东滩煤矿综合防尘关键技术及监测管理研究.pdf

分类号分类号TD714 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 10424 10424 学学 位位 论论 文文 东滩煤矿综合防尘关键技术及监测东滩煤矿综合防尘关键技术及监测 管理研究管理研究 宋海洲宋海洲 申请学位级别申请学位级别 硕士学位硕士学位 专业专业名名称称 工程管理工程管理 指导指导教师姓名教师姓名 周周 刚刚 职职 称称 教教 授授 副副指导教师姓名指导教师姓名 李继良李继良 职职 称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一九年十月二零一九年十月 万方数据 论文题目论文题目 东滩煤矿综合防尘关键技术及监测东滩煤矿综合防尘关键技术及监测 管理研究管理研究 作者姓名作者姓名 宋海洲宋海洲 入学时间入学时间 2017 年年 9 月月 专业名称专业名称 工程管理工程管理 研究方向研究方向 企业安全管理企业安全管理 指导教师指导教师 周周 刚刚 职职 称称 教教 授授 副指导教师副指导教师 李继良李继良 职职 称称 高高级工程师级工程师 论文提交日期论文提交日期2019 年年 10 月月 论文答辩日期论文答辩日期2019 年年 11 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 Research on Key Technology Equipment and management system of comprehensive dust control in Dongtan Coal Mine A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING MANAGEMENT from Shandong University of Science and Technology by Song Hai-zhou Supervisor Professor Zhou Gang Vice-supervisor Senior EngineerLi Ji-liang College of Mining and Safety Engineering October 2019 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公认东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经标明的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经标明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 矿井粉尘作为煤炭生产加工过程中的必然产物，是导致矿井生产灾害的主要 原因之一，它也是危害员工职业健康的重要因素。针对东滩煤矿现有开采矿井中 粉尘浓度大，除尘效率低的特点，采用理论分析、实验室研究和现场观测相结合 的方法，对实验数 据和现场实测数据进行定性、定量分析。通过研究，形成一套 集综采综放防尘、综掘防尘、锚喷除尘及防尘设备远程在线监控于一体的煤矿综 合防尘成套关键技术及装备；同时，进一步完善煤矿防尘管理制度。 本文确定了矿井工作面的产尘环节，首先对综放工作面产尘机理进行分析， 基于喷雾降尘方式的选择和煤层注水参数的优化，并对转载点及破碎机处的粉尘 进行防治，研发综放工作面粉尘防治技术装备；其次，通过分析综掘工作面及锚 喷面的产尘原理，采用长压短抽式通风装备和新型湿喷机对综掘面、锚喷面的粉 尘进行治理；然后对粉尘浓度及防尘设备远程在线监测监控系统进行研究，研发 了粉尘浓度超限喷雾降尘装置，并且通过矿井监测网络，可将监测数据上传至地 面，从而实现粉尘浓度在线监测监控；最后，对东滩煤矿的粉尘管理制度进行了 分析和研究，明确了管理责任制和管理制度。 通过对东滩煤矿采掘工作面进行控除尘技术装备的应用，其工作面司机处总 粉尘浓度控制在 10 mg/m3以下，呼吸性粉尘时间加权平均浓度控制在 5 mg/m3以 下；掘进工作面司机处总粉尘浓度控制在 10 mg/m3以下，呼吸性粉尘时间加权平 均浓度控制在 3.5 mg/m3以下，粉尘浓度得到有效控制。 关键词关键词综合防尘；关键技术；装备研究；安全管理 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II Abstract As an inevitable product in the process of coal production and processing, mine dust is one of the main causes of mine production disasters, and it is also an important factor that endangers the occupational health of employees. According to the characteristics of high dust concentration and low dust removal efficiency in the existing mining mines of Dongtan coal mine, the experimental data and field measured data are analyzed qualitatively and quantitatively by the of theoretical analysis, laboratory research and field observation. Through the research, a set of key technologies and equipment of coal mine comprehensive dust prevention is ed, which integrates the dust prevention of fully mechanized caving, fully mechanized excavation, bolting and shotcreting, and remote online monitoring of dust-proof equipment. At the same time, the management system of coal mine dust prevention is further improved. In this paper, the dust producing links of mine working face are determined. First, the dust generation mechanism of fully mechanized top coal caving face is analyzed. Based on the choice of spray dust reduction and the optimization of coal seam water injection parameters, the dust of the reloading point and the crusher is controlled, and the technical equipment for dust prevention and control is developed. The exhaust ventilation equipment and the new wet spraying machine are used to treat the dust of the fully mechanized excavation face and the anchor spray surface. Then, the dust concentration and the remote on-line monitoring and control system of the dust-proof equipment are studied, and the dust concentration overrun spray dust reduction device is developed. The monitoring data can be uploaded to the ground through the mine monitoring network so as to realize the on-line monitoring and monitoring of the dust concentration. The dust management system of the mine is analyzed and studied, and the management responsibility system and management system are defined. Through the application of dust control technology and equipment in Dongtan coal mine, the total dust concentration at the drivers side of the working face is controlled below 10 mg/m3, the time weighted average concentration of respirable dust is controlled below 5 mg/m3; the total dust concentration at the drivers side of the driving face is controlled below 10 mg/m3, the time weighted average concentration of respirable dust is controlled below 3.5 mg/m3, and the dust concentration is obtained To 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III effective control. Keywords Comprehensive Dustproof; Key technology; Equipment research; Safety management 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要ⅠⅠ 目目 录录ⅣⅣ 1 绪论绪论1 1.1 课题的提出1 1.2 国内外研究现状2 1.3 研究的主要内容、方法和技术路线5 2 综放面产尘机理及粉尘综合防治关键技术及装综放面产尘机理及粉尘综合防治关键技术及装备研究备研究8 2.1 综放工作面产尘机理研究8 2.2 喷雾降尘机理及影响因素分析8 2.3 综放工作面高效喷雾降尘技术研究10 2.4 煤层注水降尘关键技术及装备12 2.5 其它地点粉尘防治设施与技术研究16 2.6 本章小结17 3 综掘面和锚喷面产尘机理及综掘面和锚喷面产尘机理及粉尘综合防治关键技术及装备研究粉尘综合防治关键技术及装备研究18 3.1 综掘工作面产尘机理研究18 3.2 可控大风量长压短抽通风控尘降尘技术研究18 3.3 可控大风量长压短抽通风控尘降尘关键装备研制20 3.4 锚喷作业产尘机理23 3.5 湿式喷浆技术及装备研究24 3.6 本章小结29 4 设备远程在线监测监控系统及管理制度研究设备远程在线监测监控系统及管理制度研究30 4.1 系统总体方案设计30 4.2 粉尘浓度超限喷雾降尘技术研究31 4.3 主要组成部件设计研究35 4.4 主要特点及参数38 4.5 矿井粉尘管理制度研究39 4.6 小结46 5 结论结论47 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 参考文献参考文献49 致谢致谢53 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Contents AbstractⅡⅡ ContentsⅥⅥ 1 Introduction1 1.1 Proposal of the subject1 1.2 Research status at home and abroad2 1.3 Main contents, s and technical routes of the research5 2 Study on the mechanism of dust production and key technology and equipment of comprehensive dust control in fully mechanized top coal caving face8 2.1 Study on the mechanism of dust production in fully mechanized top coal caving face8 2.2 Mechanism and influencing factors of spray dust suppression8 2.3 Study on high efficiency spray dust reduction technology in fully mechanized top coal caving face10 2.4 Key technology and equipment of coal seam water injection to reduce dust12 2.5 Dust control facilities and technology research in other places16 2.6 Summary17 3 Study on the mechanism of dust production and the key technology and equipment of dust comprehensive prevention and control in fully mechanized face and bolting and shotcreting face18 3.1 Study on the mechanism of dust production in fully mechanized face18 3.2 Study on dust control and dust reduction technology with controllable large air volume, long pressure and short extraction ventilation18 3.3 Development of key equipment for controlling dust and reducing dust with controllable large air volume, long pressure and short extraction ventilation20 3.4 Mechanism of dust production in shotcreting23 3.5 Research on wet spraying technology and equipment24 3.6 Summary29 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 4 Research on remote online monitoring system and management system of equipment30 4.1 Overall scheme design of the system30 4.2 Study on spray dust control technology of dust concentration exceeding limit31 4.3 Research on the design of main components35 4.4 Main features and parameters38 4.5 Study on the management system of mine dust39 4.6 Summary46 5 Conclusion47 Reference49 Thanks53 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出课题的提出 我国是世界上最大的煤炭生产国和煤炭消费国，目前已形成了以煤炭为主体， 电力为中心，油气、新能源全面发展的能源结构格局。2017 年国民经济和社会发 展统计公报显示，2017 年中国煤炭消费量增长 0.4，占能源消费总量的 60.4， 比上年仅下降 1.6 个百分点[1]，这是自 2013 年中国对污染宣战以来煤炭消费量的 首次增长，由此表明煤炭在较长的发展阶段中仍旧会作为我国能源结构的主体。 随着自动化采掘技术的大力推行和开采深度的不断增加，矿井灾害问题日益突出， 尤其是采掘过程中产生的粉尘量不断增加，严重威胁着矿井的安全生产和矿工的 生命健康[2]。 矿井粉尘的危害性主要表现在两个方面 一是煤尘的自燃性和爆炸性，中国煤矿煤尘爆炸危险普遍存在，危害严重。 煤尘有爆炸性，无烟煤矿采煤工作面的煤尘除个别情况外大多数属于无爆炸性煤 尘，而烟煤、褐煤煤矿采煤工作面产生的煤尘均属爆炸性粉尘。煤的炭化程度越 低、挥发分越高，煤尘的爆炸性就越强。具有煤尘爆炸危险的煤矿都有发生特别 重大煤尘爆炸事故的可能，因此矿井粉尘被列为煤矿五大自然灾害之一[3]。2002 年原国有重点煤矿有 532 处矿井煤尘有爆炸危险，占 87.4。小煤矿中 91.35煤 矿的煤尘具有爆炸危险，其中高达 57.71的具有强爆炸性，煤尘爆炸及瓦斯爆炸 时参与煤尘爆炸所造成的重大特大事故占煤矿事故的很大比重。2005 年 11 月 27 日，黑龙江省龙煤集团七台河分公司东风煤矿发生一起特大煤尘爆炸事故，至 12 月 4 日救援工作结束，此次矿难共造成 171 人遇难，其中包括 169 名井下遇难矿 工和 2 名地面工作人员。2006 年 2 月 23 日，山东枣矿集团联创公司原陶庄煤矿 发生一起煤尘爆炸特大事故，在现场施工的 27 人中，15 人死亡，12 人受伤。2010 年 4 月五日美国弗吉尼亚州 Upper Big Branch Mine 煤矿发生了瓦斯煤尘爆炸，29 人死亡，2 人受伤。2012 年 5 月 15 日，新疆奎屯市发生一起煤矿煤粉尘爆炸事故， 6 人死亡[4, 5]。 粉尘的另一大危害，煤炭生产过程产生粉尘中的微细颗粒粉尘可以较长时间 在生产环境中飞扬和悬浮，工人在工作中长期吸收生产性粉尘，并沉积在肺部的 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 细小支气管及肺泡里，这些沉积在肺内的粉尘，与肺组织的细胞发生一系列的生 理、病理变化，使肺组织逐渐发生纤维化[6-8]。当纤维化病变发展到一定程度时， 可导致人体呼吸功能的障碍，这种由煤矿生产性粉尘导致工人肺部发生纤维化病 变的疾病，称为煤工尘肺[9]。尘肺病作为煤炭行业的一类多发职业病，是一种“隐 性”矿难和“隐形杀手”，较之瓦斯爆炸等“显性”矿难更具有杀伤力，它损害的群体 更多、更广，潜在的危害性更重，破坏性更强。煤矿尘肺病的发病情况十分严重， 据统计，死于尘肺病的患者是矿难和其他工伤事故死亡人数的 6 倍之多。例如 山西省累计查出煤矿尘肺病患者 3.6 万名，约占全省总人口的千分之一[10, 11]。根据 最近几年的职业病统计结果显示，在所有尘肺病患者中煤矿工人的发病人数约占 总体的 40以上[12-14]。 同时，煤矿粉尘自身的理化特性导致其在具有爆炸危险性的同时，对仪器设 备的使用寿命和精度带来较为严重的影响，同时降低生产现场可见度、容易自燃， 威胁着矿井的安全生产和矿工的身心健康[15]。 本课题结合兖矿集团有限公司所属煤矿具体条件，在现有防尘技术及装备的 基础上，以采掘工作面的粉尘治理为研究重点，通过对目前存在的一系列关键技 术问题进行攻关，将东滩煤矿建成世界一流的综合防尘示范矿井，为全国煤矿防 尘工作提供范例。为有效遏制尘肺病的发生，保障职工身体健康，让煤矿职工能 有尊严地体面地工作，彻底甩掉“煤黑子”的形象，提供示范。必将对提高煤矿的防 尘技术水平，有效控制粉尘职业危害问题具有重大的现实意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国国外外研究现状研究现状 美国煤矿井下防尘采取综合措施[16]，从巷道布置、采煤工艺等方面就对防尘 有充分的考虑，在此基础上，结合先进的控尘、除尘措施，减少作业人员的接尘 强度， 避免产生尘肺病。 美国煤矿井下一般将采煤工作面的风速控制在 2.0～2.3 m/s 之内，这样的风速既能有效排尘，又能避免粉尘二次飞扬，同时辅以挡风帘进行 风流调节；开采前进行煤层注水，要求煤体的水分含量不得低于 4；采煤机割煤 时采取内外喷雾控尘、降尘；在支架的顶部和侧面均布置一定数量喷嘴，减少移、 降架产尘，同时，在支架顶梁底面安装喷雾，形成一个移动式水帷幕，以控制上 滚筒和下滚筒区域的粉尘；破碎机采用全密闭方式，在密闭罩内设置多道低压大 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 流量喷雾水幕；皮带防尘采取低压大流量喷雾湿润煤，减少运输过程产尘；掘进 工作面防尘采取喷雾降尘和除尘器除尘相集合的方式[17]；在喷雾降尘中添加一定 的化学降尘剂以增加降尘效果；一般采用个体采样器进行粉尘采样。美国综合机 械化长壁开采时，在采取综合防尘措施后，粉尘浓度经测定达 2.0 mg/m3[18]。 德国煤矿井下的防尘措施有一是在回采工作面采用煤层注水防尘法，一般 采用三种注水方式，即从工作面本身注水，从工作面上、下顺槽注水，从相邻巷 道注水；二是在滚筒采煤机上安装高压内外喷雾洒水装置防尘；三是在刨煤机开 采的工作面采用在刨煤机道上喷雾进行防尘；四是掘进面防尘一般采取抽出式通 风或压抽混合式通风系统，根据需要，选取干式或湿式除尘装置，同时配合附壁 风筒进行控尘；五是使用降尘剂降尘；六是加强个人防护。他们使用阻尘率较高 的一次性防尘口罩，每人每班发一个[19]。 英国政府和煤矿十分重视井下粉尘问题。在矿区都有一套强有力的通风安全 和煤尘控制管理系统，有专职的政府官员和煤尘控制工程师；目前，在英国各类 矿山均采用呼吸性粉尘来监测粉尘危害和作为治理、控制粉尘危害的依据；采取 的降尘措施主要有煤层注水预防可燃煤层的产生；广泛采用以高压喷雾和除尘 器为主的除尘技术措施，清除沉积的煤尘；对沉积的煤尘采用无害的抑制方法， 如洒水、惰性处理或固结，这些措施取得了明显的效果[20, 21]。目前，英国所有的 长壁采煤工作面的煤尘浓度均已下降到 8 mm/m3以下，其中 50％以上的采煤工作 面煤尘浓度在 4 mg/m3以下。英国是世界上研究粉尘监测技术及其危害的发祥地。 英国Rotheroe-Mitchel公司在Simslin测尘仪的基础上发展成的OSIRIS粉尘浓度计 算机监测系统，实现粉尘浓度的连续自动监测[22]。 日本在尘肺防治上投入了大量的精力和金钱，尘肺病得到了很好的控制，在 1970 年后就没有矽肺的新发病例。日本安全生产法律法规完善，详细规定了企业 安全生产标准和要求，基本上实现了有法可依、有章可循[23-24]。 南非学者曾采用离心风机式空气幕，在风机顶部四周开切向出风口，风流从 出风口出来后，形成旋转气流，可有效覆盖巷道断面，对掘进巷道进行封闭控尘。 化学降尘剂方面，应用比较普遍的有南非的 ANTI 型疏水防尘剂[25]。 波兰通过采取涡流风筒控尘，能有效地排除顶板附近聚集的瓦斯，有效抑制 了掘进头粉尘的扩散，同时配合除尘器抽尘净化，能够有效解决掘进面粉尘污染 问题[26-28]。但其安装、操作、运移繁杂，自动控制附属装置较多，不适用于小断 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 面巷道。 从实际应用来看，国外的除尘设备一般体积大、较笨重，但除尘效率高、消 音效果好、处理污染风量大。 1.2.2 国国内内研究现状研究现状 国内在粉尘防治方面也做了大量工作，近十年来取得了很大进展在综采工作面 研究出高压外喷雾降尘技术、尘源跟踪降尘技术、孔口除尘技术及超限喷雾降尘技术 等，使工作面的粉尘浓度降低90以上；在综掘工作面，研究成功高压喷雾降尘技术、 混合式通风除尘技术等；在粉尘监测方面，研究成功粉尘采样器、直读式测尘仪以及 光散射式粉尘浓度传感器等。 煤层注水是普遍采用的粉尘防治措施，它能预先湿润煤体，从而降低截割或 运输时的煤尘产生量。我国煤矿安全规程规定矿井采煤工作面必须实施煤层 注水，但符合特殊条件的工作面可以不实施。目前，我国在煤层注水湿润煤体的 机理、孔隙分布与注水关系、煤层注水渗透特性、煤层注水中添加湿润剂等方面 进行了研究[29]，提出煤层注水的渗透介质模型、可注水孔径范围、湿润剂的选择 方法、煤层注水压力选择等理论及实际应用技术。李晓豁等人对采煤机截割产尘 进行研究，建立了采煤机截割粉尘与截齿排列参数、滚筒结构参数和采煤机运动 参数之间关系的数学模型。 由于采煤机截割产尘是综放工艺中一个主要的产尘点，为了减少截割时的粉 尘生成量，国内在推广应用采煤机内外喷雾措施的同时，研究成功了煤机水力引 射喷雾降尘装置、采煤机负压二次降尘、机载高压荷电喷雾技术，有效地降低了 煤机截割时的煤尘产量[30]。在喷雾降尘方面，我国侧重于研究喷雾降尘自动控制 系统，但在煤矿用喷嘴选型及布置方面研究较少。在抑尘剂研究方面，王海宁[31] 等人首次提出以淀粉接枝丙烯酸盐高倍吸水树脂作抑尘剂，王坪龙、吴超[32]提出 聚丙烯酸钠溶胶吸尘剂、波洛西特洛斯PoloCitrus公司生产了一种用途广泛的表 面抑尘添加剂，中南大学的吴超[33]开发了渣油水乳化液应用于露天矿汽车运输 路面扬尘防治。 我国还在超声波除尘、泡沫除尘、预荷电喷雾、隔尘帘降尘、磁化水降尘等 方面进行了一系列研究，取得了一定的成果[34-36]。如陈秀厅等人研究了超声雾化 技术，在选煤厂除尘中应用效果显著；王海桥等人提出了空气幕隔尘技术，金龙 哲[37]等人提出隔尘帘隔尘技术，重庆煤科院对电介喷嘴进行了研究，提出了电介 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 5 喷嘴的最佳使用水压条件。经过现场应用，上述防尘措施效果显著，填补了矿