综放工作面防尘技术研究与分析.doc

综放工作面防尘技术研究与分析摘 要：系统介绍了综放工作面防尘的技术现状，防尘研究的发展方向和趋势，阐述了目前国内主要的综放工作面防尘措施及其应用和效果；关键词：综放工作面；煤尘；防尘技术；效果；喷雾；采煤机；英文摘要：Sublevel Mechanized Caving method shows the characteristics of high out-put,more dust sources,high dust concentration and difficult to control. a brief introduction to the general route and protocol for dust control is given, which has been applied and verified in tens coal mines with success.Key words: Sublevel Mechanized Caving Face ; coal dust ; dust control ; coal mining machine ; result.一、 研究现状与意义放顶煤采煤法由来已久：法国、前苏联、南斯拉夫等国家于20世纪40年代末50年代初即开始应用放顶煤采煤法，综放开采曾一度成为东欧地区厚煤层开采的主要方法，80年代中后期，国外放顶煤开采有所萎缩；我国50年代初曾在开滦、大同、峰峰和鹤壁等矿区采用放顶煤采煤法，在1982年引进了综采放顶煤技术，并于1984年在沈阳蒲河矿开始工业性实验。由于这种采煤法具有掘进率低、效率高、适应性强及易于实现高产等明显优势，十多年来，在我过得到了迅速发展。80年代末90年代初，我国综采放顶煤技术已走在世界前列，并已向国外输出综放开采的成套技术。实践证明综放采煤技术具有“掘进巷道量少、产量高、效益大”的优点，在矿井的高产高效建设中发挥了重要作用。但其缺点是产尘量大，对煤矿“一通三防”安全管理和职工的身体健康构成较大威胁，是煤矿多年来一直在研究解决而始终未得到较好解决的棘手问题之一。目前国内外综放工作面的粉尘防治技术主要采用煤体注水、喷雾洒水、转载点密闭抽尘、泡沫除尘和高压水射流吸尘等净化措施，其中泡沫除尘和高压水射流吸尘等净化措施在国内尚无应用，是一种新型高效的除尘方法，经济费用比较高;其它除尘方法存在的主要问题是注水参数和注水工艺难以确定，采煤机、液压支架喷雾系统布置形式和喷雾参数不太合理。二、研究的内容及分析 1问题的提出综采放顶煤目前已成为厚煤层开采的一种主要采煤方法。19% 年全国综采面平均年产量超过70万吨，2000年充州东滩矿综放工作面年产达到512万吨，标志着这项新技术达到了国际领先水平3-41。综放采煤技术的高产高效是与其他采煤方法相比所具有的最大优势，但其产尘量大的缺点对煤矿安全管理和职工的身体健康造成重大压力，对于一些技术落后的矿井来说形势尤其严峻，因此论题就防尘技术及其应用做深一步的探讨和研究。2粉尘概述 粉尘是在矿井建设和生产过程中所产生的各种岩矿微细颗粒的总称，在煤矿中主要是指煤尘和岩尘。按其存在状态分为浮尘和落尘，悬浮于空气中的矿尘称浮尘，沉落下来的称落尘;按其成分可分为岩尘、煤尘和水泥粉尘三类;按其大小可分为肉眼可见粉尘(直径大于10um，在静止的空气中呈加速下降)、显微粉尘(在静止的空气中呈等速下降，下降速度的大小与尘粒直径重率的平方呈正比)、超显微粉尘(直径小于0.1 um ，在静止的空气中可看成是不沉降的)。各种 粒 度 的尘粒在全部矿尘中所占的百分比称为矿尘的分散度。粉尘中微细颗粒多，所占的比例大，称为分散度高;粉尘中粗大颗粒多，所占比例大，称分散度低;我国把矿尘分散度划分为四个等级，即2 um以下;2-5 um; 5-10 um; 10 um以上，分散度越高，粉尘的危害性越大。在矿井内用“矿尘浓度”的大小来衡量风流中含尘量的多少。矿尘浓度是指矿内空气中所含浮尘的数量，分重量法( kg/m3)和计数法(ti/cm3)两种表示方法，一般多用重量法表示。含尘量的计算指标：矿尘浓度、产尘强度（指生产过程中，采落煤中所含的粉尘量，常用单位为g/t）、相对产尘强度（指每采掘1 t或1m3矿岩所产生的矿尘量，常用单位为mg/t或mg/m3）)矿尘沉积量（指单位时间在巷道单位面积上所沉积的矿尘量，单位为 g/m2d）等指标。在煤矿建设和生产过程中， 由于地点和生产方式不同，所产生的粉尘数量也不同。按地点以采掘工作面产生的矿尘量最高，如在没有采取防尘措施进行凿岩时，工作面的含尘量可达800- 1400mg/m3，而爆破时可达数千毫克;其次是运输系统中的各转载点产生的矿尘。在工作面，机械化程度愈高产尘的煤尘量愈大。3粉尘危害粉尘对井下人员身心健康和矿井安全生产危害极大其表现在以下几个方面：31 对人体的危害:飞扬在井下空气中的矿尘，被人体长期吸入后，轻者可引起上呼吸道的炎症，严重时可导致尘肺病，不仅给患者造成痛苦，缩短其寿命，还给企业和国家造成巨大经济损失。煤矿工人患尘肺病人数及死于尘肺病人数，在矿山工业中均居首位，是煤矿一直未能解决的严重问题。32 煤尘具有爆炸性：煤尘 爆 炸 威力远大于瓦斯爆炸的威力，产生高温、高压冲击波和大量的有毒有害气体，导致大量人员伤亡和设备财产损失，严重威胁矿井安全生产。世界各国在煤矿开采历史上因煤尘爆炸造成的危害是惨痛的。1906年，法国古利耶尔无瓦斯煤矿发生特大煤尘爆炸，死亡1099人;1917年，抚顺大山坑煤矿发生特大瓦斯煤尘爆炸，死亡917人;1942年，本溪湖煤矿发生特大瓦斯煤尘爆炸，死亡1594人;1960年，大同老白洞煤矿发生特大煤尘爆炸，死亡684人。近45年来瓦斯煤尘爆炸事故仍时有发生。33 加速机械磨损，缩短精密仪器使用寿命：随着煤矿机械化、电气化、自动化程度的不断提高，矿尘对设备性能及其使用寿命的影响越来越突出，如损坏液泵、采煤支架液控闸阀组件、工作面测压仪表等等。34 降低工作场所能见度，增加工伤事故的发生：在一些综采工作面割煤时，工作面煤尘浓度高达4000-8000mg/m3，工作面能见度极低，往往会导致人员误操作或不能及时发现事故隐患，增加了发生人身事故的可能性。4防尘技术研究 多年来，煤矿防尘问题一直是煤矿通防安全管理的重点和难点，煤矿粉尘的危害极大，不仅可以造成职工的尘肺病，影响职工的身体健康，同时还会发生煤尘爆炸，造成大量人身伤亡和财产损失。煤矿粉尘是影响矿井安全生产，危害职工健康的主要灾害之一。随着采掘机械化水平的不断提高和煤矿开采强度的不断增大，加之生产的高度集中，导致井下粉尘问题更加突出，据测定综采工作面采煤机割煤时，司机及下风侧l0m 处人行道的瞬时原始总粉尘浓度曾达到2000-4000mg/m3，特别是综合机械化放顶煤的开采，由于开采强度大，产尘源多(比一般综采增加放煤口和放煤溜子等产尘点)，粉尘问题越来越严重。我国煤矿不仅发生过数十次煤尘爆炸事故，造成数千人死亡，而且更严重的是导致矿工患尘肺病，造成严重的经济、社会影响。因此，研究开发和控制综放工作面粉尘新技术，加大我国煤矿综合防尘的力度，改善矿工的作业环境，具有重要的现实意义。按照国内综放面粉尘防治技术机理的不同，大体可将综放面防尘技术措施分为减尘、降尘、排尘、除尘和个体防护（阻尘）措施5类： (1) 减尘措施：a 煤层注水；b 采空区及巷道灌水；c 选择适宜的放煤方法和 放煤参数，改进放煤工艺；d 改进采煤机切割机构及选择合理截割参数。 (2) 降尘措施：a 采煤机内外喷雾；b 架间及放煤口自动喷雾；c 运输设备转载点及装载点喷雾洒水；d 防尘用水中添加湿润剂；e 喷雾泡沫降尘；f 喷雾水幕净化风流。 (3) 排尘措施：a 综放面采用W型、E型通风系统或U型顺流（下行）通风系统，选择最佳排尘风速；b 隔尘措施，例如采煤机安设纵向隔尘帘幕、回风巷切口风帘、破碎机密封罩等。 (4) 除尘措施：包括干式捕尘器、湿式除尘器、过滤式除尘器等。 (5) 个体防护：如工人戴防尘口罩、防尘面罩、防尘矿帽等。现将几个重要的防尘措施加以探讨：41 综放工作面煤层注水 煤层注水是国内外公认的减少粉尘产生的较好技术措施，尤其是对综采放顶煤工作面，还具有软化煤体（f3的硬煤），减少跨落煤中的大块，提高煤炭回收率的作用。但是，将一般在普通综采面应用的煤层注水技术，应用在综采放顶煤的厚煤层中，则达不到湿润顶煤的作用，因此，对注水工艺必须作适当的改进；再者，对孔隙率较低的难注水煤层，在工作面原始应力带注水，水难以注入煤体，不容易达到理想要求，必须对注水工艺进行改进。（图1）为了使综放面厚煤层中顶层煤炭得到较好的湿润，采用了双向扇形铝孔布置（工业性试验中利用了原顶部煤中所掘的巷道)和三巷钻孔长钻孔静压注水的方式。由于在试验工作面上煤的自然孔隙率仅为2.76， 透水性系数仅为0.01536，属难注水煤层， 在原始应力区注水是难以取得较理想的注水效果的。因此，决定在工作面的动压区利用矿山压力所致的次生裂隙进行煤层注水。根据试验工作面矿山压力观测及顶板位移规律资料的分析，回风巷在靠工作面一端60m左右范围内，进风巷靠工作面35m左右范围内，受矿压及顶板位移影响，煤层中存在较发育的次生裂隙，煤层的渗透性大大提高，并可降低注水压力。决定注水区域在距工作面(3540)m开始注水，距工作面(56)m停止注水，注水时间约8天。注水系统主要由注水流量表、分流器、高压阀门、注水管、封孔器等组成。注水中有关注水的一些参数分别由以下公式确定。单孔注水量由（1）式确定 （1）式中，Q单孔注水量，m3；K注水系数，取K1.1；L钻孔长度，m；B钻孔间距，m；h钻孔范围内应湿润的煤层厚度，m；煤的密度，t/m3；吨煤注水量，m3/t，取0.025m3/t。通过计算，回风巷上孔注水量Qs127m3，每个下孔注水量Qx104m3， 进风巷每个钻孔注水量Qj166m3。注水压力 按（2）式确定 （2）式中，Pz煤层注水压力，MPa；Pw煤层瓦斯压力，MPa；Pf上覆岩层压力及煤层剪切强度之和，MPa。试验矿井鲍店煤矿防尘用水静压在(3.04.0)MPa之间，能满足上述要求。注水时间按（3）式进行计算 （3） 式中，T总注水时间，d；D开始注水时钻孔距工作面距离，35m；d结束注水时钻孔距工作面距离，5m；i工作面日推进度，按设计，取i3.6m/d。通过计算，T8.3d。单孔注水流量按（4）式计算: （4） 式中，q单孔注水流量，l/min。通过计算，回风巷上孔qs11l/min，下孔qx9l/min，进风巷钻孔qj14l/min。工作面注水后煤的实际水份增量达到了(1.41.8)，注水增量一般大于1即有较好的防尘效果。煤层注水的降尘及软化顶煤的效果是显著的。若实施得好，可以使总粉尘少产生85%以上，而呼吸性粉尘就少产生40%60%。对于以上提到的其他功能效果亦较显著。42 采煤机径向雾屏及液压支架探梁辅助喷雾降尘 采煤机割煤过程是综放工作面的主要产尘尘源，约占综采放顶煤工作面产生总粉尘的60。采煤机处于综放工作面主风流中，采煤机滚筒割煤产生的粉尘极易随风流向人行道方向扩散，污染作业环境。为此，在滚筒摇臂靠人行道一侧设一组构成一弧形的喷嘴组，当喷雾时，在滚筒靠人行道一侧形成一道径向喷雾屏障。同时，在液压支架探梁上设喷嘴，在采煤机部位开启这些喷嘴进行喷雾，在采煤机上方形成第二道喷雾屏障。此外，在采煤机两个端头各设两个喷嘴，在采煤过程中，作为第二道雾屏的延伸，起到控尘降尘的作用。这两道喷雾屏障既可防止粉尘向人行道方向扩散，又可以起到降尘的作用。为了使采煤机径向雾屏及液压支架探梁辅助喷雾降尘设施达到较好的控尘、降尘目的，除了喷嘴要合理布置外，还必须选择适用的有良好喷雾特性的喷嘴。为此，进行了大量的实验室试验。在此基础上，采煤机径向雾屏选用了NPB1型喷嘴，采煤机端头选用了WPB型空心锥形喷嘴，支架探梁辅助喷雾选用了SD304型实心锥形喷嘴。此外，在采煤机喷雾降尘的设计中，还需对喷雾降尘使煤水分的增加量进行估算，以避免由于水分增量过大使煤的水分超标而影响经济效益（水分超标，售价将降一个等级）。设采煤机喷雾水压为1.5MPa时，喷雾用水量为Qs1，则284.0l/min （5）式中，n1采煤机一个滚筒内喷嘴数，n148；n1采煤机一个滚筒摇臂雾屏喷嘴数，n19；n2采煤机端头外喷嘴数, n24；n3支架探梁辅助喷嘴数，n35；q1NPB1型喷嘴在水压为1.5MPa时的流量，q12.1l/min；q2WPB型喷嘴在水压为1.5MPa时的流量，q25.6l/min；q3SD304型喷嘴在水压为1.5MPa时的流量，q34.4l/min。采煤机单位时间采煤量按（6）式计算10.2t/min （6）式中，Q1每分钟的割煤量，t；H采煤高度，H2.8m；Vq割煤时的平均牵引速度，Vq4.0m；B滚筒的截深，B0.65m；煤的实体密度，1.4t/m3。采煤机割煤过程中，因喷雾而造成水分增量可按（7）式计算 （7）式中，Wz1每吨煤增加水分的重量百分比；k喷雾水浸入底板等的损失系数，取k0.15。煤的平均原始水分为2.5左右，从水分的增量看， 上述采煤机喷雾降尘设计方案的喷雾水分量不会使煤的水分含量超标。经实施上述方案，采煤机司机处平均降尘率达到了82.6； 采煤机下风(1015)m处平均降尘率达到81.7。 43 液压支架移架和放煤自动喷雾降尘 液压支架移架和放煤是综放工作面的两个主要产尘尘源，约占综放面粉尘产出量的30左右，亦是综放工作面防尘的重点之一。液压支架移架产尘的特点是，只在移架作业（降柱、拉架、升柱）过程中产尘，产尘时间极短；产尘部位主要在液压支架架间，尤其在液压支架前半部，处在工作面采场主风流中，产生的粉尘在风流作用下极易扩散。放煤口放煤产尘的特点是，主要在放煤作业时产尘，尤其在放煤初始阶段产尘量大；产尘部位在液压支架后部刮板运输机处；支架后部由于受到支柱、四连杆、高压软管等支架零部件阻碍与支架前部主风流相比风速较小，但在后部刮板输送机处有一较宽阔的连通空间，放煤时产生的粉尘如未被沉降，易随风流沿此通道向下风邻架扩散。图2液压支架喷雾示意图根据液压支架移架、放煤产尘的特点，在设计方案中，有针对性地采取以下技术措施：第一，设计一种自动喷雾控制阀，使液压支架移架和放煤的喷雾降尘与操纵液压支架动作的液压系统联动，实现自动喷雾降尘，即实现作业产尘时自动喷雾降尘，移架和放煤结束自动停止喷雾降尘；第二，在喷雾系统中增加一个组合五通阀，可以实现本架移架自动喷雾下风邻架同时自动喷雾，使得下风邻架扩散的粉尘被二次喷雾降尘，可提高喷雾降尘效果；第三，设计磁化喷嘴，使水磁化，改善水雾的物理特性，提高水雾对粉尘的捕获能力。上述技术措施经过工业性试验，取得了很好的效果，喷雾系统管路得到了简化，下风邻架同时喷雾能够实现；液压支架移架降尘率达到了81。44 采煤机负压二次防尘 采煤机负压二次降尘是利用喷吸装置向尘源区域喷射雾流降尘，与此同时，在喷吸装置内部的射流后方形成负压区，将喷吸装置尾部降压场内的含尘空气吸入并通过喷吸装置再喷射出去，在这一过程中将煤尘捕捉下来。这种降尘方法的降尘效果与雾流参数、负压强度、吸入空气量、吸气口负压场范围、工作区风速及方向等因素有关；对喷吸装置而言，则与装置的结构、尺寸、安装位置、方向、喷嘴形式、喷口尺寸、喷雾压力及流量等因素有关。采用负压二次降尘技术应结合现场条件进行技术设计，以达到最佳降尘效果。45 破碎机及转载点的降尘措施和降尘效果 破碎机降尘，采用将尘源密闭、压气喷雾控尘降尘的方法，喷雾水压力2.0MPa，压缩空气压力为0.4MPa，喷雾水流量为7.9l/min，也取得了较好的降尘效果，降尘率为85.1。 转载点采用电磁阀控制的自动喷雾降尘，水压为2.0MPa， 选用WPB喷嘴，喷嘴流量为6.2l/min，每个转载点设两个喷嘴。据两个转载点实测降尘效果是：放煤刮板输送机转载点为81.5， 采煤刮板输送机转载点为81。46 气幕阻隔防尘技术根据紊流射流理论及气幕隔尘原理,分析不同