我國綜采放頂煤粉塵控制技術(shù)的研究與發(fā)展

【摘要】較系統(tǒng)地論述了我國目前綜采放頂煤工作面粉塵綜合治理的最新技術(shù)與成果，包括厚煤層注水技術(shù)，采煤機(jī)應(yīng)用外旋雙層霧流罩封塵源除塵技術(shù)，液壓支架和放煤口聯(lián)合自動(dòng)控制噴霧降塵技術(shù)及破碎機(jī)聲波霧化降塵技術(shù)等，并說明其應(yīng)用及效果。根據(jù)現(xiàn)有降塵技術(shù)存在的問題，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際討論其發(fā)展趨勢(shì)。

1 引言

綜采放頂煤采煤技術(shù)，自1984年在我國試驗(yàn)以來，發(fā)展迅速，現(xiàn)有近30個(gè)礦務(wù)局的70余個(gè)煤礦，并將其作為今后高產(chǎn)高效工作面發(fā)展的重點(diǎn)與方向。放頂煤采煤法具有高產(chǎn)、高效、低耗、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，從試驗(yàn)、采用至今，已取得很好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(huì)影響其發(fā)展前景。

綜采放頂煤開采的安全問題之一是粉塵問題。由于綜放面比普通綜采增加了放煤口和放煤溜子轉(zhuǎn)載點(diǎn)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(xì)粉塵排入大氣，污染大氣環(huán)境，破壞生態(tài)平衡等。因此搞好綜放面的粉法治理非常重要。

綜放工作面的塵源主要有：采煤機(jī)割煤塵源、放煤塵源、移架塵源、放煤溜子和采煤溜子轉(zhuǎn)載點(diǎn)塵源、破碎機(jī)塵源等。在這些塵源中，產(chǎn)塵量比較大的是采煤機(jī)割煤、放煤和破碎機(jī)破碎煤等塵源。由于破碎機(jī)可用機(jī)械方式罩封防止粉塵的擴(kuò)散，再實(shí)施噴霧或抽塵凈化等降塵，能取得較好的降塵效果。采煤機(jī)割煤和放煤塵源，一方面因隨時(shí)移動(dòng)無法罩封塵源，另一方面兩者均處于較高速風(fēng)流中，粉塵易擴(kuò)散飛揚(yáng)，最難控制，是治理的難點(diǎn)，而產(chǎn)塵最大的還是采煤機(jī)塵源。綜放工作面塵源多，產(chǎn)塵強(qiáng)度大而不集中，因此，必須實(shí)施綜合防塵技術(shù)才能有效控制粉塵，減少其危害。

2 綜放工作面綜合防塵技術(shù)

綜放工作面綜合防塵技術(shù)，主要包括減少粉塵產(chǎn)生、防止粉塵擴(kuò)散及降除塵等，即煤層注水預(yù)濕煤體減少粉塵產(chǎn)生的技術(shù)、采煤機(jī)用外旋雙層霧流罩封塵源的高效除塵技術(shù)、轉(zhuǎn)載點(diǎn)及破碎機(jī)聲波霧化降塵技術(shù)。

2.1 厚煤層注水預(yù)濕煤體減少粉塵產(chǎn)生

煤層注水是通過鉆孔并借助于水的壓力，將水注入即將回采的煤層中，使煤體得到預(yù)先濕潤，增加煤體水分，減少采煤時(shí)粉塵產(chǎn)生量。煤層注水是采煤工作面基本的有效的防塵技術(shù)。其水分的增加，可減少煤礦井下、井上各個(gè)環(huán)節(jié)的粉塵產(chǎn)生量。煤層注水還可預(yù)防沖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(zāi)害，提高工效的綜合性技術(shù)措施。因此，只要條件具備應(yīng)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(jī)量

放頂煤開采一般都是在煤層大于5m的條件下實(shí)施的。因此，其滲流不同于薄煤層及中厚煤層。而薄及中厚煤層用二維滲流方程就能滿足實(shí)際要求。對(duì)厚及特厚煤層，由于在垂直于頂?shù)装宸较蛏厦簩雍穸容^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(dòng)能較小，可忽略動(dòng)能的影響）；

，，-導(dǎo)水系數(shù)張量的分量（這里設(shè)坐標(biāo)軸的方向與導(dǎo)水系數(shù)張量的主方向一致）；

S-裂隙-孔隙的貯水系數(shù)；Q-源匯項(xiàng)（注水對(duì)控制體內(nèi)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(shí)間內(nèi)從大裂隙進(jìn)入單位體積組合孔隙的水量；

Q1 -由死端、微孔隙水的毛細(xì)和擴(kuò)散作用引起控制體內(nèi)水量的變化，主要與液體及孔隙的性質(zhì)有關(guān)，而與裂隙與孔隙間的壓差關(guān)系不大。

其中毛細(xì)運(yùn)動(dòng)增加的水分為：

（2）

式中，(m -毛細(xì)運(yùn)動(dòng)系數(shù)，，其中為毛細(xì)運(yùn)動(dòng)最大的孔隙半徑；

(為液體表面張力系數(shù)，(，(為液體的動(dòng)力粘度，(H為液體的密度。

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增加的水分為：

（3）

式中，(k -擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)系數(shù)；

a-在給定時(shí)間內(nèi)由一分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使微孔隙中水分增加而充填孔隙的系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。它與孔隙、液體的性質(zhì)有關(guān)。

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(xì)和分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相吻合。

2.1.2 厚及特厚煤層注水鉆孔布置及封孔

厚及特厚煤層注水的鉆孔布置，因煤層厚度較大，在煤層厚度方向上，如果還采用平行于底板或頂板布置一個(gè)鉆孔的方式，頂部煤層就不能得到充分濕潤，因此，應(yīng)采用在平行于工作面的斷面上布置一組扇形鉆孔的方式（鉆孔間為了打鉆施工的方便和鉆孔間不串水，應(yīng)錯(cuò)開一較小的距離，一般為1～1.5m）。根據(jù)有無頂板巷及頂板巷的位置不同，則有：無頂板巷雙向扇形鉆孔布置、無頂板巷單向扇形鉆孔布置、頂板巷靠工作面一邊的對(duì)鉆扇形鉆孔布置、頂板巷在工作面中間的組合式鉆孔布置。

此外，還可從以上四種鉆孔布置方式中演化出多種鉆孔布置。在實(shí)際應(yīng)用中的選擇，在有頂板巷的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用在頂板巷打鉆孔注水的方式，這樣不僅有利于鉆孔施工，不影響生產(chǎn)，還有利于充分濕潤頂煤。若無頂板巷，應(yīng)優(yōu)先選用雙向扇形鉆孔布置。如果巷道空間不允許，最后選用單向扇形鉆孔布置方式注水。

對(duì)于厚及特厚煤層的注水，其封孔與薄及中厚煤層亦有所不同，這是由其鉆孔布置方式不同所決定的。封孔時(shí)應(yīng)盡量用水泥砂漿或石膏水泥漿封孔，這樣便于提高封孔質(zhì)量。對(duì)于扇形鉆孔的布置方式，由于鉆孔間距較近，為防止其間串水，封孔深度最好大于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(shí)施得好，可以使總粉塵少產(chǎn)生85%以上，而呼吸性粉塵就少產(chǎn)生40%～60%。對(duì)于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(duì)高效采煤同除塵

前面說過，采煤機(jī)采煤，是綜放工作面產(chǎn)塵最大且最難控制的塵源。由于其隨時(shí)移動(dòng)并處于風(fēng)流之中，粉塵易于擴(kuò)散飛揚(yáng)。目前我國采用的降塵措施有：

（1）采煤機(jī)含塵氣流控制降塵技術(shù)。其特點(diǎn)是在采煤機(jī)搖臂、機(jī)身安裝噴嘴，并在采煤機(jī)兩個(gè)端頭安裝分流臂（上面安有噴咀），通過合理布置噴嘴的位置、角度及正確選擇其流量等參數(shù)，而將采煤機(jī)粉塵引向煤壁，減少對(duì)司機(jī)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(jī)高壓噴霧降塵系統(tǒng)。是指在采煤機(jī)上布置兩個(gè)或多個(gè)高壓噴頭，在水壓高于7.5Mpa的壓力下，對(duì)兩個(gè)滾筒實(shí)施高壓噴霧降塵，其總粉塵降塵率達(dá)85%以上（呼吸塵50%以上）。在使用中發(fā)現(xiàn)其有以下一些問題：第一高壓水源難以解決，現(xiàn)在供高壓水方式是在軌道巷安設(shè)高壓噴霧泵，經(jīng)管路到達(dá)工作面，再經(jīng)電纜槽送到采煤機(jī)。第二由于水壓較高（要求到達(dá)采煤機(jī)高壓噴頭噴霧的水壓力不小于7.5Mpa，管道中的壓力會(huì)更高），曲率半徑大，易于損壞電纜夾及其中的其他設(shè)施。并且高壓膠管的來回拖動(dòng)很危險(xiǎn)，高壓水管易于破裂，造成事故。另外高壓噴霧霧粒細(xì)，加之采煤機(jī)塵源處于較高速的風(fēng)流中，微細(xì)水粒與呼吸塵結(jié)合后增重不夠，不會(huì)馬上沉降又被風(fēng)流吹散蒸發(fā)，降低對(duì)呼吸性粉塵的降塵效果。

根據(jù)以上采煤機(jī)噴霧降塵技術(shù)的特點(diǎn)，筆者研制出了外旋雙（多）層霧流罩封塵源高效除塵裝置（獲國家專利，其專利號(hào)為：95241746.4），用于采煤機(jī)，效果顯著。此外，該裝置還可用于煤礦井上、井下、冶金礦山、隧道、車站港口卸煤處、火力發(fā)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(jié)構(gòu)原理、性能及應(yīng)用效果

該裝置主要由動(dòng)力部分、旋轉(zhuǎn)體、外殼、法蘭、進(jìn)水接頭、噴頭等組成。其高效除塵原理為：當(dāng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)外層霧流進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成外層高速旋轉(zhuǎn)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(kuò)散，同時(shí)內(nèi)部噴嘴噴出的細(xì)霧亦高速旋轉(zhuǎn)，兩者的共同作用引射粉塵在罩封水幕內(nèi)與細(xì)霧粒一同旋轉(zhuǎn)，粉塵、霧粒相互碰撞、濕潤、粘合，而將粉塵除去。傳統(tǒng)的噴霧由于粉塵與細(xì)霧粒的碰撞機(jī)率和時(shí)間較小，某些微細(xì)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(fēng)流帶走，懸浮于空氣中，時(shí)間長了水被蒸發(fā)而不能充分捕集呼吸性粉塵。在該裝置中，由于外旋霧流和內(nèi)部噴咀噴出霧粒的高速旋轉(zhuǎn)的引射卷吸作用，使旋轉(zhuǎn)霧流內(nèi)部形成較強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，被罩封的粉塵，基本不受外界風(fēng)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(duì)呼吸性粉塵的降塵率尤為顯著。

因其結(jié)構(gòu)原理決定了該裝置有以下特點(diǎn)：

（1）解決了一些塵源，特別是移動(dòng)塵源，處于風(fēng)流中無法用機(jī)械方式罩封，粉塵易于擴(kuò)散的問題。對(duì)產(chǎn)塵源若能罩封，再實(shí)施降塵，一般都能取得較理想的降塵效果，其優(yōu)于機(jī)械罩封之處在于：一不影響生產(chǎn)，二罩封范圍內(nèi)是負(fù)壓。

（2）同樣壓力霧粒細(xì)（旋轉(zhuǎn)多次破碎），射程遠(yuǎn)，覆蓋范圍大，有軸向和周圍方向的雙向引射，引射力強(qiáng)，不易被風(fēng)流吹散。

（3）霧粒粒度分布范圍廣，符合最佳噴霧降塵理論。

（4）細(xì)霧粒與粉塵的結(jié)合物，由于在外部旋轉(zhuǎn)水幕的罩封罩內(nèi)，不受外部風(fēng)流影響，不易蒸發(fā)。

（5）由于外層霧流及內(nèi)層霧粒的高速旋轉(zhuǎn)，使外層旋轉(zhuǎn)噴霧所罩封范圍內(nèi)，形成較強(qiáng)負(fù)壓區(qū)，粉塵不易擴(kuò)散出來，同時(shí)內(nèi)部水霧的旋轉(zhuǎn)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(zhì)量輕，性能可靠，性能價(jià)格比優(yōu)，耗水量小，但在易片幫的工作面要注意保護(hù)，以免砸壞。

其性能參數(shù)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(zhuǎn)水幕內(nèi)的負(fù)壓等參數(shù)。見表1所示。

表 外旋雙層霧流罩封塵源除塵裝置，在采煤機(jī)上安裝使用，其對(duì)總粉塵的降塵率一般達(dá)90%以上，有的高達(dá)96%，對(duì)呼吸性粉塵的降塵率達(dá)70%～80%。 2.3%20%20液壓支架和放煤口設(shè)自動(dòng)噴霧降塵 2.3.1%20%20自動(dòng)噴霧控制閥及其噴霧系統(tǒng) 放煤口和移架自動(dòng)噴霧，是指在液壓支架上安裝噴霧控制閥，當(dāng)降柱和放煤時(shí)，通過支架的液壓系統(tǒng)輸送給控制閥一液壓信號(hào)，控制閥水路開啟實(shí)現(xiàn)噴霧降塵；在移架和放煤過程中繼續(xù)噴霧；當(dāng)升柱和關(guān)閉放煤口時(shí)，支架的液壓系統(tǒng)又輸送給控制閥一信號(hào)，關(guān)閉水路信止噴霧，從而實(shí)現(xiàn)放煤和移架的自動(dòng)噴霧降塵。該閥是既可控制移架又可控制放煤的自動(dòng)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(shí)自動(dòng)噴霧控制粉塵的情況%20，分別對(duì)放煤工處，放煤口下風(fēng)流7m人行道及移架下風(fēng)流7m人行道處的降塵效果進(jìn)行了考察，放煤及放煤口下風(fēng)流7m人行道處的總粉塵降塵率達(dá)85%左右，呼吸塵降塵率達(dá)60%～70%。 2.4%20%20破碎機(jī)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(dāng)適當(dāng)開啟水閥和壓氣閥后，聲波霧化噴嘴開始工作，由于壓氣驅(qū)動(dòng)聲波霧化噴嘴的聲波發(fā)生器產(chǎn)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(xì)霧粒，這些粒度很小。密度大的霧粒充滿破碎機(jī)的整個(gè)空間，提高了霧粒與粉塵