【文章內(nèi)容簡介】 工藝的綜采工作面具有借鑒意義。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 綜采工作面防塵研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)長期以來，煤礦“一通三防”是礦井安全管理的一項(xiàng)重要工作，而煤礦粉塵防治是礦井“一通三防”工作的重中之重，煤礦防塵問題一直是煤礦通防安全管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。煤塵災(zāi)害作為礦井五大災(zāi)害之一，其危害極大，除了掘進(jìn)工和其他同巖石接觸的工人可能得矽肺病以外，其他長期和煤塵接觸的工種吸入煤塵，能引起煤肺病，嚴(yán)重影響職工的身體健康；同時(shí)還可能引起煤塵爆炸，造成大量人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。煤礦粉塵是影響礦井安全高效生產(chǎn)，危害職工健康的主要災(zāi)害之一。一般而言，隨著采掘機(jī)械化水平的不斷提高和煤礦開采強(qiáng)度的不斷增大，加之生產(chǎn)的高度集中，礦井粉塵問題欲顯突出。據(jù)煤炭行業(yè)可靠資料顯示，在測(cè)定3 / 69綜采工作面采煤機(jī)割煤時(shí)，司機(jī)及下風(fēng)側(cè) 10m 處人行道的瞬時(shí)原始總粉塵濃度曾達(dá)到 2022~4000mg/m3，礦井開采強(qiáng)度大，產(chǎn)塵源多，粉塵問題變得越來越嚴(yán)重。我國煤礦不僅發(fā)生過數(shù)十次煤塵爆炸事故，造成數(shù)千人死亡，而且更嚴(yán)重的是導(dǎo)致礦工患?jí)m肺病，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)影響。因此，需總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，加大科研投入力度，利用現(xiàn)代科技成果，研究開發(fā)和控制綜采工作面粉塵新技術(shù)，加大我國煤礦綜合防塵的力度，對(duì)于改善礦工的作業(yè)環(huán)境、保證煤礦安全高效開采、推動(dòng)防塵技術(shù)的發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。采煤工作面是煤礦井下作業(yè)人員和電器機(jī)械設(shè)備高度集中的工作場(chǎng)所，也是連續(xù)產(chǎn)塵強(qiáng)度較大的作業(yè)場(chǎng)所。采煤的各項(xiàng)工序都會(huì)產(chǎn)生大量煤塵和巖塵，特別是在機(jī)械截割、運(yùn)輸機(jī)械轉(zhuǎn)載震動(dòng)、工作面支護(hù)等多工序平行作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的粉塵量更大。一般來說，普采工作面粉塵濃度高于炮采工作面幾倍至幾十倍，而綜采工作面又高于普采工作面幾倍至幾十倍。阜新礦務(wù)局綜采面的粉塵濃度達(dá)2022~2500mg/m3，陽泉礦務(wù)局綜采工作面的粉塵濃度最高達(dá) 8888mg/m3。綜采工作面粉塵的來源較多，如進(jìn)風(fēng)流的污染、采掘機(jī)械割煤、裝煤和破碎，液壓支架周期性移架，運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)和破碎機(jī)破煤處都會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，其中采煤機(jī)、液壓支架移架處于風(fēng)流中隨時(shí)移動(dòng)，產(chǎn)生的粉塵可隨風(fēng)流漂移和擴(kuò)散，難以用密閉罩封閉塵源，增加了治理難度；而轉(zhuǎn)載點(diǎn)和破碎機(jī)處的塵源相對(duì)固定，可采用密閉罩控制粉塵的飛揚(yáng)；采煤機(jī)割煤是工作面最主要的塵源，移架居第二位(特別是當(dāng)工作面頂板破碎時(shí)，更是如此)。因此，綜采工作面粉塵的控制應(yīng)以采煤機(jī)為中心 [34]。 目前從國內(nèi)外所查到的資料表明：綜采工作面的粉塵控制技術(shù)主要采用煤層注水、采煤機(jī)高壓噴霧降塵技術(shù)、液壓支架自動(dòng)噴霧灑水、轉(zhuǎn)載點(diǎn)密閉自動(dòng)噴霧降塵、合理選擇采煤截割機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)、泡沫除塵和除塵器除塵等凈化措施。其中，煤層注水是國內(nèi)外主要采用的降塵方式，一般可降低粉塵濃度60%~90%左右；泡沫除塵和除塵器除塵等凈化措施在國外主要產(chǎn)煤國家應(yīng)用，是一種新型高效的除塵方法，尤其是泡沫除塵的效果好一般可達(dá) 90%以上,特別是對(duì)5mm 以下的呼吸性粉塵,除塵率可達(dá) 80%以上,且泡沫除塵同噴霧灑水降塵相比,其耗水量減少 1/2 以上 [5]。不過，其它除塵方法在應(yīng)用發(fā)現(xiàn)一些問題，主要是合理的注水參數(shù)和注水工藝難以確定(因?yàn)椴煌簩雍吐癫貤l件是不一樣的)、采煤機(jī)和液壓支架噴霧系統(tǒng)布置形式和噴霧參數(shù)不太合理，從而一定程度上影響了煤礦降塵效果?？偨Y(jié)目前技術(shù)研究成果，雖然我國在煤礦粉塵防治技術(shù)方面取得了一定的進(jìn)展和成績，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了日益嚴(yán)重的煤粉塵治理的需要。未來的煤塵防治工作，應(yīng)在吸收國外煤塵防治先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)發(fā)展適合我國煤炭生產(chǎn)的煤層注水技術(shù)、超高壓噴霧降塵、布袋除塵技術(shù)、聲波霧化除塵技術(shù)、磁化水噴霧降塵等技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)防塵技術(shù)的新突破，為我國煤礦的安全高效開采提供現(xiàn)實(shí)條件。 煤層注水研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)煤體注水作為一項(xiàng)防塵措施，早在上世紀(jì) 40 年代法國、西德、蘇聯(lián)、波蘭、英國、美國、比利時(shí)、捷克斯洛伐克等幾個(gè)主要產(chǎn)煤國家相繼進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，而且效果效果顯著，并逐漸推廣應(yīng)用。當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)這樣的事實(shí)：工作面的空氣中的煤塵不只是來自采掘機(jī)械的破碎作用，而是來自，有時(shí)甚至主要是來自煤層中天然形成的無數(shù)裂縫中原來就已存在的大量微細(xì)煤塵。將水注入煤層時(shí)，水就沿著煤的層理面、節(jié)理面以及其他無數(shù)的構(gòu)造裂隙流動(dòng)，使整個(gè)煤體變的潮濕，同時(shí)也使這些裂隙中原來就有的煤塵得到濕潤，在開采過程中不至于揚(yáng)起，進(jìn)入空氣流中。 我國的煤體注水防塵工作始于 60 年代中期，先在本溪、陽泉、開灤、萍鄉(xiāng)等礦區(qū)進(jìn)行了長孔和短孔的注水試驗(yàn)，后來相繼在大同、西山、石嘴山、中梁山、松藻、北京等局礦進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)和推廣。在 1976 年我國的科研部門研制成功我國第一臺(tái)煤層注水專用水泵(5D2/150 型注水泵)及煤層注水自動(dòng)封孔器 (2YY501 型封孔器) ，注水專用機(jī)具及測(cè)試儀表的研究工作也同時(shí)取得進(jìn)展。據(jù) 1989年統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)配煤礦總公司所屬的統(tǒng)配煤礦，注水工作面數(shù)占總采煤工作面數(shù)的40％。其中，石炭井礦務(wù)局已達(dá)到 90％(包括采空區(qū)灌水)，降塵率達(dá) 60~95％；新汶礦務(wù)局不僅做到了中厚煤層逢采必注，不注不采，而且孫村、華豐、西港、泣南、南冶五個(gè)煤礦對(duì)薄煤層注水也取得了較好的效果，1988 年全局有 75 個(gè)采煤工作面注水，注水工作面的產(chǎn)量占原煤總產(chǎn)量的 73％，降塵率達(dá) 75~85％；兗州礦務(wù)局主采煤層為 3 號(hào)煤層，煤質(zhì)堅(jiān)硬，孔隙率僅為 ~％，屬于難注水煤層，但在南屯煤礦綜采工作面采用高壓脈沖、中壓濕潤及高、中壓交替注水的方法，取得了良好的效果，陷塵率達(dá) 47~62％；興隆莊煤礦對(duì)難注水煤層利用濕潤劑也取得了好的效果，降塵串達(dá) ％；陽泉煤礦的 3 號(hào)煤層(七尺煤層)是中厚煤層，煤質(zhì)較硬，裂隙與孔隙都極不發(fā)育，采用長鉆孔注水方式注不進(jìn)水，而改5 / 69為短鉆孔方式注水，取得了可喜的結(jié)果。這幾個(gè)煤礦為解決難注水煤層的注水問題開辟了新途徑，提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。此近年來，采用煤層注水防塵的工作面越來越多，也取得了較好的效果 [67]。煤層注水作為國內(nèi)外煤礦廣泛采用的最積極、最有效的防塵措施。我國《煤礦安全規(guī)程》第一百五十四條第二項(xiàng)明確規(guī)定，采煤工作面必須采取煤層注水防塵措施。我國煤礦主要常用的煤層注水方式見表 11，表 11 我國煤礦主要常用的煤層注水方式 Main seam water injection methods monly used in chinese coal mines注水方式 鉆孔地點(diǎn) 鉆孔長度 特點(diǎn)長鉆孔注水工作面回風(fēng)或運(yùn)輸巷道30m 在原始應(yīng)力區(qū)的煤層中注水短鉆孔注水 工作面 6m在降低應(yīng)力區(qū)的煤層中注水，裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)，注水壓力低。深孔注水 工作面 6~20m在升高應(yīng)力區(qū)的煤層中注水，裂隙不發(fā)育，透水性弱，注水壓力高。巷道鉆孔注水(遠(yuǎn)距離鉆孔注水)上部煤層巷道或底板巷道不定在降低應(yīng)力區(qū)的煤層中，或瓦斯卸壓煤層中注水。長鉆孔注水方式具有煤體濕潤均勻、濕潤范圍大、對(duì)生產(chǎn)干擾小、能適應(yīng)高強(qiáng)度采煤等優(yōu)點(diǎn)，在煤層厚度大于 、沒有或只有較小的定向斷層、煤層傾角穩(wěn)定、頂?shù)装逦鬅o嚴(yán)重影響、煤(煙煤)的孔隙率大于 4％時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用。短鉆孔注水方式具有對(duì)地質(zhì)條件及圍巖性質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)煤層厚度小于 及不適用于長鉆孔注水條件的煤層可考慮采用。深孔注水方式不僅具有短鉆孔注水方式所具有的優(yōu)點(diǎn)，適用于中厚與厚煤層，而且鉆孔數(shù)量較少，濕潤范圍較大不影響采煤工作。但注水壓力較高。如果煤(煙煤)的孔隙串大于 4％并能在采煤循環(huán)中安排出注水時(shí)間，可考慮采用。目前，我國煤礦廣泛采用超前長孔注水法，即利用工作面前方卸壓區(qū)的本煤層瓦斯抽放鉆孔，代替注水孔，進(jìn)行長孔注水。不僅減少了打鉆孔工作量，而且實(shí)現(xiàn)了一孔兩用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益 [8]。國內(nèi)煤層注水方面的文章中談到的注水方式，大多是采用比較單一的手段，很少綜合注水方式的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]在基于煤層注水及防塵機(jī)理進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，提出混合式煤層注水方式，即脈沖動(dòng)壓注水與靜壓注水相結(jié)合進(jìn)行注水。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到了注水量與注水壓力及注水時(shí)間的關(guān)系，并得到了煤層注水與降低現(xiàn)場(chǎng)的粉塵(全塵與呼塵)含量間的關(guān)系。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度有了較大的減少，現(xiàn)場(chǎng)的粉塵含量減少了 40％以上，呼吸性粉塵含量減少量在20％以上。表 12 我國部分礦井煤層注水降塵效果 Effects of coal dust injection in some of chinese coal mines空氣中煤塵含量 mg/m3礦名 注水方式 加壓方式注水前 注水后降塵率 (%)石炭井各礦 長孔 靜壓 800~150 100~ 60~95撫順龍鳳礦 長孔 靜壓 5040~460 72~80 61~大同同家梁礦 長孔 靜壓 1320~300 584~64 56~井徑三礦 長孔 靜壓 82~116 32~40 60~70陽泉二礦 長孔 動(dòng)壓 1829~532 661~46 64~92軒崗六畝地礦 長孔 動(dòng)壓 404 132 棗莊陶村礦 長孔 動(dòng)壓 227 78 新汶孫村礦 長孔 動(dòng)壓 128~460 40~80 69~89北京門頭溝礦 長孔 動(dòng)壓 28~ ~ 73~83雙鴨山礦務(wù)局 長孔 動(dòng)壓 90~230 21~48 77~79撫順勝利礦 長孔 動(dòng)壓 7256~310 895~ 70~中梁山礦南井 長孔 動(dòng)壓 1300 620~328 52~75雞西東海三井 長孔 動(dòng)壓 673 187 平頂山礦務(wù)局 長孔 靜壓 420 59 平頂山八礦 短孔 靜壓 512 64 75陽泉三礦 短孔 動(dòng)壓 69通過查閱煤層注水相關(guān)資料，總結(jié)煤層注水的研究和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)主要集中在以下幾個(gè)方面：1)運(yùn)用數(shù)學(xué)工具對(duì)注水工藝參數(shù)優(yōu)化選擇：2)水在具有裂隙和孔隙的雙孔介質(zhì)中的流動(dòng)運(yùn)移方式、煤體吸濕速度；3)針對(duì)高變質(zhì)煤表面憎水基團(tuán)而添加表面活性劑；4)針對(duì)降塵提高浮游微塵捕獲率而添加粘塵棒；5)耦合固體變形與液體在雙孔介質(zhì)中流動(dòng)運(yùn)移的固流耦合理論等。毫無疑問，前人所做的大量的工作極大地提高了礦山安全生產(chǎn)水平，改善了井下作業(yè)環(huán)境，為我國現(xiàn)代化建設(shè)做出了貢獻(xiàn)。但對(duì)比表 12 中數(shù)據(jù)和先進(jìn)國家井下的煤塵的數(shù)據(jù)，雖然這些7 / 69數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的是全塵，也就是包含了 100181。m 以下的全部粉塵，而呼吸性粉塵只包含小于 5181。m 的粉塵，但是也可以粗略的看出我們?cè)诘V塵治理方面與發(fā)達(dá)國家之間的巨大差距 [10]。為了正確評(píng)價(jià)掘進(jìn)工作面防塵措施對(duì)作業(yè)環(huán)境的影響，湘潭礦業(yè)學(xué)院劉榮華等結(jié)合壓入式通風(fēng)掘進(jìn)工作面風(fēng)流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探討掘進(jìn)工作面噴霧降塵對(duì)工作面三區(qū)空氣濕度分布的影響，建立了三區(qū)濕度計(jì)算模型，得出了壓入式通風(fēng)掘進(jìn)工作面三區(qū)濕度分布不均勻的規(guī)律，為進(jìn)一步研究通風(fēng)過程中掘進(jìn)工作面空氣濕度的分布，正確評(píng)價(jià)掘進(jìn)工作面作業(yè)環(huán)境及防塵措施，提供了新的理論依據(jù)。煤炭科學(xué)研究院重慶分院張廷松對(duì)煤體水份、風(fēng)速和產(chǎn)塵量之間的關(guān)系及其噴霧引射降塵效果進(jìn)行了研究，得出了煤體的濕度及風(fēng)速對(duì)產(chǎn)塵的影響。神華集團(tuán)神東公司安監(jiān)局孫小平等對(duì)連采機(jī)掘進(jìn)巷道的氣幕控塵技術(shù)進(jìn)行了研究，氣幕控塵裝置在掘進(jìn)面國外連采機(jī)上的成功使用，為我國機(jī)掘工作面粉塵治理開辟了新的技術(shù)途徑：該裝置能有效地控制連采工作面粉塵，將我國機(jī)掘工作面粉塵治理提高到一個(gè)新的水平，開創(chuàng)了氣幕控塵技術(shù)在國內(nèi)使用的先例 [11]。為了提高注水防塵效果，改善水對(duì)煤的濕潤能力，開展了煤層注水中添加了濕潤劑的研究。文獻(xiàn)[12] 通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際煤層注水的研究，提出：表面活性劑提高煤層注水效果是由于水中加入濕潤劑后水的表面張力和濕潤邊界減小，提高了水溶液的毛細(xì)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)能力，從而提高了煤層注水的效果：濕潤劑水溶液與清水注水相比，可使水份增加提高 ％~％，同時(shí)還促使了煤層中水的均勻分布。文獻(xiàn)[13] 研究了在煤層注水時(shí)，加入不同濃度的表面活性劑考察煤層的濕潤角，改善了水對(duì)煤的潤濕性能參數(shù)，可以使煤體得到均勻的潤濕，提高了注水效果。文獻(xiàn)[14] 中介紹一種具有降低注入水表面張力和防止注入水分蒸發(fā)雙重功效的注水添加劑一粘塵棒，并在煤礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，添加粘塵棒可使煤層注水的水分增加 倍、潤濕半徑達(dá)至 40m 以上、煤中蒸發(fā)量降低 ～ 倍、采煤機(jī)附近的降塵率達(dá)到 ～％。研究發(fā)現(xiàn)，在利用降塵劑增加與煤的吸水性、添加粘塵棒增加煤層注水的效果等，這些措施能夠提高注水效果，但是容易污染地下水資源 [15]。文獻(xiàn)[16]采用理論分析的方法，研究了磁化水的理化特性和進(jìn)行煤層注水時(shí)的增注機(jī)制．結(jié)果表明，磁化水的水分子鏈(團(tuán))中的氫鍵會(huì)發(fā)生彎曲和局部斷裂，水分子問的引力常數(shù)變小，水分子得到活化，導(dǎo)致水的表面張力降低，加大了煤體對(duì)水分子的吸附能力，提高了煤體的潤濕效果；水的粘度系數(shù)的降低，加快了水在煤體中的滲流速度，提高了水在煤體中的滲透率分析表明，磁化水在煤層注水方面的應(yīng)用具有良好的應(yīng)用前景。 在利用現(xiàn)代科技，實(shí)現(xiàn)煤層注水自動(dòng)化控制方面。文獻(xiàn)[17]在通過對(duì)煤層注水滲透過程分析的基礎(chǔ)上，建立自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后建立控制模型，通過計(jì)算機(jī)和各種傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層注水的有效控制。近幾年來，我國大部分學(xué)者對(duì)煤塵注水煤體潤濕機(jī)理探究及其參數(shù)合理選擇作了大量的研究工作，取得了可喜的成績，其中著名代表有李宗翔、康天合、趙陽升、金龍哲、俞啟香等。他們運(yùn)用數(shù)值模擬及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)煤層注水過程進(jìn)行細(xì)致分析 [1819]，揭示了煤層注水時(shí)水滲透特性 [20]及水氣兩相流體的非線性滲流規(guī)律 [21]，提出了煤體潤濕機(jī)理 [18]、注水防突理論 [22]，從而為注水設(shè)計(jì)及施工