基于一组多孔大区域注水技术的工作面粉尘综合治理_王惠风.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 基于一组多孔大区域注水技术的 工作面粉尘综合治理 王惠风 1， 陈殿赋2 （1.中国神华神东煤炭集团 技术研究院， 陕西 神木 719315； 2.中国神华神东煤炭集团 保德煤矿， 山西 保德 036600） 摘要 针对 81308 综放工作面回采作业过程中粉尘浓度大的难题， 基于润湿煤体减尘和喷雾 降尘的原理， 利用 “静压一组多孔” 大区域注水方式， 加装采煤机高压外喷雾降尘系统， 并设计 了全断面伸缩式捕尘网， 最终实现了加大注水区域、 延长注水时间、 扩大有效降尘半径和提高捕 尘效果的目的， 建立了 1 套综放工作面综合降尘技术及工艺， 实现了综放工作面低尘化生产。结 果表明 81308 综放工作面注水后含水率平均增加了 5.74； 采取综合防尘技术措施后， 总粉尘 平均降尘率达 64.29， 呼吸性粉尘平均降尘率达 54.90。 关键词 静压注水； 一组多孔； 大区域； 高压外喷雾； 降尘半径； 全断面捕尘网 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 11-0066-04 Comprehensive Dust Management of Working Face Based on a Group of Porous Large Area Water Injection Technology WANG Huifeng1, CHEN Dianfu2 （1.China Shenhua Shendong Coal Group Technology Research Institute, Shenmu 719315, China;2.China Shenhua Shendong Coal Group Baode Coal Mine, Baode 036600, China） Abstract Aiming at the problem of large dust concentration during the mining operation of the 81308 fully mechanized caving face, based on the principles of wet coal dust reduction and spray dust reduction, utilizing “static pressure a group of porous” large-area water injection , the installation of a high-pressure external spray dust-reduction system for a shearer, and a full-section telescopic dust-trapping net is designed. The purpose of increasing the water injection area, extending the water injection time, expanding the effective dust reduction radius, and improving the dust catching effect have been achieved. A set of comprehensive dust-reduction technology and technology for fully mechanized caving face was established to achieve low dust production in fully mechanized caving face. The results show that the water content of 81308 fully mechanized caving face increases by 5.74 on average; after adopting comprehensive dust control measures, the average dust removal rate of total dust and respirable dust reached 64.29 and 54.90 respectively. Key words hydrostatic water injection; a group of porous; large area; high pressure external spray; dust fall radius; full-section dust catcher 矿井综合机械化、 自动化开采水平不断提高， 开 采技术逐步提升，大采高、超大采高一次采全厚采 煤法日趋成熟，产量得到大幅提高，同时工作面的 粉尘浓度也显著增加，不仅恶化了工作面的作业环 境，加剧了员工患尘肺病的概率，而且高浓度的粉 尘宜发生煤尘爆炸事故，存在严重的安全隐患， 威 胁矿井安全高效生产和制约幸福矿工工程愿景。目 前，工作面的降尘技术主要包括煤层注水降尘、 通 风除尘、水喷雾降尘、喷雾泡沫降尘、湿式除尘器 等，矿井低尘化生产采用综合多种降尘技术，效果 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.013 王惠风， 陈殿赋.基于一组多孔大区域注水技术的工作面粉尘综合治理 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 66-69， 73. WANG Huifeng, CHEN Dianfu. Comprehensive Dust Management of Working Face Based on a Group of Porous Large Area Water Injection Technology ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 66-69, 73.移动扫码阅读 66 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 会更加显著[1-7]。研究表明煤层注水降尘技术的降尘 率一般为 50～90[8-9]。保德煤矿 81308 综放工作 面采用煤层注水和采煤机喷雾、全断面捕尘网相结 合的综合降尘技术，重点采取静压、一组多孔大区 域注水技术工艺，结合改进采煤机喷雾压力和捕尘 网技术手段，实现综放工作面低尘化生产。作业过 程中产生的扬尘，最有效和最直接的手段就是通过 采煤机喷雾降尘和架间捕尘网降尘，为此，在采煤 机上加装高压外喷雾降尘系统，有效的扩大了喷雾 降尘半径， 提高了降尘率， 从而改善了作业环境， 保 障了员工的身心健康。 1工作面概况 保德煤矿位于保德县镜的西北部，矿井绝对瓦 斯涌出量为 95.25 m3/min， 相对瓦斯涌出量为 10.19 m3/t， 为高瓦斯矿井。 目前开采的 8煤为二叠系下统 山西组， 属于 II 类自燃煤层， 火焰长度 300 mm， 自 然发火期为 4～6 个月， 具有煤尘爆炸危险， 爆炸指 数为 35.33。81308 综放工作面位于矿井三盘区， 工作面长 240 m， 走向长度 2 554 m， 煤层厚度 6.72 ～8.07 m， 平均厚度 7.37 m， 煤层倾角 3～5， 平均 4， 煤层走向近南北。煤质为中-富灰、 特低硫、 低- 中磷高灰熔点的气煤， 煤的普式系数 f0.72， 瓦斯放 散初速度为 14.1 mL/s， 最大残余可解吸瓦斯含量为 3.82 m3/t， 平均 2.66 m3/t； 工作面沿煤层倾斜布置、 走向推进，采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤 采煤方法，全部垮落法处理采空区，采用两进一回 的 “偏 Y” 型通风， 设计风量为 2 600 m3/min。 2一组多孔大区域注水技术工艺 2.1技术工艺要点 一组多孔大区域注水工艺基于 “模块划分、 强强 联合”的原理，充分发挥分组管理、区域评价的优 势， 形成裂隙沟通、 优势互补的良好局面， 实现煤体 全面润湿的效果。 1） 一组多孔大区域注水方式， 分组管理、 大区域 调控，有利于观测和纪录注水流量，便于及时调节 注水流量。 2 ） 大区域、 大流量静压水进入到煤体内构造裂 隙、 层理和孔隙中， 促使整个煤体被水包裹起来， 煤 体受到充分湿润，在采煤机破碎煤体前大多数破碎 面均有水的存在，极大地降低了煤尘悬浮于矿井空 气中的浓度，从源头上有效控制了原生煤尘和浮煤 的产生。 3） 采用一组多孔大区域注水技术， 可最大程度 上减少渗透性差区域的煤体引起的空白袋，迅速弱 化煤体，减小单轴抗压强度和抗剪强度；湿润的煤 体塑形增强，脆性减弱，部分煤体脆性破碎变为塑 性破碎， 极大地消弱了煤体被破碎为尘粒的可能性， 降低了煤尘的产尘量[10]。 4） 延长煤层注水时间和加大注水区域， 有效增 加煤体含水饱和度， 提高了启动压力梯度， 同时又降 低了渗透性，对吸附瓦斯的解吸具有一定的阻碍作 用， 初始解吸速度降低， 衰减速度减慢， 在工作面回 采时瓦斯涌出量减少，对瓦斯涌出具有抑制作用， 避免煤体瓦斯快速解吸，对煤与瓦斯突出具有一定 的防治作用[11-12]。 2.2工艺实施 81308 综放工作面利用本煤层瓦斯抽采孔进行 注水， 采用静压、 一组多孔大区域注水方式， 进行分 组多孔注水，即将一定的压力水通过供水管路-变 径胶管-瓦斯抽放主管-三通-变径钢管-瓦斯抽放 支管， 然后经过瓦斯抽采孔注入到煤层中。 2.2.1钻孔布置 基于 81308 综放工作面，利用本煤层顺层平行 钻孔预抽瓦斯， 顺层平行钻孔基本参数见表 1， 采取 15 个钻孔为 1 组、 每 3 组钻孔作为 1 个区域的方式 同时为煤层注水的技术手段， 实现分组管理、 区域评 价的效果。 2.2.2注水方式 煤层注水方式通常有静压注水、动压注水及动 静压结合的混合式注水。借鉴 81306 综放工作面采 用动压注水的经验， 得出动压注水具有工艺较繁琐、 需人员操作等缺点， 存在高压水进入煤体后扩张、 延 伸、沟通原有裂隙导致注入的水从巷道正帮外流的 隐患，从而影响煤体的含水率。常规的静压注水存 在注水量较少、 区域不均衡等难题， 因此， 81308 综 放工作面采取静压、一组多孔大区域注水方式， 解 决了高压水外流的问题和注水量少的难题，最大程 度上克服了区域注水不均衡的困难，而且注水工艺 简单、 操作方便。 81308 综放工作面注水参数见表 2。 表 1顺层平行钻孔基本参数 Table 1Basic parameters of parallel drilling 钻孔 类别 钻孔与 巷道夹 角/ （ ） 钻孔距 底板高 度/m 钻孔 直径/m 钻孔 长度/m 钻孔 间距/m 封孔 深度/m 封孔 方式 平行孔901.59422055马丽散 67 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 2注水流量变化 Fig.2Change of water injection flow 图 1注水联管示意图 Fig.1Diagram of water injection manifold 81308 一号回进风巷作为煤层注水的地点， 区 域注水孔数量 3 组 45 个左右 （约 225 m） ， 注水压力 2～3 MPa， 注水路线为 供水管路 （加工法兰挡板） - 变径胶管-压力表-流量表-瓦斯抽放主管（加工法 兰挡板） -三通-变径钢管-瓦斯抽放支管-抽放孔- 煤层。注水联管示意图如图 1。 安排专人每班对煤层注水区域的流量表和钻孔 出水情况进行观察和记录，一旦发现钻孔出水、 煤 帮外鼓等异常现象，立即调整钻孔注水流量，确保 注水有效。以 1 组 15 个钻孔注水 12 h 的注水流量 为例， 最小注水流量为 4.56 m3/h， 最大注水流量为 12.94 m3/h， 平均为 7.25 m3/h， 注水流量变化如图 2。 2.3注水效果 通过观察流量表和记录注水时间，计算出单孔 注水量的平均量为 7.25 m3/h， 每组注水孔注水时间 平均为 20 d， 通过采集注水前后煤层煤样， 在实验 室利用 5E 自动工业分析仪测定水分。单孔注水量 3 480 m3， 注水前含水率为 4.12， 注水后含水率为 9.86， 81308 综放工作面煤层含水率增加 5.74。 采用直读式粉尘浓度测定仪对综放工作面注水 前后粉尘浓度进行测定， 采样流量 15 L/min， 采样时 间 1 min， 采样体积 15 L， 选取采煤机司机位置、 支 护工位置、 回风巷 10～15 m 处及采煤机下风侧 20 m 等 4 个测尘点， 每个测尘点测 3 次， 计算平均值。对 总粉尘和呼吸性粉尘浓度的变化进行对比，得出总 粉尘降尘率平均为 59.46， 呼吸性粉尘降尘率平均 为 44.13， 注水后降尘效果明显。综放工作面粉尘 浓度及降尘效果测定结果见表 3。 3综合治理措施 3.1采煤机高压外喷雾降尘系统 基于采煤机原外喷雾系统压力较小、喷雾半径 较小等现状，采取加装采煤机高压外喷雾降尘系统 技术，用于扩大喷雾降尘有效半径，更大程度上捕 捉粉尘，迅速高效降低作业过程中的粉尘浓度。采 煤机高压外喷雾降尘系统由高压泵站、反冲洗过滤 器、 电动球阀、 水箱、 浮球液位开关、 喷雾模块、 胶管 接头等组成， 在开始割煤时， 首先启动高压喷雾泵， 随即启动采煤机，高压喷雾泵所输出高压水经过喷 嘴迅速雾化，覆盖笼罩采煤机截割滚筒，达到迅速 降低粉尘浓度的目的。专用喷雾泵安装在 81308 胶 运顺槽移变列车处，通过 DN25 专用胶管与采煤机 连接， 喷雾装置共安装 3 处， 分别位于采煤机左、 右 表 281308 综放工作面注水参数 Table 2Water injection parameters of 81308 fully mechanized caving face 注水方式 注水压力 /MPa 注水 时间/d 注水孔 位置 注水长度 /m 静压一组多孔大区域2～320抽采孔220 表 3综放工作面粉尘浓度及降尘效果测定结果 Table 3Test results of dust concentration and dust reduction effect in fully mechanized top coal caving 测尘位置 注水前粉尘浓度 / （mg m-3） 注水后粉尘浓度 / （mg m-3） 降尘率 / 总粉尘 呼吸性 粉尘 总粉尘 呼吸性 粉尘 总粉尘 呼吸性 粉尘 采煤机 司机位置 支架工位置 回风巷 10～15 m 处 采煤机下风 侧 20 m 处 745.55 418.35 343.38 796.07 29.81 17.71 61.40 79.09 300.27 178.39 128.91 331.96 17.65 11.74 30.26 38.52 59.73 57.36 62.46 58.30 40.79 33.71 50.72 51.30 68 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 表 481308 综放工作面粉尘浓度及降尘效果测定 Table 4Test results of dust concentration and dust reduction effect in 81308 fully mechanized top coal caving 测尘 位置 措施前粉尘 浓度/ （mg m-3） 措施后粉尘 浓度/ （mg m-3） 降尘率 / 总粉尘 呼吸性 粉尘 总粉尘 呼吸性 粉尘 总粉尘 呼吸性 粉尘 采煤机司机位置 支架工位置 回风巷 10～15 m 处 采煤机下风 侧 20 m 处 745.55 418.35 343.38 796.07 29.81 17.71 61.40 79.09 284.74 146.96 106.87 305.79 14.12 9.04 25.47 32.03 61.81 64.87 68.88 61.59 52.63 48.96 58.52 59.50 图 4全断面伸缩式捕尘网示意图 Fig.4Diagram of a full-section telescopic dust-trapping net 摇臂电机外护罩侧面和采煤机破碎机护罩处，实现 生产过程中采煤机滚筒、采煤机摇臂全覆盖。该喷 雾系统具有除尘效率高、 技术性能先进、 无人值守、 安全可靠、安装方便等优点。采煤机高压外喷雾降 尘系统示意图如图 3。 3.2全断面伸缩式捕尘网 81308 综放工作面每间隔 10 台液压支架安装 1 组喷雾和 1 道捕尘网， 每组喷雾安设 4 个喷嘴， 共同 建立降尘、 捕尘系统。基于采煤机作业过程中需要收 打捕尘网和移动液压支架时收打伸缩梁的问题， 践 行捕尘网安全可靠、灵活便捷和覆盖全断面的设计 理念， 结合综放工作面安全高效生产实际， 设计加工 了全断面伸缩式捕尘网。该捕尘网具有收打便捷、 滑 动自由、 折叠标准、 使用可靠等优点， 不仅起到高效 捕尘的作用，同时兼顾了捕尘、采煤机行走和支架 检修的问题。全断面伸缩式捕尘网示意图如图 4。 4综合治理降尘效果 采用直读式粉尘浓度测定仪对 81308 综放工作 面采取技术措施前后粉尘浓度进行测定，采样流量 15 L/min， 采样时间 1 min， 采样体积 15 L， 选取 4 个 测尘点， 每个测尘点测 3 次， 取平均值。对总粉尘和 呼吸性粉尘浓度的变化进行对比，得出采取技术措 施后总粉尘的降尘率平均为 64.29， 呼吸性粉尘的 降尘率平均为 54.90。81308 综放工作面粉尘浓度 及降尘效果测定见表 4。 81308 综放工作面采用静压、一组多孔大区域 注水方式、结合加装采煤机高压外喷雾系统和设计 全断面伸缩式捕尘网等技术手段， 建立了作业前、 作 业中和作业后综合降尘技术及工艺。作业前成组大 区域注水， 注水时间长、 区域大、 注水比较充分， 不 仅提高了水力疏松效果，促使煤体中原有的裂隙得 到有效的沟通， 形成了新的裂隙-孔隙网， 促进整个 煤体被水包裹， 极大的增加了煤体中的水分含量， 从 根源上减少了粉尘的产生；作业中高压外喷雾系统 的建立，促使喷雾有效射程覆盖了整个采煤机滚筒 和摇臂，大大提高了采煤机滚筒区域的降尘效果， 减少了悬浮粉尘的浓度；作业后应用全断面伸缩式 捕尘网， 分段多重阻隔粉尘， 同时兼顾采煤机割煤、 支架检修等互不影响的优点，起到了安全高效捕尘 的效果。 5结语 1） 81308 综放工作面采用静压、一组多孔大区 域注水方式、结合加装采煤机高压外喷雾系统和设 计全断面伸缩式捕尘网等技术手段， 建立了作业前、 作业中和作业后综合降尘技术及工艺；总粉尘降尘 率平均为 64.29， 吸性粉尘降尘率平均为 54.90， 降尘效果显著。 2） 采用一组多孔大区域注水方式后， 煤层含水 图 3采煤机高压外喷雾降尘系统示意图 Fig.3High-pressure external spray dust-reduction system of a shearer （下转第 73 页） 69 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 率增大了 5.74， 煤层润湿效果良好， 从根源上减少 了粉尘的产生。 3） 基于改进采煤机高压外喷雾系统和全断面伸 缩式捕尘网技术手段，有效的治理了重点产尘区 域，采用分段多重阻隔粉尘技术手段，进一步降低 了综放面的粉尘浓度。 参考文献 ［1］ 陈芳， 刘勇， 马威， 等.综放工作面动静压联合注水技 术研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2015， 43 （5） 67-70. ［2］ 张炜， 张东升， 王旭峰， 等.大倾角厚煤层注水防尘技 术应用 ［J］ 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