煤礦綜采放頂煤工作面高濃度粉塵的綜合防治

1、煤礦綜采放頂煤工作面高濃度粉塵的綜合防治王晉育 冉文清 張延松(煤炭科學(xué)研究總院重慶分院【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)煤礦綜采放頂煤工作面推廣,取得了很好的效果?！娟P(guān)鍵詞】綜采放頂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、產(chǎn)塵量可高達(dá)(20005000mg /m 3,因而對(duì)塵毒的防治難度大。在生

2、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?！鞍宋濉逼陂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?，F(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),

3、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,將一般在第9卷第1期1999年2月中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)China Safety Science Jour nal V ol.9N o.1F eb.1999高級(jí)工程師、副所長(zhǎng)研究員研究員普通綜采面應(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

4、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。圖1鉆孔布置方式示意圖由于在試驗(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

5、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(3540m 開(kāi)始注水,距工作面(56m 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式確定Q =K LB h (1式中,Q 單孔注水量,m 3;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 ; 煤的密度,t /m 3; 噸煤注水量,m 3/t ,取 =0.025m 3/t 。通過(guò)計(jì)算,回風(fēng)巷上孔注水量Q s =127m 3,每個(gè)下孔注水量Q x =104m 3,進(jìn)風(fēng)巷每個(gè)

6、鉆孔注水量Q j =166m 3。注水壓力按(2式確定(1.21.5P w P z 0.75P f (2式中,P z 煤層注水壓力,M Pa ;P w 煤層瓦斯壓力,M Pa ;P f 上覆巖層壓力及煤層剪切強(qiáng)度之和,MP a 。試驗(yàn)礦井鮑店煤礦防塵用水靜壓在(3.04.0M Pa 之間,能滿(mǎn)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

7、(4式中,q 單孔注水流量,l /min 。通過(guò)計(jì)算,回風(fēng)巷上孔q s =11l /min ,下孔q x =9l /min ,進(jìn)風(fēng)巷鉆孔q j =14l /min 。工作面注水后煤的實(shí)際水份增量達(dá)到了(1.41.8%,注水增量一般大于1%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7第一期王晉育等:煤礦綜采放頂煤工作面高濃度粉塵的綜合防治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,1-支架探梁手動(dòng)噴霧;2-支架探梁;3-采煤機(jī)搖臂徑

8、向霧屏;4-采煤機(jī)外噴山昆霧圖2采煤機(jī)搖臂徑向霧屏及支架探梁輔助噴霧布置示意圖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,還必須選擇適用的有良好噴霧特性的噴嘴。為此,進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

9、。在此基礎(chǔ)上,采煤機(jī)徑向霧屏選用了NPB -1型噴嘴,采煤機(jī)端頭選用了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,以避免由于水分增量過(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)噴霧水壓為1.5MPa 時(shí),噴霧用水量為Q s1,則Q s 1=2(n 1+n 1q 1+n 2q 2+n 3q 3=284.0l /min (5式中,n 1采煤機(jī)一個(gè)滾筒內(nèi)噴嘴數(shù),n 1=48;n 1采煤機(jī)一個(gè)滾筒搖臂霧屏噴嘴數(shù),n 1=9;n 2采煤機(jī)端頭外噴嘴數(shù),n 2=4;n 3支架探梁輔

10、助噴嘴數(shù),n 3=5;q 1N PB -1型噴嘴在水壓為1.5M Pa 時(shí)的流量,q 1= 2.1l /min ;q 2W P B 型噴嘴在水壓為1.5MP a 時(shí)的流量,q 2= 5.6l /min ;q 3S D 304型噴嘴在水壓為1.5MP a 時(shí)的流量,q 3= 4.4l /m in 。采煤機(jī)單位時(shí)間采煤量按(6式計(jì)算Q 1=H B V q =10.2t /min(6式中,Q 1每分鐘的割煤量,t ;H 采煤高度,H = 2.8m ;V q 割煤時(shí)的平均牽引速度,V q = 4.0m ;B 滾筒的截深,B =0.65m ; 煤的實(shí)體密度, = 1.4t /m 3。采煤機(jī)割煤過(guò)程中,因

11、噴霧而造成水分增量可按(7式計(jì)算W z 1=Q s 1(1-k 10Q 1%=2.37%(7式中,W z 1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)(1015m 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%8中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)China Safety Science Journal 第九卷

12、1999年左右, 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)生的圖3液壓支架?chē)婌F示意圖粉塵在風(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

13、,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塵與操縱液壓支架動(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1-多功能自動(dòng)噴霧控制閥;2-四通平面閘閥;3-組合五通閥;4-尾梁操縱閥;5-前柱控制閥;6-移架?chē)娋捉M;7-放煤口噴咀組;8-手動(dòng)閥門(mén);9-去臨架?chē)婌F;10-噴霧水從臨架來(lái);11-主供水去臨架;12-主供水管圖4液壓支架自動(dòng)噴霧系統(tǒng)圖霧降塵;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)散的粉塵被二次噴霧降塵,可提高噴霧降塵效果;第三,設(shè)計(jì)磁化噴

14、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?lài)?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(1.964.47%;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)及轉(zhuǎn)載點(diǎn)的降塵措施和降塵效

15、果破碎機(jī)降塵,采用將塵源密閉、壓氣噴霧控塵降塵的方法,噴霧水壓力2.0MPa,壓縮空氣壓力為0.4MPa,噴霧水流量為7.9l /m in ,也取得了較好的降塵效果,降塵率為85.1%。轉(zhuǎn)載點(diǎn)采用電磁閥控制的自動(dòng)噴霧降塵,水壓為2.0M Pa ,選用WPB 噴嘴,噴嘴流量為6.2l /min ,每個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)設(shè)兩個(gè)噴嘴。據(jù)兩個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)實(shí)測(cè)降塵效果是:放煤刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)為81.5%,采煤刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)為81%。9第一期王晉育等:煤礦綜采放頂煤工作面高濃度粉塵的綜合防治4結(jié)論針對(duì)煤礦綜采放頂煤工作面產(chǎn)塵的具體原因,采取標(biāo)本兼治的思路是正確的。針對(duì)不同塵源的特點(diǎn),應(yīng)用不同的技術(shù)措施和綜合防治的方法是行

16、之有效的,取得了很好的防治效果,為用常規(guī)措施難以奏效的綜放工作面粉塵防治技術(shù)提供了一套有效解決辦法,并有所創(chuàng)新,把我國(guó)煤礦防塵技術(shù)提高到了一個(gè)新的水平。該套技術(shù)已在幾十個(gè)煤礦綜采放頂煤工作面推廣使用。(收稿:1998年1月;作者地址:重慶市沙坪壩區(qū)上橋;煤炭科學(xué)研究總院重慶分院;郵編:400037參考文獻(xiàn)1煤炭科學(xué)研究總院重慶分院綜采防塵課題組.放頂煤綜采工作面高濃度粉塵綜合防治技術(shù)的研究科學(xué)研究報(bào)告,1994.12.2王晉育.我國(guó)放頂煤綜采工作面防塵技術(shù)現(xiàn)狀評(píng)述及提高防塵效果的探討.煤炭部放頂煤綜采學(xué)術(shù)研討會(huì),1993.2.3兗州礦務(wù)局興隆莊煤礦、煤炭科學(xué)研究總院重慶分院.兗洲礦務(wù)局興隆莊煤

17、礦5306綜采放頂煤工作面粉塵防治技術(shù)及其效果考察,1992.10.Comprehensive Control o f High Dust Levelsin Sublevel M echanized Caving Coal FaceWang Jinyu Ran Wenqing Zhang Yansong(Chongqing R esea rch Institute ,CCM RI AbstractSublevel M echanized cav ing method show s the characteristics o f hig h out -put ,more dust sour ces,hig h dust concentration and difficult to control.A brief intr oduction to the general ro ut