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我國綜采放頂煤粉塵控制技術的研究與發(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與成果，包括厚煤層注水技術，采煤機應用外旋雙層霧流罩封塵源除塵技術，液壓支架和放煤口聯(lián)合自動控制噴霧降塵技術及破碎機聲波霧化降塵技術等，并說明其應用及效果。根據(jù)現(xiàn)有降塵技術存在的問題，結(jié)合現(xiàn)場實際討論其發(fā)展趨勢。

1 引言

綜采放頂煤采煤技術，自1984年在我國試驗以來，發(fā)展迅速，現(xiàn)有近30個礦務局的70余個煤礦，并將其作為今后高產(chǎn)高效工作面發(fā)展的重點與方向。放頂煤采煤法具有高產(chǎn)、高效、低耗、節(jié)能等優(yōu)點，從試驗、采用至今，已取得很好的社會和經(jīng)濟效益。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)載點塵源、破碎機塵源等。在這些塵源中，產(chǎn)塵量比較大的是采煤機割煤、放煤和破碎機破碎煤等塵源。由于破碎機可用機械方式罩封防止粉塵的擴散，再實施噴霧或抽塵凈化等降塵，能取得較好的降塵效果。采煤機割煤和放煤塵源，一方面因隨時移動無法罩封塵源，另一方面兩者均處于較高速風流中，粉塵易擴散飛揚，最難控制，是治理的難點，而產(chǎn)塵最大的還是采煤機塵源。綜放工作面塵源多，產(chǎn)塵強度大而不集中，因此，必須實施綜合防塵技術才能有效控制粉塵，減少其危害。

2 綜放工作面綜合防塵技術

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

2.1 厚煤層注水預濕煤體減少粉塵產(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，使煤體得到預先濕潤，增加煤體水分，減少采煤時粉塵產(chǎn)生量。煤層注水是采煤工作面基本的有效的防塵技術。其水分的增加，可減少煤礦井下、井上各個環(huán)節(jié)的粉塵產(chǎn)生量。煤層注水還可預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，是治理礦井災害，提高工效的綜合性技術措施。因此，只要條件具備應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量

放頂煤開采一般都是在煤層大于5m的條件下實施的。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際要求。對厚及特厚煤層，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，動能較小，可忽略動能的影響）；

，，-導水系數(shù)張量的分量（這里設坐標軸的方向與導水系數(shù)張量的主方向一致）；

S-裂隙-孔隙的貯水系數(shù)；Q-源匯項（注水對控制體內(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，即單位時間內(nèi)從大裂隙進入單位體積組合孔隙的水量；

Q1 -由死端、微孔隙水的毛細和擴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，而與裂隙與孔隙間的壓差關系不大。

其中毛細運動增加的水分為：

（2）

式中，(m -毛細運動系數(shù)，，其中為毛細運動最大的孔隙半徑；

(為液體表面張力系數(shù)，(，(為液體的動力粘度，(H為液體的密度。

擴散運動增加的水分為：

（3）

式中，(k -擴散運動系數(shù)；

a-在給定時間內(nèi)由一分子擴散運動使微孔隙中水分增加而充填孔隙的系數(shù)，由實驗測得。它與孔隙、液體的性質(zhì)有關。

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和分子擴散運動幾部分增加量組成。用三維滲流描述厚及特厚煤層滲流，其計算結(jié)果與實際測試結(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鉆孔的方式，頂部煤層就不能得到充分濕潤，因此，應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，應錯開一較小的距離，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。在實際應用中的選擇，在有頂板巷的情況下，應優(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。

對于厚及特厚煤層的注水，其封孔與薄及中厚煤???亦有所不同，這是由其鉆孔布置方式不同所決定的。封孔時應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）層霧流罩封塵源對高效采煤同除塵

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

（1）采煤機含塵氣流控制降塵技術。其特點是在采煤機搖臂、機身安裝噴嘴，并在采煤機兩個端頭安裝分流臂（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)，而將采煤機粉塵引向煤壁，減少對司機的危害，其總粉塵降塵率一般為65%～82%（呼吸性粉塵降塵率較低）。

（2）采煤機高壓噴霧降塵系統(tǒng)。是指在采煤機上布置兩個或多個高壓噴頭，在水壓高于7.5Mpa的壓力下，對兩個滾筒實施高壓噴霧降塵，其總粉塵降塵率達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高壓噴霧泵，經(jīng)管路到達工作面，再經(jīng)電纜槽送到采煤機。第二由于水壓較高（要求到達采煤機高壓噴頭噴霧的水壓力不小于7.5Mpa，管道中的壓力會更高），曲率半徑大，易于損壞電纜夾及其中的其他設施。并且高壓膠管的來回拖動很危險，高壓水管易于破裂，造成事故。另外高壓噴霧霧粒細，加之采煤機塵源處于較高速的風流中，微細水粒與呼吸塵結(jié)合后增重不夠，不會馬上沉降又被風流吹散蒸發(fā)，降低對呼吸性粉塵的降塵效果。

根據(jù)以上采煤機噴霧降塵技術的特點，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，其專利號為：95241746.4），用于采煤機，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)構原理、性能及應用效果

該裝置主要由動力部分、旋轉(zhuǎn)體、外殼、法蘭、進水接頭、噴頭等組成。其高效除塵原理為：當動力機構帶動外層霧流進行高速旋轉(zhuǎn)時，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散，同時內(nèi)部噴嘴噴出的細霧亦高速旋轉(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霧粒的碰撞機率和時間較小，某些微細粉塵，特別是呼吸性粉塵，即使被濕潤了，增重不夠，亦可能被風流帶走，懸浮于空氣中，時間長了水被蒸發(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)部形成較強的負壓區(qū)，被罩封的粉塵，基本不受外界風流流場的影響，粉塵可以多次與霧粒碰撞，多次增重而被捕集，因此其對呼吸性粉塵的降塵率尤為顯著。

因其結(jié)構原理決定了該裝置有以下特點：

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

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

（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)，形成較強負壓區(qū)，粉塵不易擴散出來，同時內(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，性能價格比優(yōu)，耗水量小，但在易片幫的工作面要注意保護，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，在采煤機上安裝使用，其對總粉塵的降塵率一般達90%以上，有的高達96%，對呼吸性粉塵的降塵率達70%～80%。 2.3 液壓支架和放煤口設自動噴霧降塵 2.3.1 自動噴霧控制閥及其噴霧系統(tǒng) 放煤口和移架自動噴霧，是指在液壓支架上安裝噴霧控制閥，當降柱和放煤時，通過支架的液壓系統(tǒng)輸送給控制閥一液壓信號，控制閥水路開啟實現(xiàn)噴霧降塵；在移架和放煤過程中繼續(xù)噴霧；當升柱和關閉放煤口時，支架的液壓系??又輸送給控制閥一信號，關閉水路信止噴霧，從而實現(xiàn)放煤和移架的自動噴霧降塵。該閥是既可控制移架又可控制放煤的自動噴霧降塵裝置。 2.3.2 降塵效果考察 為了考察液壓支架和放煤口放煤時自動噴霧控制粉塵的情況 ，分別對放煤工處，放煤口下風流7m人行道及移架下風流7m人行道處的降塵效果進行了考察，放煤及放煤口下風流7m人行道處的總粉塵降塵率達85%左右，呼吸塵降塵率達60%～70%。 2.4 破碎機聲波霧化降塵 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，當適當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霧粒，這些粒度很小。密度大的霧粒充滿破碎機的整個空間，提高了霧粒與粉塵

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