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中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 161 基于掘进工作面粉尘综合治理及技术改进分析 张 洁 新疆龟兹矿业有限公司，新疆 库车 842000 摘要：摘要：本研究针对煤矿掘进过程中的高浓度粉尘问题，提出并实施了一套综合降尘技术及工艺。该技术工艺包括大直径钻孔煤层注水、掘进机喷雾块改造、高压外喷雾降尘技术、湿式钻进技术等，结合可伸缩式全断面捕尘喷雾装置和高效清除二次扬尘技术工艺，旨在从源头和过程中两个方面降低粉尘的产生和扩散。实施结果显示，这套技术工艺显著改善了矿井内的粉尘污染状况。具体来说，煤层含水率平均增加了 3.82%，有效地抑制了粉尘的产生；同时，总粉尘的平均降尘率达到了 98.72%，呼吸性粉尘的平均降尘率达到了 97.36%，显著提高了粉尘的清除效率。关键词：关键词：掘进工作面；粉尘治理；技术方案；优化；实施效果 中图分类号：中图分类号：TU82 0 引言 在矿井综合机械化开采过程中，粉尘浓度的增大对矿井安全和员工健康产生了负面影响。尤其是在掘进工作面，由于工作条件的特殊性，粉尘问题更为严重。粉尘不仅恶化了工作环境，增加了员工患尘肺病的概率，而且易引发煤尘爆炸事故，影响矿井的安全高效生产1。因此，掘进工作面粉尘的综合治理及技术改进成为了当前研究的热点。过去的研究主要集中在单一的煤机喷雾、工作面喷雾技术等方面，但这些技术对粉尘治理的效果有限。为了解决这个问题，本研究依托某煤矿工程，采用理论分析、试验验证、技术改进等手段，对采掘工作面降尘进行了深入研究，形成了一套掘进工作面作业前、作业中、作业后的综合降尘技术及工艺2。本研究的目的是通过对这套综合降尘技术及工艺的深入研究和应用，为矿井掘进工作面粉尘的综合治理提供新的理论依据和技术支持，从而提高矿井的安全性，保护矿工健康，实现矿井的安全高效生产。1 案例分析 1.1 工程的概述 本研究的案例煤矿为新疆龟兹矿业有限公司煤矿西井，是一个具有显著地质特征和独特开采条件的煤矿。该矿井的瓦斯涌出量较小，绝对瓦斯涌出量为 3.15 m3/min，相对瓦斯涌出量为 1.63 m3/t，为低瓦斯矿井，矿井水文地质类型为中等，属自燃煤层。在地质条件方面，煤层平均厚度在 4.8-6m 之间，这种厚度的煤层在开采过程中会面临更大的安全风险。煤层坚固性系数为 0.72，这个较低的坚固性系数意味着煤层的稳定性较差，这对于矿井的安全生产也是一个较大的威胁。此外，煤层的水分为 3.40%，灰分为 18.95%，挥发分为 29.78%，这些参数都表明煤尘具有爆炸性，火焰长度达到 200 mm。这种爆炸性的煤尘在矿井中的存在，极大地增加了矿井的安全风险。1.2 粉尘问题分析 1.2.1 主要问题分析 在本煤矿中，由于煤层厚度大，坚固性系数低，采用的是掘进机、锚杆机一次完成巷道成型和支护的掘进方式，这种开采方式虽然提高了工作效率，但也使得粉尘的产生和扩散更为严重。同时，矿井的高瓦斯涌出量也加剧了粉尘的扩散，使得矿井内的粉尘浓度持续处于较高水平。此外，煤层的水分、灰分、挥发分等参数也影响了粉尘的形成。1.2.2 粉尘的主要来源 在矿井开采过程中，粉尘的主要来源包括煤层开采、补支巷道以及积尘的二次扬起。煤层的内在水分降低，导致煤质干燥，在掘进过程中易产生大量粉尘。在本矿井中，原始内在水分为 3.40%，煤质较为干燥，粉尘产生的可能性增大。此外，补支巷道的过程中，使用风动麻花钻杆进行操作，也会扬起大量粉尘。积尘在矿井内的二次扬起也是粉尘来源的一个重要部分，中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 162 这些积尘在矿井的通风、运输等过程中被扬起，形成浮尘，进一步增加了矿井内的粉尘浓度3。这些粉尘来源都对矿井的安全生产和矿工的健康构成了威胁，需要采取有效的措施进行治理。2 掘进工作面粉尘综合治理及技术优化 在掘进工作面粉尘综合治理及技术优化方面，本研究采取了一系列技术手段，以实现矿井的安全高效低尘化生产。这些技术手段包括大直径钻孔煤层注水、改进掘进机喷雾块、设计全断面捕尘网和风筒清扫器等，旨在最大限度减少产尘源、最大可能捕捉粉尘、最大程度净化风流。大直径钻孔煤层注水可以湿润煤炭，降低粉尘产生和扩散；改进的掘进机喷雾块可以在源头上减少粉尘的产生；全断面捕尘网和风筒清扫器则可以有效捕捉和清除二次扬尘。2.1 直接降尘技术 2.1.1 大直径钻孔煤层注水技术 在煤矿掘进过程中，粉尘的产生是一个重要问题，需要采取有效的措施进行控制。大直径钻孔煤层注水技术是一种有效的降尘技术，它通过向煤体注入水分，提高其湿度，降低其硬度，增强其塑性，从而控制粉尘的生成。在案例煤矿中，采用双巷掘进和联络巷正向贯通工艺，先掘进风巷及半个联络巷，然后掘回风巷，施工探放水钻孔，进行超前钻探。在掘进过程中边掘边注水，提高煤体注水效果。施工本煤层孔（孔 2和孔 4）2 个、底板孔（孔 1 和孔 3）2 个，钻孔长约130m 和 140 m，钻孔直径 75 mm，采用 45 mm 橡胶注水封孔器进行封孔，注水范围覆盖掘进工作面前方 100 m，动压注水的压力为 10 MPa。煤层注水钻孔平面图如图 1 所示。133.5m130.0m132.5m140.4m11.612.512.520m20m130m掘进工作面运输巷出风巷 图 1 煤层注水钻孔平面示意图 2.1.2 掘进机喷雾块改造技术 在掘进过程中，掘进机喷雾块是一个关键部件，它在除尘喷雾系统中起着重要作用。然而，由于围岩应力的影响，截割煤体破落的大块煤可能会挤压喷雾块，导致其变形或断裂。为了解决这个问题，对喷雾块进行了改造，改造的主要方法是将破损的喷雾块两侧各锯掉 150 mm，从而减少喷雾块与截割头重叠区域的间隙。这样，即使在大块煤体破落时，喷雾块也不会受到挤压。通过这种方式，成功地降低了设备故障率，保障了设备开机率，进一步保证了安全高效生产。2.1.3 高压外喷雾降尘技术 在掘进工作面粉尘综合治理与技术改进的实践中，高压外喷雾降尘技术被证实为一种有效的降尘手段。该技术的核心在于通过改造掘进机的喷雾装置，实现全断面的降尘效果。在截割滚筒上侧，安装了两组喷雾块，这些喷雾块在截割煤体时产生的高压喷雾，能够有效地降低粉尘的产生5。然而，仅依靠这些喷雾块并不能达到理想的降尘效果，因此，本研究进一步提出了加装铲板喷雾装置的改造方案。这种改造方案的实施，使得电动机冷却循环水得以利用，对特定区域进行持久降尘，从而显著提高了降尘效果。此外，通过调整喷雾压力至 3-5 MPa，使得喷雾在出口边缘处的附面层会变成湍流，破碎段越长，水滴颗粒也就越小，防尘效果越好。2.1.4 湿式钻进技术 在补支作业中，粉尘的产生是一个不容忽视的问题，尤其是在使用气动手持式钻机进行作业时。为了解决这个问题，我们引入了湿式钻进技术工艺。这种技术的核心在于自带水套的钻尾，这个钻尾可以连接在麻花钻杆的末端。这样可以形成一个可控、清洁的水路，这个水路可以在钻进过程中提供持续的水分，从而有效地控制钻进作业时的扬尘量。2.2 后期粉尘处理技术 在掘进工作面粉尘综合治理的后期处理技术中，出风巷的积尘问题尤为突出。由于风流和风筒振动的作用，积尘可能引发二次扬尘，进一步增加粉尘浓度。通过引入可伸缩式全断面捕尘喷雾装置和风筒清扫器装置，可捕捉浮尘和清扫积尘，从而有效降低回风巷道内的粉尘浓度。可伸缩式全断面捕尘喷雾装置通过喷雾捕捉浮尘，而风筒清扫器装置则通过物理方式清中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 163 扫积尘，两者的联合使用，实现了粉尘浓度的有效控制。2.2.1 回风巷可伸缩式全断面捕尘喷雾装置 该装置由导轨、导轮、E 型喷雾杆和多片组合式捕尘网组成。其中，捕尘网由宽 0.5m、高 3.5m 的捕尘片构成，捕尘片通过镀锌管（直径为 21.3 mm）和钢筋（直径为 10 mm）焊接支架连接。通过设备的伸展和收缩以及优化的喷头配置进行捕尘，实现了全断面的粉尘捕捉。此外，设计了一种弧形捕尘副网，以进一步提高捕尘效果。该装置的工作原理主要是通过KJ25胶管和喷雾杆将净化水输送至喷头，配合自由折叠式捕尘网进行全断面净化风流，捕捉粉尘。这一过程中，净化水的喷射和自由折叠式捕尘网的作用相结合，形成了一道有效的粉尘防护屏障。此外，装置的自由运动部分设计使其在实际操作中更具灵活性和便捷性，能够根据实际需要进行调整，从而在保证防尘效果的同时，也不影响行人和矿车的正常通行。巷道进风流全断面捕尘装置如图 2 所示。图 2 巷道进风流全断面捕尘装置 2.2.2 高效清除二次扬尘技术 针对风筒积尘引发的二次扬尘问题，新型风筒清洁器的设计和应用显得至关重要。这种设备以其稳定可靠、简单高效的特性，成功地清理了风筒上的积尘，提升了工作效率，同时避免了高空作业，确保了工作人员的安全。新型风筒清洁器采用 21.3 mm 镀锌管作为工具手柄，刷子头部选用毛刷并根据风筒直径制成弧形，使得清洁时能紧贴风筒，增强清洁效果。另外，刷子头部配备喷雾设备，实现一边刷洗一边喷雾，进一步提高了清洁效率。3 效果评价 3.1 煤体含水率的变化 通过实验室测试和现场取样，通过对注水前后的煤层水分进行了详细的分析。结果显示（如表1所示），注水后煤层的平均水分从原始的3.40%增加到了7.22%，增幅达到了 3.82%。这一数据的提升，充分证明了注水技术在提高煤体含水率方面的有效性。同时，我们还注意到，矿井煤层孔隙率为 6.7%，这也为水分的增加提供了空间。3.2 掘进机技术改进后的降尘效果 在掘进工作面粉尘综合治理及技术改进的研究中，对掘进机技术改进后的降尘效果进行了评价。通过直读式粉尘质量浓度测定仪，对掘进机改进前后的粉尘浓度进行了测定。在掘进机司机位置，改进前总粉尘质量浓度为256.43 mg/m，可吸入粉尘质量浓度为 86.25 mg/m；改进后，总粉尘质量浓度降为 3.42 mg/m，可吸入粉尘质量浓度降为 2.38 mg/m，总粉尘降尘率达 98.72%，可吸入粉尘降尘率达 97.36%。在支护工位置，改进前总粉尘质量浓度为 212.23 mg/m，可吸入粉尘质量浓度为 76.34 mg/m；改进后，总粉尘质量浓度降为 58.17 mg/m，可吸入粉尘质量浓度降为 37.18 mg/m，总粉尘降尘率为 72.59%，可吸入粉尘降尘率为 51.30%。在回风流处，改进前总粉尘质量浓度为 86.63 mg/m，可吸入粉尘质量浓度为 38.52 mg/m；改进后，总粉尘质量浓度降为 49.52 mg/m，可吸入粉尘质量浓度降为 24.91 mg/m，总粉尘降尘率为 42.84%，可吸入粉尘降尘率为 35.33%。这些数据清晰地展示了技术改进后，总粉尘和呼吸性粉尘的降尘率均有显著提升。3.3 湿式钻进技术降尘效果的变化 表 1 应用注水前后工作面原煤水分及全水分变化情况 工作面 应用 方式 实施注水前 实施注水后 原煤水分 Mad%全水分 Mt%序号 采样深度/m 原煤水分 Mad%全水分 Mt%联络巷 手持风动螺旋钻 3.51 3.51 1/1#9.5 3.51 6.95 1/2#10.6 7.11 2/1#9.5 7.62 2/2#10.6 7.44 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 164 在巷帮钻进过程中，湿式钻进技术的应用对粉尘浓度的降低起到了显著的效果。通过在钻进下风侧 3m 处设置测尘点，对干式钻进和湿式钻进的粉尘浓度进行测定，结果显示，湿式钻进后，总粉尘质量浓度由143.25 mg/m降至42.40 mg/m，降尘率达 70.40%；呼吸性粉尘质量浓度由 67.28 mg/m降至 26.39 mg/m，降尘率达 60.78%。这些数据充分证明了湿式钻进技术在降低粉尘浓度、提高作业环境质量方面的显著效果。3.4 回风流防尘网降尘效果的评估 在掘进机割煤作业中，全断面喷雾捕尘装置的应用显著提高了粉尘降尘率。通过在回风流防尘网前后2m 位置设置测尘点，对总粉尘和呼吸性粉尘进行测定，结果显示，防尘网后，总粉尘质量浓度由 68.47 mg/m降至 11.48 mg/m，降尘率达 83.23%；呼吸性粉尘质量浓度由 31.82 mg/m降至 7.23 mg/m，降尘率达77.28%。这些数据验证了全断面喷雾捕尘装置在粉尘控制方面的显著效果。3.5 综合降尘效果的评估 在掘进工作面，通过综合应用大直径钻孔煤层注水、掘进机喷雾块改造、高压外喷雾、湿式钻进以及全断面捕尘喷雾装置等降尘技术，实现了对粉尘的有效控制6。这些技术的应用，显著降低了工作面的总粉尘和呼吸性粉尘浓度，减少了二次扬尘的产生。实测数据显示（如表 2 所示），采取措施后，总粉尘的平均降尘率达到了 98.72%，呼吸性粉尘的平均降尘率达到了97.36%。这些结果充分证明，通过综合应用多种降尘技术，可以显著提高掘进工作面的降尘效果，有效保障了矿工的健康和安全。表 2 掘进工作面粉尘综合治理成效对比 项目 粉尘质量浓度/（mg.m-3）降尘率/%总粉尘 呼吸性粉尘 总粉尘 呼吸性粉尘 治理前 271.17 91.34 98.48 96.53 治理后 3.86 2.44 4 结论 本研究通过实施一系列降尘技术，包括大直径钻孔煤层注水、掘进机喷雾块改造、高压外喷雾、湿式钻进以及全断面捕尘喷雾装置等，成功地降低了掘进工作面的粉尘浓度，提高了工作环境的质量。实测数据显示，这些措施使得总粉尘的平均降尘率达到了98.72%，呼吸性粉尘的平均降尘率达到了 97.36%，显著提高了矿工的工作环境，有利于保障矿工的健康。本研究的成果不仅在理论上丰富了矿山粉尘控制的研究，也在实践上为矿山粉尘的有效控制提供了可行的技术方案。参考文献 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