煤礦綜采放頂煤工作麵高濃度粉塵的綜合防治

【摘　要】　 煤礦綜采放頂煤工作麵開采強度大、產塵塵源多、粉塵濃度高，因而對塵毒的治理難度大。為此，提出了治理的總體思路、防治方案並在幾十個 煤礦綜采放頂煤工作麵推廣，取得了很好的效果。

【關鍵詞】　綜采放頂煤工作麵　粉塵　綜合防治

1　前　言

　　綜采放頂煤是我國80年代初從國外引進的一種新的采煤方法。由於它具有高產、高效、低耗等一係列優點，近十年來，在我國得到了較迅速的推廣，成為實現我國煤礦高產、高效的主要途徑之一。但這種采煤方法由於開采強度大、產塵塵源多、產塵量可高達(2000～5000)mg/m³，因而對塵毒的防治難度大。在生產中，由於高濃度粉塵使作業場所的勞動衛生條件急劇惡化，嚴重地製約了這種采煤方法的推廣應用。“八^.五”期間，為解決上述問題，煤炭科學研究總院重慶分院承擔並完成了煤炭部下達的“治理綜放麵高濃度粉塵危害”的重點課題。現將本課題研究所提出的總體思路、具體防治方案及應用情況作一簡要介紹。

2　綜放麵高濃度粉塵防治的總體思路

綜放工作麵采煤機采煤和液壓支架移架均是移動性塵源，工作麵直流通風，風流流場難以控製（風速每秒高達2m），工作麵空間狹小且有變化，還有片幫冒頂等不利因素的影響，條件十分惡劣。防治該作業場所的粉塵，考慮了上述條件後，提出了治本和治標兩手抓的總體思路：一是減少粉塵的產生；二是要針對不同塵源的特點，采取防治措施。

3　綜放麵粉塵防治的技術方案及效果

3.1　綜放工作麵煤層注水

煤層注水是國內外公認的減少粉塵產生的較好技術措施，尤其是對綜采放頂煤工作麵，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，將一般在普通綜采麵應用的煤層注水技術，應用在綜采放頂煤的厚煤層中，則達不到濕潤頂煤的作用，因此，對注水工藝必須作適當的改進；再者，對孔隙率較低的難注水煤層，在工作麵原始應力帶注水，水難以注入煤體，不容易達到理想要求，必須對注水工藝進行改進。

　　為了使綜放麵厚煤層中頂層煤炭得到較好的濕潤，采用了雙向扇形鋁孔布置（工業性試驗中利用了原頂部煤中所掘的巷道)和三巷鑽孔(如圖1）長鑽孔靜壓注水的方式。

圖1　鑽孔布置方式示意圖

　　由於在試驗工作麵上煤的自然孔隙率僅為2.76％， 透水性係數僅為0.01536，屬難注水煤層， 在原始應力區注水是難以取得較理想的注水效果的。因此，決定在工作麵的動壓區利用礦山壓力所致的次生裂隙進行煤層注水。根據試驗工作麵礦山壓力觀測及頂板位移規律資料的03manbetx ，回風巷在靠工作麵一端60m左右範圍內，進風巷靠工作麵35m左右範圍內，受礦壓及頂板位移影響，煤層中存在較發育的次生裂隙，煤層的滲透性大大提高，並可降低注水壓力。決定注水區域在距工作麵(35～40)m開始注水，距工作麵(5～6)m停止注水，注水時間約8天。注水係統主要由注水流量表、分流器、高壓閥門、注水管、封孔器等組成。注水中有關注水的一些參數分別由以下公式確定。

　　單孔注水量由（1）式確定

Q＝KLBhγδ

（1）

式中，Q—單孔注水量，m³；K—注水係數，取K＝1.1；L—鑽孔長度，m；B—鑽孔間距，m；h—鑽孔範圍內應濕潤的煤層厚度，m；γ—煤的密度，t/m³；δ—噸煤注水量，m³/t，取δ＝0.025m³/t。通過計算，回風巷上孔注水量Q_s＝127m³，每個下孔注水量Q_x＝104m³，進風巷每個鑽孔注水量Q_j＝166m³。

注水壓力按（2）式確定

（1.2～1.5）P_w≤P_z≤0.75P_f

（2）

式中，P_z—煤層注水壓力，MPa；P_w—煤層瓦斯壓力，MPa；P_f—上覆岩層壓力及煤層剪切強度之和，MPa。試驗礦井鮑店煤礦防塵用水靜壓在(3.0～4.0)MPa之間，能滿足上述要求。
　 注水時間按（3）式進行計算

（3）

式中，T—總注水時間，d；D—開始注水時鑽孔距工作麵距離，35m；d—結束注水時鑽孔距工作麵距離，5m；i—工作麵日推進度，按設計，取i＝3.6m/d。通過計算，T＝8.3d。
　　單孔注水流量按（4）式計算

（4）

式中，q—單孔注水流量，l/min。通過計算，回風巷上孔q_s＝11l/min，下孔q_x＝9l/min，進風巷鑽孔q_j＝14l/min。

工作麵注水後煤的實際水份增量達到了(1.4～1.8)％，注水增量一般大於1％即有較好的防塵效果。

3.2　采煤機徑向霧屏及液壓支架探梁輔助噴霧降塵
采煤機割煤過程是綜放工作麵的主要產塵塵源，約占綜采放頂煤工作麵產生總粉塵的60％。采煤機處於綜放工作麵主風流中，采煤機滾筒割煤產生的粉塵極易隨風流向人行道方向擴散，汙染作業環境。為此，在滾筒搖臂靠人行道一側設一組構成一弧形的噴嘴組，當噴霧時，在滾筒靠人行道一側形成一道徑向噴霧屏障。同時，在液壓支架探梁上設噴嘴，在采煤機部位開啟這些噴嘴進行噴霧，在采煤機上方形成第二道噴霧屏障。此外，在采煤機兩個端頭各設兩個噴嘴，在采煤過程中，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散，又可以起到降塵的作用。為了使采煤機徑向霧屏及液壓支架探梁輔助噴霧降塵設施達到較好的控塵、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，進行了大量的實驗室試驗。在此基礎上，采煤機徑向霧屏選用了NPB－1型噴嘴，采煤機端頭選用了WPB型空心錐形噴嘴，支架探梁輔助噴霧選用了SD304型實心錐形噴嘴。

1-支架探梁手動噴霧；2-支架探梁；3-采煤機搖臂徑向霧屏；
4-采煤機外噴山　昆霧

圖2　采煤機搖臂徑向霧屏及支架探梁輔助噴霧布置示意圖

　　此外，在采煤機噴霧降塵的設計中，還需對噴霧降塵使煤水分的增加量進行估算，以避免由於水分增量過大使煤的水分超標而影響經濟效益（水分超標，售價將降一個等級）。設采煤機噴霧水壓為1.5MPa時，噴霧用水量為Q_s1，則

Q_s1＝2（n₁＋n′₁）q₁＋n₂q₂＋n₃q₃＝284.0　l/min

（5）

式中，n₁—采煤機一個滾筒內噴嘴數，n₁＝48；n′₁—采煤機一個滾筒搖臂霧屏噴嘴數，n′₁＝9；n₂—采煤機端頭外噴嘴數, n₂＝4；　n₃—支架探梁輔助噴嘴數，n₃＝5；q₁—NPB－1型噴嘴在水壓為1.5MPa時的流量，q₁＝2.1l/min；q₂—WPB型噴嘴在水壓為1.5MPa時的流量，q₂＝5.6l/min；q₃—SD304型噴嘴在水壓為1.5MPa時的流量，q₃＝4.4l/min。
　　采煤機單位時間采煤量按（6）式計算

Q₁＝HBV_qρ＝10.2t/min

（6）

式中，Q₁—每分鍾的割煤量，t；H—采煤高度，H＝2.8m；V_q—割煤時的平均牽引速度，V_q＝4.0m；B—滾筒的截深，B＝0.65m；ρ—煤的實體密度，ρ＝1.4t/m³。
　　　　采煤機割煤過程中，因噴霧而造成水分增量可按（7）式計算

（7）

式中，W_z1—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係數，取k＝0.15。

　　煤的平均原始水分為2.5％左右，從水分的增量看， 上述采煤機噴霧降塵設計方案的噴霧水分量不會使煤的水分含量超標。經實施上述方案，采煤機司機處平均降塵率達到了82.6％；采煤機下風(10～15)m處平均降塵率達到81.7％。

3.3　液壓支架移架和放煤自動噴霧降塵

液壓支架移架和放煤是綜放工作麵的兩個主要產塵塵源，約占綜放麵粉塵產出量的30％左右，亦是綜放工作麵防塵的重點之一。

　　液壓支架移架產塵的特點是，隻在移架作業（降柱、拉架、升柱）過程中產塵，產塵時間極短；產塵部位主要在液壓支架架間，尤其在液壓支架前半部，處在工作麵采場主風流中，產生的粉塵在風流作用下極易擴散。放煤口放煤產塵的特點是，主要在放煤作業時產塵，尤其在放煤初始階段產塵量大；產塵部位在液壓支架後部刮板運輸機處；支架後部由於受到支柱、四連杆、高壓軟管等支架零部件阻礙與支架前部主風流相比風速較小，但在後部刮板輸送機處有一較寬闊的連通空間，放煤時產生的粉塵如未被沉降，易隨風流沿此通道向下風鄰架擴散。

圖3　液壓支架噴霧示意圖

　　根據液壓支架移架、放煤產塵的特點，在設計方案中，有針對性地采取以下技術措施：第一，設計一種自動噴霧控製閥，使液壓支架移架和放煤的噴霧降塵與操縱液壓支架動作的液壓係統聯動，實現自動噴霧降塵，即實現作業產塵時自動噴霧降塵，移架和放煤結束自動停止噴霧降塵；第二，在噴霧係統中增加一個組合五通閥，可以實現本架移架自動噴霧下風鄰架同時自動噴霧，使得下風鄰架擴散的粉塵被二次噴霧降塵，可提高噴霧降塵效果；第三，設計磁化噴嘴，使水磁化，改善水霧的物理特性，提高水霧對粉塵的捕獲能力。

1-多功能自動噴霧控製閥；2-四通平麵閘閥；3-組合五通閥；4-尾梁操縱閥；5-前柱控製閥；6-移架噴咀組；7-放煤口噴咀組；8-手動閥門；9-去臨架噴霧；10-噴霧水從臨架來；11-主供水去臨架；12-主供水管

圖4　液壓支架自動噴霧係統圖

　　為了簡化噴霧降塵的管路係統，還設計並研製了一種兩功能的自動噴霧控製閥。該閥屬國內首創，試驗成功後申報了專利(專利號為ZL95242892.x)；磁化噴嘴經實驗室測試，水經其磁化後，水的表麵張力可以降低(1.96～4.47)％；水的蒸發率提高了0.2％左右，這都有利於水霧捕獲粉塵。液壓支架噴霧降塵，噴頭安裝位置如圖3所示。其噴霧係統如圖4所示。

　　上述技術措施經過工業性試驗，取得了很好的效果，噴霧係統管路得到了簡化，下風鄰架同時噴霧能夠實現；液壓支架移架降塵率達到了81％；放煤口放煤降塵率達到了84.2％。

3.4　破碎機及轉載點的降塵措施和降塵效果

破碎機降塵，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/min，也取得了較好的降塵效果，降塵率為85.1％。轉載點采用電磁閥控製的自動噴霧降塵，水壓為2.0MPa， 選用WPB噴嘴，噴嘴流量為6.2l/min，每個轉載點設兩個噴嘴。據兩個轉載點實測降塵效果是：放煤刮板輸送機轉載點為81.5％，采煤刮板輸送機轉載點為81％。

4　結　論

針對煤礦綜采放頂煤工作麵產塵的具體原因，采取標本兼治的思路是正確的。針對不同塵源的特點，應用不同的技術措施和綜合防治的方法是行之有效的，取得了很好的防治效果，為用常規措施難以奏效的綜放工作麵粉塵防治技術提供了一套有效解決辦法，並有所創新，把我國煤礦防塵技術提高到了一個新的水平。該套技術已在幾十個煤礦綜采放頂煤工作麵推廣使用。

參考文獻

1　煤炭科學研究總院重慶分院綜采防塵課題組.放頂煤綜采工作麵高濃度粉塵綜合防治技術的研究科學研究報告，1994.12.
　　2　王晉育. 我國放頂煤綜采工作麵防塵技術現狀評述及提高防塵效果的探討.煤炭部放頂煤綜采學術研討會，1993.2.
　　3　兗州礦務局興隆莊煤礦、煤炭科學研究總院重慶分院. 兗洲礦務局興隆莊煤礦5306綜采放頂煤工作麵粉塵防治技術及其效果考察，1992.10.