我國綜采放頂煤粉塵控製技術的研究與發展
我國綜采放頂煤粉塵控製技術的研究與發展
【摘要】較係統地論述了我國目前綜采放頂煤工作麵粉塵綜合治理的最新技術與成果，包括厚煤層注水技術，采煤機應用外旋雙層霧流罩封塵源除塵技術，液壓支架和放煤口聯合自動控製噴霧降塵技術及破碎機聲波霧化降塵技術等，並說明其應用及效果。根據現有降塵技術存在的問題，結合現場實際討論其發展趨勢。
1 引言
綜采放頂煤采煤技術，自1984年在我國試驗以來，發展迅速，現有近30個礦務局的70餘個煤礦，並將其作為今後高產高效工作麵發展的重點與方向。放頂煤采煤法具有高產、高效、低耗、節能等優點，從試驗、采用至今，已取得很好的社會和經濟效益。但也存在不足之處，主要是安全和回收率問題，如果不把這些問題解決好，會影響其發展前景。
綜采放頂煤開采的安全問題之一是粉塵問題。由於綜放麵比普通綜采增加了放煤口和放煤溜子轉載點等塵源，而粉法濃度可比普通綜采高幾百到幾千mg/m。粉塵的危害很大，引起塵矽肺病，爆炸及微細粉塵排入大氣，汙染大氣環境，破壞生態平衡等。因此搞好綜放麵的粉法治理非常重要。
綜放工作麵的塵源主要有：采煤機割煤塵源、放煤塵源、移架塵源、放煤溜子和采煤溜子轉載點塵源、破碎機塵源等。在這些塵源中，產塵量比較大的是采煤機割煤、放煤和破碎機破碎煤等塵源。由於破碎機可用機械方式罩封防止粉塵的擴散，再實施噴霧或抽塵淨化等降塵，能取得較好的降塵效果。采煤機割煤和放煤塵源，一方麵因隨時移動無法罩封塵源，另一方麵兩者均處於較高速風流中，粉塵易擴散飛揚，最難控製，是治理的難點，而產塵最大的還是采煤機塵源。綜放工作麵塵源多，產塵強度大而不集中，因此，必須實施綜合防塵技術才能有效控製粉塵，減少其危害。
2 綜放工作麵綜合防塵技術
綜放工作麵綜合防塵技術，主要包括減少粉塵產生、防止粉塵擴散及降除塵等，即煤層注水預濕煤體減少粉塵產生的技術、采煤機用外旋雙層霧流罩封塵源的高效除塵技術、轉載點及破碎機聲波霧化降塵技術。
2.1 厚煤層注水預濕煤體減少粉塵產生
煤層注水是通過鑽孔並借助於水的壓力，將水注入即將回采的煤層中，使煤體得到預先濕潤，增加煤體水分，減少采煤時粉塵產生量。煤層注水是采煤工作麵基本的有效的防塵技術。其水分的增加，可減少煤礦井下、井上各個環節的粉塵產生量。煤層注水還可預防衝擊地壓及煤與瓦斯突出、軟化頂煤減少大塊煤量提高回收率、軟化煤體降低載割能量及防火（加入阻化劑）降溫等，是治理礦井災害，提高工效的綜合性技術措施。因此，隻要條件具備應盡量采用煤層注水這種治本措施。
2.1.1 厚煤層注水滲流的機量
放頂煤開采一般都是在煤層大於5m的條件下實施的。因此，其滲流不同於薄煤層及中厚煤層。而薄及中厚煤層用二維滲流方程就能滿足實際要求。對厚及特厚煤層，由於在垂直於頂底板方向上煤層厚度較大，不考慮其滲透誤差較大，故須用三維滲流來描述，其方程為：
（1）
式中，H-位能與壓能的和（因一般情況滲透速度較慢，動能較小，可忽略動能的影響）；
，，-導水係數張量的分量（這裏設坐標軸的方向與導水係數張量的主方向一致）；
S-裂隙-孔隙的貯水係數；Q-源彙項（注水對控製體內水量的影響）；
(-溝通大裂隙與組合裂隙（孔隙）之間的水量交換，即單位時間內從大裂隙進入單位體積組合孔隙的水量；
Q1 -由死端、微孔隙水的毛細和擴散作用引起控製體內水量的變化，主要與液體及孔隙的性質有關，而與裂隙與孔隙間的壓差關係不大。
其中毛細運動增加的水分為：
（2）
式中，(m -毛細運動係數，，其中為毛細運動最大的孔隙半徑；
(為液體表麵張力係數，(，(為液體的動力粘度，(H為液體的密度。
擴散運動增加的水分為：
（3）
式中，(k -擴散運動係數；
a-在給定時間內由一分子擴散運動使微孔隙中水分增加而充填孔隙的係數，由實驗測得。它與孔隙、液體的性質有關。
因此，煤層注水濕潤煤體，使水分增加，就由裂隙中滲透，組合孔隙中的壓差，死端和微孔隙中的毛細和分子擴散運動幾部分增加量組成。用三維滲流描述厚及特厚煤層滲流，其計算結果與實際測試結果相吻合。
2.1.2 厚及特厚煤層注水鑽孔布置及封孔
厚及特厚煤層注水的鑽孔布置，因煤層厚度較大，在煤層厚度方向上，如果還采用平行於底板或頂板布置一個鑽孔的方式，頂部煤層就不能得到充分濕潤，因此，應采用在平行於工作麵的斷麵上布置一組扇形鑽孔的方式（鑽孔間為了打鑽施工的方便和鑽孔間不串水，應錯開一較小的距離，一般為1～1.5m）。根據有無頂板巷及頂板巷的位置不同，則有：無頂板巷雙向扇形鑽孔布置、無頂板巷單向扇形鑽孔布置、頂板巷靠工作麵一邊的對鑽扇形鑽孔布置、頂板巷在工作麵中間的組合式鑽孔布置。
此外，還可從以上四種鑽孔布置方式中演化出多種鑽孔布置。在實際應用中的選擇，在有頂板巷的情況下，應優先選用在頂板巷打鑽孔注水的方式，這樣不僅有利於鑽孔施工，不影響生產，還有利於充分濕潤頂煤。若無頂板巷，應優先選用雙向扇形鑽孔布置。如果巷道空間不允許，最後選用單向扇形鑽孔布置方式注水。
對於厚及特厚煤層的注水，其封孔與薄及中厚煤層亦有所不同，這是由其鑽孔布置方式不同所決定的。封孔時應盡量用水泥砂漿或石膏水泥漿封孔，這樣便於提高封孔質量。對於扇形鑽孔的布置方式，由於鑽孔間距較近，為防止其間串水，封孔深度最好大於10m，一般要求在10～20m之間。
煤層注水的降塵及軟化頂煤的效果是顯著的。若實施得好，可以使總粉塵少產生85%以上，而呼吸性粉塵就少產生40%～60%。對於以上提到的其他功能效果亦較顯著。
2.2 外廢雙（多）層霧流罩封塵源對高效采煤同除塵
前麵說過，采煤機采煤，是綜放工作麵產塵最大且最難控製的塵源。由於其隨時移動並處於風流之中，粉塵易於擴散飛揚。目前我國采用的降塵措施有：
（1）采煤機含塵氣流控製降塵技術。其特點是在采煤機搖臂、機身安裝噴嘴，並在采煤機兩個端頭安裝分流臂（上麵安有噴咀），通過合理布置噴嘴的位置、角度及正確選擇其流量等參數，而將采煤機粉塵引向煤壁，減少對司機的危害，其總粉塵降塵率一般為65%～82%（呼吸性粉塵降塵率較低）。
（2）采煤機高壓噴霧降塵係統。是指在采煤機上布置兩個或多個高壓噴頭，在水壓高於7.5Mpa的壓力下，對兩個滾筒實施高壓噴霧降塵，其總粉塵降塵率達85%以上（呼吸塵50%以上）。在使用中發現其有以下一些問題：第一高壓水源難以解決，現在供高壓水方式是在軌道巷安設高壓噴霧泵，經管路到達工作麵，再經電纜槽送到采煤機。第二由於水壓較高（要求到達采煤機高壓噴頭噴霧的水壓力不小於7.5Mpa，管道中的壓力會更高），曲率半徑大，易於損壞電纜夾及其中的其他設施。並且高壓膠管的來回拖動很危險，高壓水管易於破裂，造成02manbetx.com
。另外高壓噴霧霧粒細，加之采煤機塵源處於較高速的風流中，微細水粒與呼吸塵結合後增重不夠，不會馬上沉降又被風流吹散蒸發，降低對呼吸性粉塵的降塵效果。
根據以上采煤機噴霧降塵技術的特點，筆者研製出了外旋雙（多）層霧流罩封塵源高效除塵裝置（獲國家專利，其專利號為：95241746.4），用於采煤機，效果顯著。此外，該裝置還可用於煤礦井上、井下、冶金礦山、隧道、車站港口卸煤處、火力發電廠、水泥廠、碎石場等地的塵源除塵。
2.2.1 外旋雙（多）層霧流罩封塵除塵裝置的結構原理、性能及應用效果
該裝置主要由動力部分、旋轉體、外殼、法蘭、進水接頭、噴頭等組成。其高效除塵原理為：當動力機構帶動外層霧流進行高速旋轉時，形成外層高速旋轉的錐形水幕，水幕將塵源粉塵罩封住，阻止了粉塵向空氣中擴散，同時內部噴嘴噴出的細霧亦高速旋轉，兩者的共同作用引射粉塵在罩封水幕內與細霧粒一同旋轉，粉塵、霧粒相互碰撞、濕潤、粘合，而將粉塵除去。傳統的噴霧由於粉塵與細霧粒的碰撞機率和時間較小，某些微細粉塵，特別是呼吸性粉塵，即使被濕潤了，增重不夠，亦可能被風流帶走，懸浮於空氣中，時間長了水被蒸發而不能充分捕集呼吸性粉塵。在該裝置中，由於外旋霧流和內部噴咀噴出霧粒的高速旋轉的引射卷吸作用，使旋轉霧流內部形成較強的負壓區，被罩封的粉塵，基本不受外界風流流場的影響，粉塵可以多次與霧粒碰撞，多次增重而被捕集，因此其對呼吸性粉塵的降塵率尤為顯著。
因其結構原理決定了該裝置有以下特點：
（1）解決了一些塵源，特別是移動塵源，處於風流中無法用機械方式罩封，粉塵易於擴散的問題。對產塵源若能罩封，再實施降塵，一般都能取得較理想的降塵效果，其優於機械罩封之處在於：一不影響生產，二罩封範圍內是負壓。
（2）同樣壓力霧粒細（旋轉多次破碎），射程遠，覆蓋範圍大，有軸向和周圍方向的雙向引射，引射力強，不易被風流吹散。
（3）霧粒粒度分布範圍廣，符合最佳噴霧降塵理論。
（4）細霧粒與粉塵的結合物，由於在外部旋轉水幕的罩封罩內，不受外部風流影響，不易蒸發
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td="14303">。（5）由於外層霧流及內層霧粒的高速旋轉，使外層旋轉噴霧所罩封範圍內，形成較強負壓區，粉塵不易擴散出來，同時內部水霧的旋轉使粉塵與霧粒充分接觸碰撞提高了降塵率。
（6）該裝置體積小，質量輕，性能可靠，性能價格比優，耗水量小，但在易片幫的工作麵要注意保護，以免砸壞。
其性能參數主要包括不同水壓力下的流量、有效射程、最大射程、張角及旋轉水幕內的負壓等參數。見表1所示。
表 外旋雙層霧流罩封塵源除塵裝置，在采煤機上安裝使用，其對總粉塵的降塵率一般達90%以上，有的高達96%，對呼吸性粉塵的降塵率達70%～80%。 2.3%20%20液壓支架和放煤口設自動噴霧降塵 2.3.1%20%20自動噴霧控製閥及其噴霧係統 放煤口和移架自動噴霧，是指在液壓支架上安裝噴霧控製閥，當降柱和放煤時，通過支架的液壓係統輸送給控製閥一液壓信號，控製閥水路開啟實現噴霧降塵；在移架和放煤過程中繼續噴霧；當升柱和關閉放煤口時，支架的液壓係統又輸送給控製閥一信號，關閉水路信止噴霧，從而實現放煤和移架的自動噴霧降塵。該閥是既可控製移架又可控製放煤的自動噴霧降塵裝置。 2.3.2%20%20降塵效果考察 為了考察液壓支架和放煤口放煤時自動噴霧控製粉塵的情況%20，分別對放煤工處，放煤口下風流7m人行道及移架下風流7m人行道處的降塵效果進行了考察，放煤及放煤口下風流7m人行道處的總粉塵降塵率達85%左右，呼吸塵降塵率達60%～70%。 2.4%20%20破碎機聲波霧化降塵 聲波霧化降塵裝置主要由聲波霧化噴嘴、隔音防塵罩、水管、壓氣管、閥等組成。其除塵原理是，當適當開啟水閥和壓氣閥後，聲波霧化噴嘴開始工作，由於壓氣驅動聲波霧化噴嘴的聲波發生器產生高頻高能聲波，在聲波的作用下噴出的水霧被二次化成細霧粒，這些粒度很小。密度大的霧粒充滿破碎機的整個空間，提高了霧粒與粉塵的碰撞和接觸機會，同時高頻高能聲波使噴霧區域內產生了強烈的空氣振動，增大了霧粒和法粒的碰撞機率和凝聚效果，從而達到高效降塵之目的。通過對破碎機聲波霧化降法技術的實際應用考察表明，對總粉塵的降塵率達90%以上，呼吸性粉塵降塵率達80%以上。 2.5%20%20綜放工作麵綜合防塵 綜放工作麵是一個塵源多又分散的工作場所，必須對整個工作麵實施綜合防塵降塵 措施，才能夠使整個工作麵的粉塵濃度有效地降低。在實施了煤層注水，采煤機外旋雙層霧流罩封塵源技術，支架、放煤口自動噴霧及破碎機聲波霧化等降塵措施後，可使采煤機司機處的總粉塵降塵率達90%以上，呼吸塵降塵率達75%以上。放煤移架的降塵率達83%以上（總粉塵），呼吸塵降塵率達65%以上。回風巷距工作麵端頭15m處的總粉塵降塵率達85%以上，呼吸塵降塵率達65%以上。 3%20%20綜放工作麵粉塵控製技術的發展趨勢 根據我國現有近30個礦務局的70多個 煤礦和采煤工作麵的實際情況，放煤支架大多采用雙輸送機和低位放煤。在這樣的綜放麵，采煤同塵源仍是最大和最難控製的塵源。在采煤機上由於空間和工作條件的限製，某些好的除塵措施和技術無法應用。據目前國內外情況，其控塵技術主要是解決采煤機載高壓水源問題，改善目前的采煤機內噴霧狀況，引入吸塵滾筒，研製防砸高效的外噴霧係統。支架、破碎機、放煤口、轉載點采用高壓噴霧或壓氣噴，以提高其綜合降塵效果。注水主要是改進現在注水裝備，實現自動化和智能化，使注水發揮綜合作用。 4%20%20結論 （1）綜放工作麵煤層注水的滲流、鑽孔布置、封孔等都不同於一般綜采，應根據其具體情況，合理選擇鑽孔布置及注水設備，達到最佳注水效果。 （2）煤層注水是減少粉塵產生的最根本有效的 技術措施，實施得好可使總粉塵和呼吸性粉塵降低70%～80%，還有預防衝擊地壓及煤與瓦斯突出，軟化頂煤提高回收率，節能防火降溫等功能。 （3）采煤機外旋雙（多）層霧流罩封塵源除塵裝置，能有效地罩封采煤機塵源，防止粉塵擴散，達到高效降塵之目的。但在應用中應注意保護，防止被砸壞。 （4）綜放工作麵必須根據其特點，選擇不同的降塵技術，實施綜合防塵，才能控製粉塵，減少其危害。 %20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20
