jìn)、回風(fēng)巷各安裝粉塵濃度超限自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)一套。

2.2 綜掘工作面綜合防塵系統(tǒng)的建立

2.2.1掘進(jìn)面迎頭分段式快速注水系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外技術(shù)的對(duì)比分析,結(jié)合該礦煤層特點(diǎn),在掘進(jìn)工作面采用“三壓帶”分段式注水技術(shù)對(duì)綜掘面進(jìn)行煤層注水。掘進(jìn)面“三壓帶”分段式注水技術(shù)是利用分段膨脹式注水封孔器分別在同一鉆孔內(nèi),向煤體前方的卸壓帶、集中應(yīng)力帶及原始應(yīng)力帶影響的范圍內(nèi)進(jìn)行封孔并注水。由于第一段、第二段封孔器封孔注水后,煤體前方“三壓帶”影響范圍前移,在原集中應(yīng)力帶及原始應(yīng)力帶影響范圍內(nèi)形成新的卸壓帶,從而使“三壓帶”的封孔注水,實(shí)際變?yōu)樵谌齻€(gè)“卸壓帶”影響范圍內(nèi)的封孔注水;卸壓帶影響范圍內(nèi)的煤體裂隙較發(fā)育且張量不大,為煤體注水提供“注水通道”。在“壓力滲流”“自然滲流”的共同作用下,使沿鉆孔整個(gè)深度范圍內(nèi)的煤體得到較充分、均勻的預(yù)濕潤(rùn),有效降低掘進(jìn)時(shí)粉塵的產(chǎn)生，如圖6所示。煤層注水具體參數(shù)需要在煤層性質(zhì)分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后方能確定。

圖6 掘進(jìn)面“三壓帶”分段封孔注水示意圖

2.2.2渦流供風(fēng)控塵與除塵器抽塵凈化系統(tǒng)

在綜掘工作面安裝渦流供風(fēng)控塵與除塵器抽塵凈化系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)管理、維護(hù)較簡(jiǎn)單,通風(fēng)費(fèi)用低,并能有效排除瓦斯的積聚和滯留的粉塵,可實(shí)現(xiàn)粉塵的就地凈化,在國(guó)外應(yīng)用廣泛。系統(tǒng)主要由除塵器、吸塵罩、控塵裝置、負(fù)壓風(fēng)筒以及連接管路等組成,如圖7所示。

圖7 掘進(jìn)面通風(fēng)除塵系統(tǒng)效果圖

2.2.3掘進(jìn)機(jī)高壓外噴霧降塵系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧會(huì)存在由于噴嘴堵塞和系統(tǒng)密封漏水等原因不能正常使用的情況。掘進(jìn)機(jī)在破煤掘進(jìn)的過(guò)程是掘進(jìn)工作面的主要的產(chǎn)塵源,如果掘進(jìn)內(nèi)外噴霧不能正常使用,無(wú)法在第一時(shí)間在產(chǎn)塵源處將粉塵降下來(lái),粉塵會(huì)在風(fēng)流的作用下迅速擴(kuò)散到整個(gè)工作面迎頭,這時(shí)再對(duì)粉塵進(jìn)行治理難度會(huì)大大的提高。在綜掘工作面安裝掘進(jìn)機(jī)高壓外噴霧降塵系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由高壓噴霧泵站、高壓精密水質(zhì)過(guò)濾器、高壓管路和高壓噴霧降塵器組成,圖8為掘進(jìn)機(jī)高壓外噴霧降塵系統(tǒng)示意圖。

圖8 高壓外噴霧引射降塵系統(tǒng)

采煤機(jī)高壓外噴霧系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)為：噴霧壓力≥8 MPa，噴霧流量20～30 L/min。

2.2.4巷道風(fēng)流粉塵濃度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

目前在回風(fēng)順槽掘進(jìn)面迎頭向外30 m范圍內(nèi)設(shè)置兩道手動(dòng)風(fēng)流凈化水幕,水幕的開(kāi)關(guān)受人為影響比較大。并且目前回風(fēng)巷沒(méi)有安裝粉塵濃度傳感器進(jìn)行粉塵濃度連續(xù)監(jiān)測(cè)。此種情況下在回風(fēng)巷安裝粉塵濃度超限自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)一套。系統(tǒng)組成與采煤工作面粉塵濃度超限自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)一致，如表2所示。

表2 單個(gè)綜掘工作面防塵系統(tǒng)及設(shè)備明細(xì)表

2.3 錨噴工作面綜合防塵系統(tǒng)的建立

錨噴作業(yè)采用人工拌料、加填水泥、手扶式噴漿,作業(yè)強(qiáng)度大效率低,且具有一定的安全隱患[8-10],更重要的是操作過(guò)程中粉塵產(chǎn)生量大,嚴(yán)重危害職工的身體健康,是基建礦井最大的塵源點(diǎn)之一。為了有效治理錨噴面上下料過(guò)程中沖擊產(chǎn)塵、下料機(jī)構(gòu)漏排氣產(chǎn)塵、噴槍噴射產(chǎn)塵及回彈產(chǎn)塵等粉塵危害,制定了錨噴面防塵技術(shù)配套方案,系統(tǒng)組成示意圖如圖9所示。

圖9 錨噴面防塵總體方案系統(tǒng)組成示意圖

總體思路:采用新型噴漿機(jī)——除塵一體化裝置,優(yōu)化設(shè)計(jì)噴漿機(jī)結(jié)構(gòu)、提高密封板耐磨性、封閉漏排氣口進(jìn)行集中凈化處理等,有效降低漏排產(chǎn)塵。通過(guò)在噴漿機(jī)旁一體設(shè)計(jì)輸送裝置及抽塵凈化裝置,有效降低上料高度,從而有效降低高上料帶的沖擊產(chǎn)塵問(wèn)題,利用抽塵凈化裝置進(jìn)一步對(duì)上、下料過(guò)程中沖擊產(chǎn)塵進(jìn)行抽塵凈化處理。通過(guò)研究設(shè)計(jì)出低回彈新型噴槍,使錨噴熟料在噴槍內(nèi)被充分濕潤(rùn),從而有效降低噴槍噴射產(chǎn)塵及回彈產(chǎn)塵。

3 要素粉塵檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和管理

3.1 建立粉塵檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室

為提高礦井粉塵檢測(cè)能力,以便于動(dòng)態(tài)跟蹤考察礦井防塵效果,指導(dǎo)防塵系統(tǒng)的優(yōu)化,同時(shí)滿足礦安全專篇要求,建立了礦井粉塵防治實(shí)驗(yàn)室。粉塵實(shí)驗(yàn)室的功能按照常規(guī)的煤塵工業(yè)分析、粉塵濃度測(cè)試、粉塵粒度分析、游離二氧化硅含量測(cè)定等，可以分成煤質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)室、粉塵物化性能實(shí)驗(yàn)室、煤樣制備實(shí)驗(yàn)室、煤塵爆炸性實(shí)驗(yàn)室四個(gè)部分。

不同實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的功能如下:

1)煤質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)室。主要測(cè)定煤的水分、灰分、揮發(fā)份、固定碳(統(tǒng)稱為工業(yè)分析)及發(fā)熱量和全硫。

2)粉塵物化性能實(shí)驗(yàn)室。主要測(cè)定粉塵的游離二氧化硅含量、粉塵粒度分布、粉塵相對(duì)真密度。

3)煤樣制備實(shí)驗(yàn)室。主要是將需要進(jìn)行測(cè)定的煤樣進(jìn)行縮分、烘干、破碎,然后按照分析測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求制備成相應(yīng)粒度的分析樣品。

4)煤塵爆炸性實(shí)驗(yàn)室。主要是對(duì)需要進(jìn)行煤塵爆炸性鑒定的煤樣,進(jìn)行煤塵爆炸性鑒定。

3.2 建立完善的粉塵治理、管理體系

礦井粉塵綜合治理是非常龐大的系統(tǒng)工程,需要人、財(cái)、物各方面相互配合。從示范礦井人才隊(duì)伍建設(shè)、管理體制建設(shè)、機(jī)構(gòu)健全、安全投入保障、技術(shù)合作等方面進(jìn)行示范,圍繞規(guī)范技術(shù)管理行為、強(qiáng)化預(yù)防技術(shù)手段、提高技術(shù)隊(duì)伍素質(zhì)及技術(shù)保障能力等方面完成好粉塵治理示范工程的建設(shè)。

4 結(jié)論

1)工作面進(jìn)、回風(fēng)風(fēng)流粉塵濃度超限自動(dòng)噴霧降塵,使含塵氣流得到有效凈化,能夠使巷道煤壁保持濕潤(rùn)狀態(tài),減小漂浮粉塵的再次飛揚(yáng)。

2)機(jī)械化程度越高,產(chǎn)塵量越大,采用任何單一的技術(shù)手段都難以有效治理井下割煤時(shí)的粉塵污染,只有采取綜合防塵措施才能解決割煤時(shí)的粉塵問(wèn)題。

3)多方位、多舉措、新舊并舉,以主動(dòng)抑塵技術(shù)措施為主,被動(dòng)防塵為輔,工作面產(chǎn)生的粉塵能做到有效凈化。