卫强强
(山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤矿,山西 洪洞 041600)
作为矿井五大自然灾害之一,煤尘的产生几乎贯穿于煤炭开采的各个环节。近年来,随着煤矿综合机械化掘进和开采装备的大面积推广应用,生产过程中的粉尘产生量大幅增加,粉尘浓度超标的问题日益严重。煤尘具有爆炸性,达到一定浓度时在高温下容易发生爆炸,诱发瓦斯爆炸和火灾等,同时长期在高浓度煤尘环境下工作,会导致尘肺病的发生,严重危害煤矿工人的身体健康[1-3]。因此,进行井下煤尘治理和防爆研究,对创建安全、高效、绿色矿井具有重要意义。
山西霍州煤电集团回坡底煤矿11-104 工作面所采煤层为11 号煤,11-1042 巷沿11 号煤层底板掘进,巷道地面标高为+926~+724 m,井下标高为+468~+486 m。11 号煤的平均厚度为3.2 m,平均倾角为3°,顶板依次为:泥岩,3.5 m,灰黑色,含少量黄铁矿薄膜、植物化石碎屑,中夹0.3 m 煤线;粉砂岩,2.6 m,灰白色,致密,质脆,含黄铁矿及植物化石,夹薄泥岩;10 号煤,2.6 m,煤层稳定,含硫高,易自燃,中部含0~1 层不稳定夹矸;泥岩,2.3 m,深灰色,含薄膜状黄铁矿及植物化石,局部相变为泥质粉砂岩。
11 号煤的普氏系数为0.9~1.1,节理裂隙发育程度高。煤尘自燃倾向等级为Ⅱ级,类别为自燃煤层,自然发火期为82 d,煤尘火焰长度>400 mm,有煤尘爆炸性。
11-1042 巷的断面尺寸为4800 mm×3200 mm(宽×高),采用锚网索支护。
煤矿井下两巷的掘进是工作面回采的先期工程,煤尘产生量仅次于工作面。与工作面相比,矿井掘进工作面数量多,掘进过程工序多,尘源的分布范围广,分散度高。岩巷掘进中还会产生大量的岩尘,是导致工人尘肺病的主要原因。
11-1042 巷采用综掘机破煤掘进,按照综掘工艺分析,煤尘的主要来源有几个方面:
(1)切割煤壁
综掘机截割头对煤体产生的粉尘量是整个掘进工序中最大的,占比达80%以上。切割过程中,煤体受截齿挤压作用的影响,发生弹性变形,当截齿离开时,弹性变形恢复,在产生变形和恢复的过程中,煤体被破碎成块,从而产生大量粉尘。同时,截齿的冲击作用也促进了煤尘的产生,并且飞扬在巷道中。
(2)运输转载产尘
综掘工作面出煤过程中煤炭要经过多次转载,由于摩擦和振动的作用,进一步加大了煤块的破碎,并且在运输过程中极有可能使得静态的沉积粉尘飞扬,增加了巷道中的煤尘浓度。
(3)进风流带入
根据测试,在不采取任何净化措施的情况下,进风流中的粉尘浓度可达5 mg/m3以上。如果风速较大,含尘量可高达50 mg/m3以上。
喷雾能降低巷道中的粉尘浓度,主要是由于惯性、重力、静电等多种力相互作用的结果,降尘机理如图1[4-5]。
图1 喷雾降尘机理
(1)惯性作用
较小的煤尘在运动过程中遇到雾滴会改变方向,而粒径大的尘粒由于惯性作用,不能及时避开,保持原来的运动方向而与雾滴碰到一起,从而降低浓度。
(2)扩散效应
部分粒径较小的粉尘,在空气中并非沿流线运动,而是呈现不规则的布朗运动的状态。在雾滴附近,这些细小的尘粒可能与雾滴发生碰撞而停止飞扬。粒径越小,碰撞的概率越大,扩散效应越强。
当前综掘工作面常用的通风方式有单抽出式、长抽短压、长压短抽和长抽长压式等,结合回坡底矿的实际情况,确定11-1042 巷采用长压短抽式通风。通过合理确定抽风口和压风口的位置,在巷道中形成一个出风、进风的稳定屏障。该屏障内的风流稳定,煤尘具有一定的运动速度,在保证排出掘进头煤尘的同时,减少了粉尘向风筒后巷道的扩散。风流运动如图2。
图2 长压短抽式通风的风流状态
为防止压入式通风和抽出式通风的共同作用范围内出现循环风,一般压入式风量为抽出式风量的120%~130%。在实际应用中,抽出式风量一般不变,而压入式风量随着距离掘进头距离的增大而减少,为此,应根据掘进头的进尺前移压入式风筒的位置。
(1)压入式出风口位置
压入式出风口距离工作面迎头距离大,则除尘效果差,距离小,则容易将粉尘带入到巷道中。根据生产实践,压入式出风口的距离按公式(1)计算:
代入计算可得,出风口的距离小于19.6 m。在巷道掘进过程中应根据进尺情况及时续接风筒。
在实际生产中,综掘工作面以上三个参数的变化范围见表1。同时,保持压入总风量大于抽出式总风量的20%以上,这样,可以避免产生风流循环,降尘效果最佳。
表1 掘进头风筒口关系
巷道掘进采用的EBZ200 综掘机,所用压风筒和抽风筒的直径为500 mm。压入式和抽出式风机均采用对旋轴流式,主要参数见表2。
表2 两风机主要参数
为了防止掘进过程中的煤尘随回风流进入到回风大巷中,必须将煤尘控制在掘进机前方,一般采用的是封闭掘进、全封闭除尘的方式。在掘进头布置除尘器等设备,现场设备如图3。
图3 掘进头设备布置
根据现场的实践经验,一般在掘进作业中,巷道断面中部的粉尘浓度最高,是防治的重点区域。为了方便移动作业,将抽出式通风的进风口安装在综掘机上,随掘进机前移。吸风口下端距离底板1200 mm,上段距离顶板1300 mm,距迎头的距离不得大于2500 mm。
研究表明,利用专用的设备除尘是降低掘进头浓度的有效方式。近年来,湿式振弦除尘器作为强力除尘的有效设备,与传统的机械除尘、过滤除尘相比,具有占地小、移动方便、对呼尘除尘效果好等优点,得到了广泛的应用。在11-1042 巷采用KCS-225ZL 湿式振弦除尘器进行除尘,额定处理风量为250 m3/min,额定呼尘除尘效率可达90%以上,总粉尘除尘效率高于99%。
在11-1042 巷掘进过程中,对粉尘浓度进行测试,测试结果见表3。
表3 除尘前后效果对比 (单位:mg/m3)
由表3 可知,采用综合防尘措施后,迎头和司机处的粉尘浓度有明显降低,取得了较好的效果。
(1)综掘工作面粉尘主要来源于煤壁的切割、煤块的转载等,具有分布范围广、分散度高的特点,产生量仅次于综采工作面。
(2)喷雾能降低巷道中煤尘的浓度,主要是惯性、重力、静电、扩散等综合作用的结果,其中起主要作用的是惯性和扩散作用。
(3)11-1042 巷通过采用长压短抽式通风、全封闭除尘和湿式振弦除尘器,迎头和司机处的粉尘浓度有明显降低,最大降幅达98%,取得了较好的效果。