現代化礦井采掘防塵技術的研究與應用
在煤礦生產過程中，采、掘、運各個工序將產生大量粉塵。粉塵危害主要有兩方面：一是對人體的危害，如果人的肺部長期吸入大量的礦塵，就可患塵肺病，塵肺病是目前危害較大的一種礦工職業病。二是煤塵爆炸危害，煤層爆炸是煤礦的嚴重災害之一，它嚴重威脅著礦井安全。近幾年來，瓦斯煤塵爆炸事故仍時有發生，嚴重影響了礦井安全生產和職工生命。因此，搞好礦井粉塵綜合治理已迫在眉睫。煤礦生產過程中粉塵主要來源于采掘工作面，尤其是采掘機械的迅速發展，使煤礦機械化程度大為提高，采掘能力也隨之加大，促進煤炭產量成倍增長。但是，在這種生產條件下煤礦的產塵強度也隨之增大，采掘工作面的粉塵濃度大幅度增加，據統計，在地質條件和通風狀況基本相同情況下，不同的采掘方法其粉塵濃度相差很大。例如，在無防塵措施條件下，炮采時的粉塵濃度為300～500mg/m3，而機采時的粉塵濃度可達1000～3000 mg/m3，綜采則高達4000～8000 mg/m3。因此，對現代化礦井采掘防塵技術的研究與應用是很有必要的。
2 綜采工作面的防塵技術
許廠煤礦是1998年投產的現代化大型礦井，設計生產能力150萬t/a，2002年實際產量達到320萬t，2003年將突破340萬t。該礦主要特點是人員少（現不足1000人），機械化程度高，采煤工作面采用德國進口SL－300型連續采煤機、國產支撐掩護式支架。工作面正常采用的降塵措施有：采煤機內外噴霧，面前架間噴霧，面后放煤口噴霧及各轉載點轉載噴霧等主要防塵措施。經現場實際測定，在采取上述防塵措施后，粉塵濃度仍達到116～337 mg/m3，均嚴重超過國家衛生標準。因此，我們研究和應用了以下幾項新的防塵技術。
2.1 采煤工作面機組行走自動光控噴霧裝置
綜采工作面隨機自動噴霧裝置的每組噴霧由1臺主機、1個紅外線傳感器、1個電磁閥、1組噴頭、電纜等組成。由電磁閥控制噴頭，主機控制電磁閥；電源是交流電127V（用工作面照明電源）。每組噴霧的主機間用電纜連接，實現噴霧聯鎖。安設方法及使用過程：從工作面進風口處開始每5架1組噴頭進行排列（噴頭安裝固定在前探梁上），當采煤機經過自動噴霧點的位置時，采煤機上的光源裝置所發射的光信號被傳感器（傳感器安裝固定在支架前探梁上）接受，則此時（包括此點）以下回風流中的所有噴霧自動打開（假若光源光線比較弱或者光源離傳感器比較遠則打開的噴霧組比較少），執行自動噴霧，并延時一段時間，延時時間可根據機組行走速度及所打開噴霧組的多少任意調整（詳細布置見圖1）。該自動噴霧裝置的研制使用，減少了移架時人工開啟單向閥實現架間噴霧除塵這道工序原來人工操作來回開停頻繁，職工怕麻煩，有時架間噴霧不開，造成煤塵飛揚，影響防塵效果。
1－支架架間光控自動噴霧；2－支架架間手動噴霧；3－光控傳感器；4－光源；
5－采煤機內源噴霧；6－采煤機外噴霧。
圖1 采煤機行走割煤光控自動噴霧示意圖
2.2 采煤機負壓二次防塵裝置
采煤機負壓二次降塵是近期在高等院校幫助指導下研制的負壓二次降塵技術。它是利用噴吸裝置向塵源區域噴射霧流降塵，與此同時，在噴吸裝置內部的射流后方形成負壓區，將噴吸裝置尾部降壓場內的含塵空氣吸入并通過噴吸裝置再噴射出去，在這一過程中將煤塵捕捉下來。這種降塵方法的降塵效果與霧流參數、負壓強度、吸入空氣量、吸氣口負壓場范圍、工作區風速及方向等因素有關；對噴吸裝置而言，則與裝置的結構、尺寸、安裝位置、方向、噴嘴形式、噴口尺寸、噴霧壓力及流量等因素有關。采用負壓二次降塵技術應結合現場條件進行技術設計，以達到最佳降塵效果。
2.3 轉載機同步自動噴霧
原采煤工作面回風道在轉載機以外5～10m處安設1組回風流凈化水幕，采用閥門人工手動控制，但由于人為因素在轉載運行時而水幕經常忘記開動，造成粉塵得不到有效控制；有時膠帶機、轉載機停運、但水幕則正常噴霧，不僅起不到降塵效果，而且造成水資源浪費，并影響煤質。
針對以上存在問題，我們組織工程技術人員進行攻關，通過反復實驗，利用設備開停傳感器卡在轉載電機供電電纜上，只要轉載機轉動就有電流流動，開停傳感器將有信號輸出，利用光控或聲控自動噴霧主機，將開停傳感器獲取的信號進行處理，來控制電磁閥實現水幕自動開停。當轉載機開動有粉塵產生時，水幕自動開啟，進行噴霧降塵，當轉載機停止運行無粉塵產生水幕將自動關閉。該項技術的研究與應用，不僅節約大量水資源，且降塵效果明顯。
3 掘進工作面的防塵技術
在煤礦井下采、掘、運等幾項主要生產系統中，除回采外，巷道掘進是礦井的主要塵源。按掘進方式可分為機掘和炮掘兩種，隨著煤礦機構化水平的提高，現礦井掘進大都采用成巷速度快，勞動強度低的綜掘機掘進巷道。許廠煤礦是一個現代化程度較高的礦井，現所有巷掘進全部采用綜掘機掘進，現有綜掘機5臺，其中日本進口MRH－S200綜掘機2臺，國內佳本斯生產S100綜掘機3臺。由于機構化掘進工作面是用大功率綜掘機強力截割煤，產塵量特別大。據現場實測，在不采用綜合防塵措施情況下，機掘工作面的粉塵濃度為2000～3000 mg/m3，個別高達6000 mg/m3左右，不難看出，機掘防塵是礦井綜合防塵極為關鍵重要的一環。
3.1 綜掘機外噴霧與巷道風流凈化水幕聯動自動噴霧降塵技術
噴霧灑水降塵是機掘工作面采取的主要防塵措施之一。掘進機工作時噴霧灑水有兩種方式，即內噴霧和外噴霧。目前，我國煤礦使用的各種型號掘進機的內噴霧均利用地不好，主要原因是截割部伸縮油缸浮動密封不過關，容易使降塵水串入電機，造成電機短路，因此機掘工作面的噴霧灑水降塵主要還是靠綜掘機的外噴霧發揮作用。而外噴霧的開停是靠綜掘機司機操作人為控制，以及掘進迎頭內凈化風流水幕也采有閥門式人工開停，因此水幕經常得不到正常使用，造成粉塵超標。針對上述問題，我們研制了綜掘機滾筒旋轉割煤與巷道風流凈化聯動自動噴霧降塵裝置，該裝置原理是利用掘進機截割部控制操作電源（110V），從中引出一路控制線，進入三通接線盒，從接線盒中分出兩路，一路控制掘進機滾筒外噴霧裝置電磁閥，一路控制工作面30m內凈化風流水幕；當掘進時，只要滾筒旋轉，外噴霧裝置及風流凈化水幕將自動開啟，實現自動噴霧。當滾筒停止運轉時，兩組降塵裝置將自動停止噴霧。即：當掘進工作面有粉塵產生時，兩組降塵裝置將自動開啟實現噴霧降塵，當掘進工作面無粉塵產生時，兩組噴霧自動關閉。通過現場試用后取得了很好的降塵效果。
3.2 風水高壓遠程放炮自動噴霧技術
炮掘工作面中，放炮工序持續時間雖短，但產生的粉塵濃度卻比其它工序高。許廠煤礦半煤巖、全巖巷道均采用炮掘。針對放炮時工作面粉塵濃度高的特點，我們設計一種槍口式噴霧裝置。其工作原理是聲控風水聯動組合式，利用掘進工作面的供風供水管路組合而成，風、水在噴霧槍管內匯合后噴出，出水口在槍管內前端，高壓風口在后端，噴霧方向能隨意靈活調整。放炮時發出的爆炸沖擊波被傳感器接收并轉換成微弱電信號后傳送至主機，主機將同時控制供風、供水兩路管路的電磁閥打開，實現高壓遠程自動噴霧。以及噴霧槍口角度的反復實驗，取得了噴霧距離最遠可達到30m（見圖2），同時霧化效果好，通過現場實測，使用高壓遠程放炮自動噴霧降塵率達到90％以上。
圖2 高壓遠程放炮自動噴霧裝置原理圖
4 實施效果
綜上所述，在機械化程度相對較高情況下，采掘工作面除正常采取防塵措施，加之上述幾項自動化防塵技術的實施，使許廠煤礦井下粉塵得了有效控制。經現場粉塵實際測定，總測塵點（次）數122點（次），達到國家衛生標準112點（次），合格率達到100％；煤塵83點（次），合格73點（次），合格率88％。巖塵濃度控制在0.8～10 mg/m3，煤塵濃度控制在4～66 mg/m3，為井下生產創造了良好的工作環境，使礦井面貌整體上了一個新臺階。許廠礦2000年順利通過了ISO9002質量認證體系和ISO14001環保體系認證。2003年下半年正在組織OHSMS18000職工健康安全管理體系認證的外審工作，從而使礦井綜合管理水平在不斷提高，許廠煤礦已連續2a被評為全國高產高效雙十佳礦井。
