煤矿综采放顶煤工作面高浓度粉尘的综合防治.doc

煤矿综采放顶煤工作面高浓度 粉尘的综合防治 王晋育 冉文清 张延松 煤炭科学研究总院重庆分院 【摘 要】 煤矿综采放顶煤工作面开采强度大、产尘尘源多、粉尘浓度高,因而对尘毒的治理难 度大。为此,提出了治理的总体思路、防治方案并在几十个煤矿综采放顶煤工作面推广,取得了很好的效果。 【关键词】 综采放顶煤工作面 粉尘 综合防治1 前 言 综采放顶煤是我国80年代初从国外引进的一种新的采煤方法。由于它具有高产、高效、低耗等一系列优点,近十年来,在我国得到了较迅速的推广,成为实现我国煤矿高产、高效的主要途径之一。但这种采煤方法由于开采强度大、产尘尘源多、产尘量可高达20005000mg /m 3,因而对尘毒的防治难度大。在生产中,由于高浓度粉尘使作业场所的劳动卫生条件急剧恶化,严重地制约了这种采煤方法的推广应用。“八・五”期间,为解决上述问题,煤炭科学研究总院重庆分院承担并完成了煤炭部下达的“治理综放面高浓度粉尘危害”的重点课题。现将本课题研究所提出的总体思路、具体防治方案及应用情况作一简要介绍。 2 综放面高浓度粉尘防治的总体思路 综放工作面采煤机采煤和液压支架移架均是移动性尘源,工作面直流通风,风流流场难以控制风速每秒高达2m ,工作面空间狭小且有变化,还有片帮冒顶等不利因素的影响,条件十分恶劣。防治该作业场所的粉尘,考虑了上述条件后,提出了治本和治标两手抓的总体思路一是减少粉尘的产生;二是要针对不同尘源的特点,采取防治措施。 3 综放面粉尘防治的技术方案及效果 3.1 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,将一般在第9卷第1期1999年2月 中国安全科学学报China Safety Science Jour nal V ol.9N o.1F eb.1999 高级工程师、副所长研究员 研究员 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。 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如图1长钻孔静压注水的方式。 图1 钻孔布置方式示意图 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3540m 开始注水,距工作面56m 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 Q K LB h 1 式中,Q 单孔注水量,m 3;K 注水系数,取K 1.1;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 /m 3; 吨煤注水量,m 3/t ,取 0.025m 3/t 。通过计算,回风巷上孔注水量Q s 127m 3,每个下孔注水量Q x 104m 3,进风巷每个钻孔注水量Q j 166m 3。 注水压力按2式确定 1.21.5P w ≤P z ≤0.75P f 2 式中,P z 煤层注水压力,M Pa ;P w 煤层瓦斯压力,M Pa ;P f 上覆岩层压力及煤层剪切强度之和,MP a 。试验矿井鲍店煤矿防尘用水静压在3.04.0M Pa 之间,能满足上述要求。 注水时间按3式进行计算 T D -d i 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i 3.6m /d 。通过计算,T 8.3d 。 单孔注水流量按4式计算 q 1000Q 1440T 4式中,q 单孔注水流量,l /min 。通过计算,回风巷上孔q s 11l /min ,下孔q x 9l /min ,进风巷钻孔q j 14l /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。 3.2 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・7・第一期 王晋育等煤矿综采放顶煤工作面高浓度粉尘的综合防治 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, 1-支架探梁手动喷雾;2-支架探梁;3-采煤机摇臂径向雾屏;4-采煤机外喷山昆雾图2 采煤机摇臂径向雾屏及支架探梁辅助喷雾布置示意图 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。图2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NPB -1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Q s1,则 Q s 12n 1n ′1q 1n 2q 2n 3q 3284.0l /min 5 式中,n 1采煤机一个滚筒内喷嘴数,n 148;n ′1采煤机一个滚筒摇臂雾屏喷嘴数,n ′19;n 2采煤机端头外喷嘴数,n 24;n 3支架探梁辅助喷嘴数,n 35;q 1N PB -1型喷嘴在水压为1.5M Pa 时的流量,q 1 2.1l /min ;q 2W P B 型喷嘴在水压为1.5MP a 时的流量,q 2 5.6l /min ;q 3S D 304型喷嘴在水压为1.5MP a 时的流量,q 3 4.4l /m in 。 采煤机单位时间采煤量按6式计算 Q 1H B V q 10.2t /min 6式中,Q 1每分钟的割煤量,t ;H 采煤高度,H 2.8m ;V q 割煤时的平均牵引速度,V q 4.0m ;B 滚筒的截深,B 0.65m ; 煤的实体密度, 1.4t /m 3。 采煤机割煤过程中,因喷雾而造成水分增量可按7式计算 W z 1 Q s 11-k 10Q 1 2.377式中,W z 1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k 0.15。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1015m 处平均降尘率达到81.7。 3.3 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・8・中国安全科学学报China Safety Science Journal 第九卷1999年 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,产生的图3 液压支架喷雾示意图 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。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1-多功能自动喷雾控制阀;2-四通平面闸阀;3-组合五通阀;4-尾梁操纵阀;5-前柱控制阀;6-移架喷咀组;7-放煤口喷咀组;8-手动阀门;9-去临架喷雾;10-喷雾水从临架来;11-主供水去临架;12-主供水管图4 液压支架自动喷雾系统图 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。 为了简化喷雾降尘的管路系统,还设计 并研制了一种两功能的自动喷雾控制阀。该 阀属国内首创,试验成功后申报了专利专利 号为ZL95242892.x ;磁化喷嘴经实验室测 试,水经其磁化后,水的表面张力可以降低 1.964.47;水的蒸发率提高了0.2 左右,这都有利于水雾捕获粉尘。液压支架喷 雾降尘,喷头安装位置如图3所示。其喷雾系 统如图4所示。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;放煤口放煤降尘率达到了84.2。 3.4 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 /m in ,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2.0M Pa ,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。 ・9・第一期 王晋育等煤矿综采放顶煤工作面高浓度粉尘的综合防治 4 结 论 针对煤矿综采放顶煤工作面产尘的具体原因,采取标本兼治的思路是正确的。针对不同尘源的特点,应用不同的技术措施和综合防治的方法是行之有效的,取得了很好的防治效果,为用常规措施难以奏效的综放工作面粉尘防治技术提供了一套有效解决办法,并有所创新,把我国煤矿防尘技术提高到了一个新的水平。该套技术已在几十个煤矿综采放顶煤工作面推广使用。 收稿1998年1月;作者地址重庆市沙坪坝区上桥;煤炭科学研究总院重庆分院;邮编400037 参考文献 1 煤炭科学研究总院重庆分院综采防尘课题组.放顶煤综采工作面高浓度粉尘综合防治技术的研究科学研究报告,1994.12. 2 王晋育.我国放顶煤综采工作面防尘技术现状评述及提高防尘效果的探讨.煤炭部放顶煤综采学术研讨会,1993.2. 3 兖州矿务局兴隆庄煤矿、煤炭科学研究总院重庆分院.兖洲矿务局兴隆庄煤矿5306综采放顶煤工作面粉尘防治技术及其效果考察,1992.10. Comprehensive Control o f High Dust Levels in Sublevel M echanized Caving Coal Face Wang Jinyu Ran Wenqing Zhang Yansong Chongqing R esea rch Institute ,CCM RI Abstract Sublevel M echanized cav ing show s the characteristics o f hig h out -put ,more dust sour ces,hig h dust concentration and difficult to control.A brief intr oduction to the general ro ute and protocol for dust contro l is given,w hich has been applied and v erified in tens co al mines w ith success . Key words Sublevel lo ng w all m echanized caving face Dust Comprehensive contro l ・10・中国安全科学学报China Safety Science Journal 第九卷1999年 Senior Engineer Prof. Prof .