同煤攻坚千万吨级采掘面粉尘治理难题

　　细微颗粒的煤尘是煤矿五大自然灾害之一，随着煤炭开采机械化水平的不断提高，开采强度不断增大，煤矿的采煤、掘进、运输等生产过程中的粉尘产生量也急剧增加，给矿井作业人员身体健康和矿井的安全生产带来了很大的威胁。同时煤尘也可产生爆炸，可瞬间摧毁作业工作面及生产设备，其后果极为严重，危害极大。

　　同煤集团目前有塔山、同忻、麻家梁等千万吨级矿井，这些矿井的高产量随之带来的高粉尘量对井下安全生产和作业矿工的身体健康构成了巨大威胁。随着同煤集团千万吨级矿井集群建设步伐的加快，千万吨级矿井的防尘降尘技术探索势在必行。2014年，同煤集团与中国矿业大学和北京科技大学校企联合，共同立项攻关千万吨级采掘工作面粉尘综合治理难题，为千万吨级煤矿防尘降尘，保障员工人身健康和矿井安全探索出了一条行之有效的新路。2016年7月，该项技术荣获山西省科学进步二等奖。

　　调研论证 确定方案

　　同忻煤矿是同煤集团的主力生产矿井，年产达1000万吨。“我们矿降尘除尘工作全部由我们通风区负责，过去沿用老矿的除尘方式，遇到了很多问题：石炭二叠纪煤层地压大，煤质孔隙小相对紧密，单纯靠经验进行煤层注水，增加煤含水量来减少粉尘，其湿润半径远达不到18米放顶煤的开采需要；同忻矿产量大，运输战线长，相对的煤尘量就要比老矿高的多，同时为了配合产量和工作面的长度，井下风量大就会相对提高，而皮带的运输方向和风流正好逆着，无论你怎么在采运设备上如何做文章，传统的降尘除尘方式都不能匹配千万吨的采掘能力。”同忻煤矿通风区党支部书记吕文斌介绍道，“我们也到处取过经，套用其他先进煤矿的除尘方法，但都不尽如人意。”

　　科研人员就此将科研地点设在同忻煤矿，以同忻矿综掘工作面为实验模型，通过现场调研和理论分析、上万次的实测粉尘运移和分布规律和煤体的湿润性和渗透性，详细计算传统粉尘治理措施中存在的不足，最终确定设计研究以“石炭二叠纪煤层开采注水为主，采、运除尘设备为辅的千万吨级采掘工作面粉尘综合治理”的防尘降尘方案。

　　科学注水 源头降尘

　　欲流之远者，必浚其泉源。只有针对煤质特性，搞清楚煤层吸水规律、煤层湿润半径，合理有效进行注水，才能从源头上降尘防尘。这就需要大量的注水、取样、计算、对比。“那个时候，我们有半年时间每天要进行煤层注水后含水量的取样测定，高校注重理论，我们强调生产实践。治尘除尘是一个井下各种技术的综合，只有结合各方面因素，多试验多观测，才能拿到最科学的结果。”当时负责实测取样的同忻矿通风区技术主管孙亮感慨道。

　　为了使注水最多且不从煤壁裂隙渗漏，技术人员先从改变传统打孔角度和位置入手，变横向打孔为倾角3-5度打孔，直达顶板，增加水流覆盖面积。同时，采用不同间距不同水压对比分析，以含水量达到4%为临界点，确定湿润半径，找到最经济合理的打孔位置。“那时候就是定人、定时、定点、定任务，光对比打孔距离，测量湿润变径，我们每个班就要进行三次注水量的记录，工作量是可想而知的。”孙亮回忆着。

　　位置确定了，新问题又接踵而至。要保证贯通煤壁进行注水，过去钻孔和封孔的深度就远远不能满足了。为此，项目技术员与院校负责人一边想办法优化整个系统，一边在封孔泥浆上寻找突破口。“泥浆太稀了，钻孔深部就干不了；太稠了，高压水泵又顶不动。后来在高校的帮助下，我们选定了七八种凝固剂和稠化剂加在泥浆中，经过近两个月的时间，才确定了配方，在全集团首开先例做到20米封孔两个小时全部凝固。”吕文斌说。

　　其后的三个月里，研究团队又通过电脑数字模拟，设定和井下相同参数双向验证后，成功建立起了煤层注水湿润半径的数学模型和三维几何模型，为石炭二叠纪煤层注水研究提供了大量的参考。最终，技术人员对比计算出最优的注水方式，极大地提高了煤体的含水率，达到了源头降尘的目的。

　　采、运控制 全面降尘

　　煤矿粉尘的起源一是在机械化采掘作业中产生，二是在运输、转载过程中产生，所以采、运除尘设备的革新应用尤为重要。

　　结合同忻矿采掘工作面粉尘运动规律，技术人员在割煤机的喷水装置上做文章。通过实验研究工作面风速、喷雾水压、喷雾气压等因素，设计制作出适用于综放工作面的气水雾化喷嘴，并通过合理控制水压、气压，使气水喷雾效果达到最佳，有效降低了综放工作面移架尘源、割煤尘源。“割煤的时候，煤尘会在巷道风的作用下被拉长，我们现在就是根据不同条件下粉尘运动规律的变化，对割煤机气水雾化喷嘴再加工，通过控制水压和气压，达到最大射程、最佳除尘距离，达到对重点区域的降尘除尘。”孙亮在模拟装置实验图上解释道，“我们还在兼顾成本和除尘效果的同时，研究多种表面活性剂的发泡性能、吸附煤尘的张力，确定了泡沫除尘剂配方，加强了除尘效果。”

　　针对同忻矿机械化巷道的特点和要求，科研人员又利用离心、水浴、水膜三种除尘机理，研制出自激式水浴水膜除尘器，变巷道中原来直线流通的风为沿巷道壁的旋转风流，使煤尘在风力作用下，运动至煤壁下沉，相对于传统除尘器，新型自激式水浴水膜除尘器的除尘效果可达96%以上，呼吸性除尘效率达90%以上，有效抑制了煤炭在井下巷道运输中的粉尘扩散。

　　千万吨级采掘工作面粉尘综合治理技术在同忻煤矿采掘工作面的应用，显著提高了该矿粉尘治理水平，极大地降低了作业空间的粉尘浓度，保障了作业人员的身体健康和矿井安全生产。目前，该项技术已经推广至同煤集团各大千万吨矿井。

　　（吴玲）