趙基國

（山西蒲縣華勝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041206）

0 引 言

粉塵引發(fā)的塵肺病是我國最嚴(yán)重的職業(yè)病[1]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年我國新增塵肺病14 367 例，占新增職業(yè)病總數(shù)的84 %，因塵肺病死亡6 668 例[2]。井工礦多個(gè)作業(yè)區(qū)域都會產(chǎn)生粉塵，尤其是綜掘工作面，粉塵濃度高達(dá)1 000 mg/m3，嚴(yán)重威脅人員生命健康和企業(yè)安全生產(chǎn)。為了高效治理3113 運(yùn)輸順槽綜掘工作面粉塵危害，對掘進(jìn)作業(yè)全過程的產(chǎn)塵種類、地點(diǎn)、機(jī)理進(jìn)行了研究，對不同產(chǎn)塵地點(diǎn)分別提出了針對性的降塵措施，保證降塵效率。提升綜掘面粉塵治理效果對建設(shè)綠色礦山有重要的積極作用。

1 3113 運(yùn)輸順槽工作面概況

山西蒲縣華勝煤業(yè)有限公司為兼并重組整合礦井，位于山西省蒲縣縣城東部20 km 處，礦井生產(chǎn)能力0.90 Mt/a，礦井面積約9 km2。3113 運(yùn)輸順槽位于該煤礦首采3 號煤層中，3 號煤層煤塵爆炸指數(shù)為46.24 %，原水水分1.45 %～1.51 %、孔隙1.41 %～3.52 %、吸水率1.45 %～1.76%、堅(jiān)固性系數(shù)1.18～1.31，為可不注水煤層，無法采取煤層注水工作預(yù)先防塵。2020 年瓦斯絕對涌出量為2.80 m3/min，相對涌出量為1.52 m3/t，回采和掘進(jìn)中瓦斯最大絕對涌出量分別為0.43、0.28 m3/min，為低瓦斯礦井。

3113 運(yùn)輸順槽巷道設(shè)計(jì)長577 m，開口位于3113 運(yùn)輸聯(lián)絡(luò)巷P14 導(dǎo)線點(diǎn)以南65.47 m 處，以90°方位角沿3 號煤層頂板掘進(jìn)283 m，再以180°方位角沿3 號煤層頂板掘進(jìn)294 m 到達(dá)切眼開口位置。巷道為矩形斷面，0～25 m 段斷面寬和高分別為4.8、2.9 m，凈斷面面積13.92 m2；26～294 m 段斷面寬和高分別為4.4、2.7 m，凈斷面面積為 11.88 m2。掘進(jìn)采用EBZ-160 型掘進(jìn)機(jī)，每次截割0.9 m。

2 3113 運(yùn)輸順槽綜掘面產(chǎn)塵特性

通過對3113 綜掘面掘進(jìn)作業(yè)全過程的長期觀測發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生粉塵的方式共有5 種：①掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)時(shí)，截割頭帶動截齒旋轉(zhuǎn)與煤壁碰撞產(chǎn)生粉塵，這種方式的產(chǎn)塵量占掘進(jìn)面總產(chǎn)塵量的90 %；②煤塊從高處掉落后在底板碰撞或和其他煤體、機(jī)械碰撞產(chǎn)塵；③截割頭截割過程中，煤壁受掘進(jìn)擾動發(fā)生大范圍斷裂，斷裂過程中從裂縫處產(chǎn)塵或原生粉塵受擾動后迸出；④壓入式供風(fēng)方式從礦井供風(fēng)系統(tǒng)中抽取的空氣內(nèi)帶有粉塵；⑤壓入式通風(fēng)風(fēng)量風(fēng)速較高，引發(fā)地面、機(jī)械表面沉積粉塵二次揚(yáng)塵。而這5 種產(chǎn)塵方式主要集中在3 個(gè)產(chǎn)塵地點(diǎn)：掘進(jìn)機(jī)截割頭割煤產(chǎn)塵、煤體掉落碰撞產(chǎn)塵、皮帶機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)拋煤產(chǎn)塵。因此，粉塵防治應(yīng)該主要針對這3 個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行。

掘進(jìn)機(jī)截割頭割煤產(chǎn)塵是首要的產(chǎn)塵點(diǎn)，截割時(shí)截齒隨截割頭高速旋轉(zhuǎn)碰撞煤壁使其破碎，這個(gè)過程可以被分成5 個(gè)步驟：①截齒和煤相互擠壓，煤體受截齒的應(yīng)力作用產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域并發(fā)生輕微變形，煤是脆性材料，因此這一較小的變形屬于彈性形變的階段，煤體并沒有發(fā)生顯著損傷。但隨著截齒繼續(xù)向煤內(nèi)部進(jìn)入，施加的應(yīng)力也越來越大，應(yīng)力集中程度顯著增加，當(dāng)煤體和截齒接觸部分的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之一超過煤的抗拉強(qiáng)度或者抗壓極限時(shí)，煤體開始發(fā)生破碎形成破碎區(qū)；②當(dāng)截齒持續(xù)侵入，煤體破碎區(qū)內(nèi)部孔裂隙較多無法將應(yīng)力及時(shí)傳遞給內(nèi)部煤體，因此存在著截齒持續(xù)擠壓破碎區(qū)的過程，由于煤體沒有發(fā)生大范圍破裂，破碎區(qū)內(nèi)部的碎塊無法排出，最終在一直增加的應(yīng)力作用下形成壓實(shí)的粉化核（這也是主要的粉塵源頭），這一粉化核就可以將截齒的作用力傳遞給內(nèi)部煤體；③內(nèi)部煤體受到應(yīng)力作用后，當(dāng)應(yīng)力值大于煤體強(qiáng)度后開始發(fā)生細(xì)微斷裂，這些細(xì)微斷裂主要從粉化核的邊界處開始產(chǎn)生，而后迅速相互融合擴(kuò)展，形成宏觀裂隙；④宏觀裂隙在產(chǎn)生的過程中成放射狀向外擴(kuò)展，最終與空氣相接處變成貫通裂隙，形成新的自由面；⑤新自由面形成后，碎煤塊開始掉落，此時(shí)煤體對截齒處的應(yīng)力約束狀態(tài)被解除，積聚了大量能量的壓實(shí)粉化核以及煤體自身開始釋放能量，粉塵被拋向空氣中形成氣載粉塵污染環(huán)境。

這5 個(gè)產(chǎn)塵步驟的全過程都有能量的相互轉(zhuǎn)化，如圖1 所示。從外界輸入的能量也就是截齒提供的機(jī)械能和熱能，在煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)變成可存儲的能量和被耗散的能量，當(dāng)能量積聚到極值后通過動能、表面能、摩擦熱能的形式再釋放到外界。

圖1 截齒截割能量轉(zhuǎn)換過程

3 3113 運(yùn)輸順槽綜掘面除塵技術(shù)

3.1 除塵技術(shù)現(xiàn)狀

目前3113 運(yùn)輸順槽綜掘面主要依靠掘進(jìn)機(jī)自帶內(nèi)外噴霧進(jìn)行除塵，內(nèi)噴霧和外噴霧裝置的供水壓力分別為2 MPa 和4 MPa，并且在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身后側(cè)刮板輸送機(jī)的機(jī)頭、皮帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭以及皮帶機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)等地點(diǎn)安裝了一些低壓噴霧裝置，供水壓力約0.7 MPa。在距離工作面迎頭40 m 處設(shè)置有一道全斷面風(fēng)流凈化水幕，供水壓力同樣為0.7 MPa。

經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，3113 運(yùn)輸順槽綜掘面粉塵治理效果并不理想，巷道能見度很低。此外，該巷道平均凈斷面面積為12.9 m2，局部壓入式供風(fēng)量270 m3/min，斷面平均風(fēng)速約為0.35 m/s，風(fēng)流流速較緩，粉塵（尤其是呼吸性粉塵等細(xì)微顆粒粉塵）在產(chǎn)生后容易長時(shí)間積聚在巷道前端，而巷道前端工作人員較多，對人員健康危害很大。因此，需要對該工作面除塵技術(shù)方案進(jìn)行改進(jìn)，以提高粉塵治理效果。

3.2 除塵技術(shù)改進(jìn)

根據(jù)產(chǎn)生粉塵的5 個(gè)步驟可以看出，直到最后2 步粉塵才真正進(jìn)入空氣中形成污染物，如果能夠從產(chǎn)塵過程中降低粉塵產(chǎn)生，除塵效果將非常顯著。為了解決3113 運(yùn)輸順槽工作面前端粉塵運(yùn)移速度慢、容易形成粉塵積聚的問題，設(shè)計(jì)了由掘進(jìn)機(jī)外噴霧、掘進(jìn)機(jī)機(jī)載全斷面噴霧幕、濕式除塵風(fēng)機(jī)、旋流風(fēng)幕發(fā)生器組成的綜合封閉式除塵系統(tǒng)，如圖2 所示。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)開始截割煤體時(shí)，開啟除塵系統(tǒng)，由旋流風(fēng)幕發(fā)生器吹出的與巷道軸向垂直的全斷面風(fēng)幕在巷道迎頭部分形成封閉控塵空間，阻止粉塵向巷道后方擴(kuò)散；濕式除塵風(fēng)機(jī)抽風(fēng)口固定在綜掘機(jī)機(jī)身處，可以直接吸入截割頭截割破碎產(chǎn)生的粉塵以及底板碎煤塊碰撞產(chǎn)生的粉塵；掘進(jìn)機(jī)外噴霧噴射向截割頭周圍，直接潤濕截割產(chǎn)生的粉塵，從源頭上使其潤濕沉降；全斷面噴霧幕用以截留因巷道迎頭風(fēng)流影響而向后方運(yùn)移的含塵空氣，當(dāng)粉塵顆粒通過噴霧幕時(shí)將被霧滴潤濕沉降。

圖2 綜合封閉式除塵系統(tǒng)示意圖

改進(jìn)后的掘進(jìn)機(jī)外噴霧如圖3 所示。噴霧系統(tǒng)由8 個(gè)噴嘴和噴霧架構(gòu)成，噴霧架是內(nèi)部中空的圓環(huán)形，既作為固定支架將噴嘴固定在掘進(jìn)機(jī)搖臂根部，又作為高壓水管為噴嘴供水。噴霧架上部有5 個(gè)噴嘴，下部布置有3 個(gè)噴嘴，其中最高處和最低處各有1 個(gè)噴嘴。在噴霧系統(tǒng)上方安設(shè)一個(gè)3 mm 厚的圓環(huán)鋼板，防治截割中掉落的煤塊砸到噴霧系統(tǒng)造成損壞。噴嘴噴射流型為弧扇形，8 個(gè)噴嘴相互結(jié)合能夠在截割頭周圍形成一圈霧滴，截割作業(yè)發(fā)生在霧滴場內(nèi)部，粉塵產(chǎn)生后就與霧滴相互作用，從源頭進(jìn)行粉塵治理。

圖3 掘進(jìn)機(jī)外噴霧改進(jìn)示意圖

所用的旋流風(fēng)幕發(fā)生器是一個(gè)總體長度1.5 m的圓筒裝結(jié)構(gòu)，其直接安裝在工作面壓入式通風(fēng)風(fēng)筒出口附近，旋流風(fēng)幕發(fā)生器側(cè)面設(shè)置有覆蓋半圓的0.05 m 徑向風(fēng)出口，出口共有10 組，3 向出口和2 向出口各有5 組，能夠形成均勻的全斷面風(fēng)幕，且其安設(shè)時(shí)為旋轉(zhuǎn)略微向前的角度，能夠?qū)⒎蹓m緩慢吹向巷道迎頭處，促使其從除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口吸入。旋流風(fēng)幕發(fā)生器本身為耐火高分子材料，質(zhì)量較輕但強(qiáng)度較高，滿足了煤礦井下使用的本質(zhì)安全要求，同時(shí)還能輕易懸掛在風(fēng)筒導(dǎo)軌上，減輕工人勞動強(qiáng)度。

濕式抽出式除塵風(fēng)機(jī)在風(fēng)機(jī)內(nèi)部利用多組噴霧除塵，再將凈化后的新鮮氣流排出。濕式除塵風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 濕式除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

增加濕式除塵風(fēng)機(jī)后，工作面從單一的壓入時(shí)通風(fēng)改變?yōu)殚L壓短抽式通風(fēng)，工作面壓入式供風(fēng)的風(fēng)量應(yīng)該為除塵風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量的1.2～1.3 倍，壓入式和抽出式風(fēng)筒之間相互重疊的長度應(yīng)大于2，抽風(fēng)口與工作面迎頭距離小于1.5[3]。由此可以計(jì)算出，除塵風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量為207～225 m3/min，抽出式風(fēng)筒長度10 m，抽風(fēng)口距工作面迎頭5 m。

經(jīng)過對我國多種礦用除塵風(fēng)機(jī)的調(diào)研，結(jié)合3113 運(yùn)輸順槽綜掘面現(xiàn)場實(shí)際情況，選用KCS-300濕式旋流除塵風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)額定吸入風(fēng)量為300 m3/min，工作阻力小于1 500 Pa，滿足前述對抽風(fēng)量的要求；理論全塵除塵效率超過90 %，呼塵除塵率超過85 %，除塵效果效果較好。除塵風(fēng)機(jī)長寬高分別為1.9、0.7、1.3 m。安裝過程中既要考慮到方便機(jī)組隨掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程一同移動，又不能妨礙工作人員作業(yè)及物料運(yùn)輸。巷道為受限空間，一側(cè)為人行、運(yùn)料部分，另一側(cè)用于皮帶運(yùn)輸煤，皮帶機(jī)高0.6 m，因此最終決定將除塵風(fēng)機(jī)架設(shè)在第一皮帶運(yùn)輸機(jī)上方，總高度2.1 m，滿足了方便移動且不妨礙正常作業(yè)的要求。

濕式除塵風(fēng)機(jī)及風(fēng)筒安裝示意圖如圖5 所示。抽風(fēng)口位于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上，可伸縮式鋼圈風(fēng)筒和除塵風(fēng)機(jī)機(jī)身架設(shè)在皮帶運(yùn)輸機(jī)上方，除塵風(fēng)機(jī)與壓入式供風(fēng)風(fēng)筒形成了長壓短抽式通風(fēng)。為了能夠增強(qiáng)抽風(fēng)口附近的負(fù)壓提高吸塵效果，在風(fēng)筒入口處安設(shè)一個(gè)喇叭狀的吸風(fēng)口。這樣既能夠最大化抽出工作面迎頭經(jīng)噴霧除塵后逃逸的粉塵和二次揚(yáng)塵，又能夠避免在工作面附近出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)。

圖5 濕式除塵風(fēng)機(jī)安裝示意圖

為了更準(zhǔn)確、快速的測定工作面不同地點(diǎn)的粉塵濃度，同時(shí)采用2 臺直讀式粉塵濃度測量儀同時(shí)測定全塵和呼塵濃度，測塵地點(diǎn)參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范》[4]中的規(guī)定，設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置和水幕簾后方2 m 處的呼吸帶高度上。測塵結(jié)果見表1。

降塵率根據(jù)公式（1）計(jì)算[5]。

式中：μ為降塵率，%；C1為無除塵措施時(shí)的粉塵濃度，mg/m3；C2為有除塵措施后的粉塵濃度，mg/m3。

從表1 中可以看出，在沒有采取任何除塵措施時(shí)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處全塵濃度高達(dá)542.1 mg/m3、呼塵濃度高達(dá)269.1 mg/m3，及時(shí)在水幕簾后2 m 處，全塵和呼塵濃度依然很高，分別為390.4 mg/m3和185.1 mg/m3，嚴(yán)重威脅工人生命健康。在原有除塵技術(shù)條件下，掘進(jìn)機(jī)自帶噴霧對全塵和呼塵的除塵率約為70 %，只有經(jīng)過水幕簾后除塵效率才略微增加到77%，可以看出降塵效果較差。而增設(shè)掘進(jìn)機(jī)機(jī)載全斷面噴霧幕、濕式除塵風(fēng)機(jī)、旋流風(fēng)幕發(fā)生器形成了綜合封閉式除塵系統(tǒng)后，司機(jī)處全塵和呼塵濃度分別降至44.8 mg/m3和31.5 mg/m3，除塵率分別高達(dá)91.7 %和88.3 %，司機(jī)前方能見度提升明顯。水幕簾后方全塵和呼塵濃度分別降低至22.8 mg/m3和15.8 mg/m3，降塵率分別達(dá)到了94.2 %和91.5 %，降塵效果得到顯著提升。

表1 不同地點(diǎn)粉塵濃度

4 結(jié) 論

1）本文研究了3113 運(yùn)輸順槽綜掘面產(chǎn)塵特性，認(rèn)為粉塵主要包含截齒截割破碎產(chǎn)塵、煤體碰撞產(chǎn)塵、斷裂產(chǎn)塵、供風(fēng)送塵、二次揚(yáng)塵5 種產(chǎn)生方式，掘進(jìn)機(jī)截割頭割煤產(chǎn)塵、煤體掉落碰撞產(chǎn)塵、皮帶機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)拋煤產(chǎn)塵3 個(gè)主要產(chǎn)生地點(diǎn)，其中掘進(jìn)機(jī)截割產(chǎn)塵量占綜掘工作面總產(chǎn)塵量的90%。

2）分析了3113 運(yùn)輸順槽綜掘面除塵技術(shù)存在的問題，提出了增設(shè)濕式除塵風(fēng)機(jī)的改進(jìn)措施，將風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒架設(shè)在皮帶運(yùn)輸機(jī)和掘進(jìn)機(jī)上，可隨時(shí)與掘進(jìn)機(jī)同步前進(jìn)，既避免了反復(fù)移動增加的額外工作量，又節(jié)約了作業(yè)空間，提升勞動效率。除塵措施優(yōu)化后，在司機(jī)處全塵和呼塵的除塵率分別高達(dá)91.7 % 和88.3 %，比優(yōu)化前提升了近20 %，實(shí)現(xiàn)了對高濃度粉塵的有效治理，保障了工人身心健康。