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1、晓南矿井下粉尘综合治理技术研究与应用技术设计1 工程提出背景1.1 晓南矿的基本情况晓南矿隶属于铁法煤业集团有限责任公司，是铁煤集团最早达到质量标准化、现代化并保持特优级质量标准化的矿井，是全国煤炭工业一级企业，全国特级高产高效矿井，是原煤炭部确定的全国15个现代化样板矿井之一。晓南矿井是国家“五五”期间重点建设工程，于1971年10动工兴建，1980年9月28日移交投产。矿井设计生产能力90万吨，经1988年至1991矿井改扩建后，核定年生产能力达到150万吨，2007年核定年生产能力210万吨。晓南矿为高瓦斯易自然发火矿井，瓦斯含量为15.13m3/t，煤尘爆炸指数为65%，有强烈爆炸危险
2、。矿井涌水量105135m3/h，自然发火期13个月，有自然发火危险。1）通风系统晓南矿采用中央并列与单翼对角混合式通风，由副井、主井入风，中央风井和东风井回风。其中副井井筒断面为38m2，主井井筒断面为23.75m2，东风井断面为19.6m2，中央风井断面19.6m2。中央风井担负西三采区、北一采区、南翼采区部分区域通风，东风井担负西二采区、南翼采区部分区域通风。2）抽放系统在抽放系统方面，我矿现有4台瓦斯抽放泵，其中抽放量为120 m3/min 的2BEC-42型抽放泵2台，抽放量为250m3/min 的2BEC-52型抽放泵2台，抽放量为550m3/min 的CBF730型抽放泵2台，共
3、有6趟立孔与井下连接，两趟219mm立孔，两趟299mm立孔，两趟500mm立孔，能够实现每台抽放泵与6个立孔分别对接。实现了高低浓度分别进行抽放。3）监测系统我矿现在运行的监控系统为KJ2000N系统。主机为联想2台，万全-2600一台。传感器主要为CH4传感器。井下按规定在指定地点安设了，风速传感器、一氧传感器、温度传感器等。另外，在地面选煤厂、瓦斯泵房、主要通风机房安设了瓦斯传感器、压力传感器、管道流量计、高浓瓦斯传感器等。采掘工作面均实行“三专两闭锁”。定期进行断电实验。断电范围严格按煤矿安全规程执行。监测主要设有监测中心站工作记录瓦斯监测情况日报表监测设备、仪器管理台帐监测传感器校验
4、记录等。4）消防火系统井下充填管路管径为108mm。我矿现有三座地面注浆砂）站：中央注浆砂）站、W2注浆砂）站、W3注浆砂）站。注浆砂）站都完好，具备充填和注浆功能。在消防火预测预报方面，我矿地面设有气体分配化验室，化验员4人，化验仪，尘肺病检出率高达7.2% 。晓南矿井下采、掘机械化程度较高，目前采、掘工作面都实现了综合机械化，采掘效率很高，取得了较好的经济和社会效益。但是，随着煤矿采、掘机械化程度的不断提高，工作面的粉尘污染问题也日益突出，成为制约煤矿安全生产和企业快速发展的瓶颈。晓南矿为高瓦斯矿井，瓦斯含量为11.59m3/t，煤尘爆炸指数为65%，有强烈爆炸危险。工作面生产中产生的高浓
5、度的粉尘，一方面严重威胁矿井的安全生产，另一方面也严重危害着作业工人的身体健康，使劳动生产效率降低，机械设备磨损加快。在集团公司的支持下，晓南矿依据目前的粉尘现状开展综合治理工作，确立了“我要安全、更要健康”和“积善积德不积尘、节能降耗保安全”的粉尘治理理念。采取以控尘为主要手段的综合防尘措施，解决粉尘治理难题，为职工创造一个安全、健康的工作环境。1.3 工程主要工作内容及技术路线1.3.1 工程主要工作内容针对井下各产尘点的综合分析，形成综合防尘方案主要大巷综合防尘设备的安装。矿车喷淋装置、矿车防尘罩、运输大巷洒水车、转裁点封闭回采工作面综合防尘设备的安装。煤层注水、高压喷雾、尘跟踪系统、防
6、尘帘掘进工作面综合防尘设备的安装。综掘机高压喷雾、KCS-550型湿式过滤旋流除尘风机、挡尘帘实施过程中总结不足，对综合防尘设备根据现场实际情况进行调整，并对原综合防尘方案进行补充，逐步完善。完成技术总结。1.3.2工程完成方式由集团公司作为技术指导，晓南矿引进先进的综合防尘设施，自行研制了符合井下现场的综合防尘设施，并完成现场实施和技术总结。技术路线：将引进国内一些先进的综合防尘技术及设施，通过结合晓南矿井下实际情况，进行技术方案的改进和完善。课题研究的总体思路为：确立方法形成实施方案确定工艺流程现场实施出现问题加以解决完成技术总结。2 粉尘控制与防治的方法及难点分析矿山的粉尘来源于主要运输
7、巷设备运输及采掘工作面的采、掘作业。主要运输巷粉尘体现在入井的水泥、过火矸石等在运输过程中、皮带巷运输煤炭过程中产生的粉尘等；采掘工作面粉尘体现在煤炭生产和运输过程中产生的粉尘。主要运输巷粉尘治理：主要采取控制粉尘堆积和飞扬的方法降低风流中粉尘浓度。难点：主要是产尘点多并且分散，同时对大巷的人工清洗用水量不易控制，对巷道的维护不利且工时利用率较低。各转裁点粉尘治理：主要采取转载点封闭及风水联动喷雾降尘的方法降低风流中粉尘浓度。难点：主要是转载点属开放形场地，很难控制煤尘扩散，采取水喷雾时由于水量充容易造成影响煤质的现象。采掘工作面粉尘治理：主要采取增加煤体含水量，减少粉尘的产生，从根源上防治粉
8、尘。同时利用高压外喷雾、尘源跟踪系统、防尘帘、综掘工作面除尘净化、转载点封闭等方法控制粉尘。难点：主要是本煤层钻孔施工效率低；喷雾降尘时水雾粒与呼吸性粉尘的静电排斥，降尘效果不理想；转载点煤流集中风速高转载点机械设备集中有效断面小）、用水量较大，并且容易造成粉尘的二次飞扬；回风巷道中使用的防尘帘和净化水幕，用水量大，巷道遇水易底鼓。3 粉尘综合治理工程实施31 主要大巷粉尘的控制1）针对主要大巷产尘点多并且分散的难题，我们采用了在矿车上安装防尘罩和对矿车进行清洗的办法。矿车防尘罩的使用凡入井的水泥、白泥、黄泥、沙子、混料、过火矸石等容易起灰尘物料的矿车均使用防尘罩，目前共使用防尘罩300个。同
9、时，矿下发了晓南矿关于矿车使用防尘罩的管理办法试行），要求各生产、辅助单位，严格按制度执行。矿车喷淋装置的使用为了抑制矿车在运行中粉尘的飞扬，对升入井车辆进行喷淋。经过我们技术人员的反复研究、改进，对矿车进行喷淋的同时对矿车进行刷洗，利用废旧锚杆机进一步加工实现了对矿车刷洗的功能。目前在中央人车站出口建造了2处矿车喷淋装置，使用效果非常好。2）针对人工清洗大巷用水量不易控制及浪费人力的难题，我们购买了大巷洒水车，对大巷进行清洗。运输大巷洒水车的使用：为提高运输大巷灰尘的治理水平、控制用水量、减少人力、提高工时利用率，运输大巷使用CZ-2型洒水车进行洗尘。使用洒水车全断面清洗运输大巷5000m）
10、用时1h、用水量9.6t，人工对巷道腰线以下运输大巷清洗用时4h、用水量18t。并且洒水车无需外接动力，使用方便。3）转载点煤流比较集中，用水量较大，并且容易造成粉尘的二次飞扬，主要采用将转载点封闭的方法。转载封闭：为解决转载点煤流比较集中，粉尘容易扩散到周围空气中去，我们采取了转载封闭，这样就防止粉尘扩散飘扬到巷道中去，使转载点形成一个独立的空间，有效的控制了粉尘的扩散。风水联动喷雾：为解用水量较大，并且容易造成粉尘的二次飞扬的难题，我们使用了风水联动喷雾，使用水量由原来每个喷嘴4620 ml/min 降到200ml/min，同时对各转载点及煤仓上口进行封闭，防止粉尘扩散飘扬到巷道中，造成整
11、个巷道的粉尘污染，从而影响整个井下作业环境。32 采掘工作面粉尘的防治煤破碎后产生粉尘的粒度分布状况是指粉尘的大小及分布范围。这一因素直接决定了产生呼吸性粉尘量。通过对西三709综采工作面的粉尘测试，粉尘粒度分布测定范围为5m150m。呼吸性粉尘一般指的是空气动力径小于7.07m时的粉尘，呼吸性粉尘占11.4%。北一轨道中巷综掘工作面掘进机割煤时产生的粉尘粒度直径60m以上的粉尘几乎没有，小于10m的占总粉尘的33.7%，粉尘粒度小于50m的占总粉尘的96.9%。小于空气动力径7.07时的粉尘即呼吸性粉尘）占17.31%。1）增加煤体含水量，减少粉尘的产生，从根源上防治粉尘综采工作面采用煤层注
12、水降尘措施，达到增加煤体含水量的目的。注水过程中水渗入煤体内部，一方面增加煤的水分和尘粒间的粘着力，并降低煤的强度和脆性，增加塑性，减少采煤时煤尘的生成量；另一方面将煤体中原生细尘粘结为较大的尘粒，使之失去飞扬能力，从而起到降尘的目的。煤层注水钻孔布置方式及注水量。在采煤工作面运顺煤层注水钻孔，采用型号为ZDY1200L型钻机，50mm螺纹钻杆，直径94mm钻头。每60m沿煤层施工1个注水钻孔，施工16个钻孔。孔深均为70m，封孔采用封孔泵利用水泥进行封孔，封孔深度为15m左右；回顺利用钻场间距2530m）沿煤层施工2个注水钻孔，共施工10个钻孔；煤层注水采用静压水边采边注的方式，且保证钻孔注
13、完水后超前工作面2030m。通过观测，注水期间水压一般在4.04.5MPa，注水量一般在1.31.6m3/h之间。煤体含水率增加量为0.19%。待注水孔回 顺工 作 面运 顺图4-1综采工作面注水钻孔布置图注水效果考察工作面实施煤层注水后，对工作面的粉尘浓度进行测定，以检验煤层注水的效果。煤层湿润效果的考察采用直观观察法。直接考察法为从煤壁或煤帮的渗出出汗）状况简单地判断其湿润范围。图4-2煤层注水湿润半径示意图图4-3煤层注水前后粉尘浓度测定对比图可以减小雾粒粒径，提高水雾电荷值，提高喷雾对呼吸性粉尘捕尘效果。同时为了解决水雾粒与呼吸性粉尘的静电排斥，在水箱内按3添加粉尘抑制剂，进一步提高高
14、压外喷雾降低呼吸性粉尘的效果。采煤机、掘进机高压外喷雾降尘系统由高压喷雾泵、高压胶管等组成。喷雾压力：8.0MPa；喷雾流量：30L/min40L/min。高压水泵和水箱在采煤工作面与运顺移动变电列车安放在一起；掘进工作面安装在综掘机转载输送机上方。图4-4采煤机高压外喷雾引射降尘示意图图4-5掘进机高压外喷雾引射降尘示意图图4-6掘进机高压外喷雾使用期间照片图4-7采煤工作面使用高压喷雾泵及粉尘抑制剂前后粉尘浓度对比3）尘源跟踪系统降尘为进一步提高采煤工作面割煤期间降尘效果，使用了采煤机尘源跟踪喷雾降尘系统。该系统主要是当采煤机运行至某一位置时，由控制箱自行判断是否打开其控制的电磁阀，执行喷
15、雾降尘及延时功能，从而实现对采煤机前、后滚筒及下风流的定点跟踪喷雾，减小粉尘产生量并消除采煤机下风流粉尘污染。采煤机尘源跟踪喷雾降尘系统应用于采煤工作面时，采煤机上安装1个红外发射器，每个支架的前立柱处安装1个红外接收器，当采煤机运行至某一位置时，该位置对应的接收器接收到信号后，其配接的控制箱负责将该接收器的位置信息，以广播通讯方式发送给所有联机的控制箱，按统一设定的程序和参数，由这些控制箱自行判断是否打开其控制的电磁阀，如需打开，则打开电磁阀可同时打开110道），执行喷雾降尘及延时功能，从而实现对采煤机前、后滚筒及下风流的定点跟踪喷雾，减小粉尘产生量并消除采煤机下风流粉尘污染。尘源跟踪系统安
16、装由中煤科工集团重庆研究院派三名研究员进行技术指导，晓南矿由保安区、综采队、综检车间、救护队共同配合进行安装，从元月3日开始安装，2月16日调试完成其中：春节放假7天，正月十五放假1天），共计用时35天，每天白班进行安装。4）回风流安设防尘帘，进一步降低风流中粉尘浓度为进一步降低风流中粉尘浓度，采掘工作面回风巷道安设了防尘帘，同时为了解决防尘帘处底板淋水大，易造成巷道底鼓的问题，我们采用了风水联动喷嘴、和粉尘浓度超限自动喷雾装置，降低用水量，每个喷嘴用水量由4620ml/min降到200ml/min；防尘帘底板采用铁板封闭防止因喷雾水对底板造成损坏，利用水泵将水及时排出。同时安装了粉尘浓度超限
17、喷雾系统，可实现防尘帘处根据粉尘浓度自动打开净化水幕，在有人通过时关闭水幕，延时一定时间后自动打开水幕。图4-8为使用防尘帘的粉尘浓度对比图5）采面回风巷煤尘浓度超限自动喷雾降尘系统ZPA-63S型粉尘浓度超限喷雾降尘装置采用粉尘浓度传感器测量风流中的粉尘浓度，当粉尘浓度超过事前设定的浓度值7隔爆型电磁阀和ZSG-G型光控传感器等组成如图4-1所示），实现粉尘浓度值实时显示，并实现粉尘浓度超限自动喷雾功能。装置可以单独自成系统使用，也可与矿井安全监测系统联网使用，实现粉尘浓度在线监测、距迎头10m和20m处。测量结果见表4-1，图4-11为采取措施后生产时的照片。通过采取这些粉尘综合防治措施后
18、，总粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率分别达90%以上和89%以上；总粉尘最高降尘效率达96.4%，呼吸性粉尘的最高降尘效率达92.6%。表4-1综掘工作面煤尘综合防治效果测量结果5课题经费课题总预算经费712万元人民币。课题的总投资预算见下表所示。序号工作内容经费支出万元）1注水钻孔用钻杆49.82双功能高效水表37.63其它短件、胶管74.64多段封孔器485其它粉尘治理所需材料1346注水用矿用高压泵77采煤机尘源跟踪喷雾系统1208粉尘浓度自动喷雾降尘系统69气动式钻机8010工作面粉尘治理技术研究3011运输大巷自动洒水系统2012测尘仪613大巷洒水车1014井上下矿车喷淋工程2015环逢
19、引射式水雾除尘器6合计7126、实施机制在集团公司加以技术指导的前提下，晓南矿独立完成矿井粉尘防治综合治理工程的技术研究及现场方案实施。并根据井下现场实际情况，对综合防尘设备进行改建，能够使安装及使用更加的高效便捷，使粉尘治理的效果能够更加的明显。内部分工：生产科：负责粉尘综合治理实施方案的工程安排。保安区：负责工作面粉尘综合治理技术的研究及实施。课题负责人将根据课题计划内容和要求，定期了解工程的进展情况，发现问题及时讨论解决，以确保课题的顺利实施。7 工程效益分析安全效益1）有效解决了工作面生产时的粉尘污染问题。2）作业环境得到了有效改观，降低了煤矿职工吸入粉尘产生尘肺病的机率。3）粉尘综合
20、治理降低了粉尘浓度，杜绝了煤尘爆炸的可能性。4），使机械设备在低粉尘环境下运行，降低了机械设备磨损速度8 创新点1）挡尘帘的自制加工及使用，通过测定挡尘帘上、下风侧的粉尘浓度显示出挡尘帘能够有效的将粉尘拦截下来。2）转载点封闭：对每个皮带转载点进行封闭，能够有效的防止粉尘扩散到巷道风流中去。3）矿车喷淋装置：为了防止矿车本身携带的粉尘，晓南矿自制了矿车喷淋装置，通过不断的实验及整改，在矿车喷淋装置上增加了刷车装置，能够更有效彻底的对矿车进行清洗。9 结束语晓南矿综合防尘技术通过井下的安装及使用，根据现场的实际情况，不断的进行更新，并自行研制了各种防尘装置如挡尘帘、转载点封闭、矿车喷淋装置等，都是通过在现场中不断的实验，最终形成了晓南矿特有的综合防尘技术，晓南矿还通过对职工的大力宣传粉尘的危害性、粉尘治理的必要性，提高了所有职工粉尘治理的意识，能够做到全员防尘的特点，使晓南矿能够达到矿长所要求的“积善、积德、不积尘”的目标。
