燕子山无尘化矿井方案完成版文档格式.docx
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据统计，目前仅煤炭行业尘肺病人数已超过20万，接近我国各行业肺患病人数的一半。
控制煤矿尘害已成为煤炭行业头等重要的事情，而要控制尘害，最有效的措施就是大幅降低煤矿井下作业场所及巷道空气中的粉尘浓度。
我国工矿企业从卫生角度出发，把粉尘划分为四个计量粒级范围，即：
Ⅰ为小于2
；
Ⅱ为2～5
Ⅲ为5～10
Ⅳ为大于10
。
在矿尘分散度的九级组成中，小颗粒占的百分比数大，即表示分散度高，对人体危害性也大。
我国目前采煤工作面的粉尘浓度虽然有较大幅度的下降，但分散度仍然比较高，如表1所示为某矿务局部分矿井有关粉尘的实测资料。
表1某矿务局矿井煤尘分散度实测数据分析结果
矿井
采样地点
粉尘的显微分析的计算结果
0～2
2～5
5～10
>
10
重量百分比%
数量百分比%
A矿
1#工作面
0.09
37.00
4.49
45.50
8.25
9.50
87.15
8.00
2#工作面
1.45
49.00
45.87
52.66
5.50
0.00
3#工作面
35.00
0.74
36.00
1.88
15.00
97.36
14.00
B矿
0.42
29.00
7.01
36.50
39.78
24.00
52.86
8.50
0.23
35.53
3.00
38.84
10.07
17.35
86.67
8.26
C矿
38.58
9.88
20.54
12.00
68.76
4.00
0.75
43.00
9.60
34.50
26.38
16.50
63.33
6.00
D矿
3.81
56.38
78.88
42.85
17.30
0.84
0.16
46.00
1.05
13.50
11.31
26.00
87.47
14.50
平均
九个面23个测量值
3.37
50.87
16.58
32.43
24.88
11.92
55.33
4.96
由表中看到，≤5μm的呼吸性粉尘的重量百分比是19.95%，而数量百分比仅达到了83.30%,分散度是很高的,对工作人员的身体健康危害是很大的。
我国《煤炭安全规程》中规定，井下有人工作地点和人行道的空气粉尘浓度，应该符合表2的要求。
2001年11月国家煤矿安全监察局颁布的表2：
表2
粉尘的种类
最高允许浓度，mg/m3
含游离粉尘sio2>
10%的粉尘
2
含游离粉尘sio2<
10%的水泥粉尘
6
《煤矿安全规程》中第739条规定：
作业场所空气中粉尘（总粉尘、呼吸性粉尘）浓度应符合表3要求。
英国联邦安全与健康管理局制定的可呼吸性粉尘标准如表4所示。
据我国煤矿井下的实际情况，粉尘浓度均严重超标，因此粉尘沉降在煤矿企业生产中仍是棘手的问题。
表3
粉尘中游离SiO2
含量（%）
最高允许浓度（mg/m3）
总粉尘
呼吸性粉尘
<
3.5
10～<
50
1
50～<
80
0.5
≥80
0.3
表4
含游离粉尘sio2＜5%
含游离粉尘sio2＞5%
近几年来，随着高产高效矿井的发展，采掘工作面的产尘浓度越来越高。
粉尘污染越来越严重，已经成为煤矿的最大污染源。
粉尘的产生不仅严重危及采掘工作面工作人员的身体健康，也存在着煤尘爆炸的隐患。
国内外针对矿尘治理的研究越来越深入，矿尘的治理手段也越来越多。
总的看来，这些技术或手段可归为两大类：
干法除尘与湿法除尘。
所谓干法除尘的实质是通过采用集尘器收集粉尘，然后进行清除。
集尘器的原理大多采用文丘里原理，通过让高速风流或者水流通过特定的变截面装置，从而形成的负压吸入含尘气流达到集尘的目的。
对于收集到的含尘气流的处理方式也有很多种，如重力沉降、静电吸附、活性碳吸附等。
常见的干式除尘装置有：
重力沉降室、旋风除尘器、布袋除尘器、静电除尘器等，各自针对不同粒径的尘粒有较高的除尘效率，但是干式除尘大多采用集尘方式工作，并且只能应用于特定的环境中。
对于在煤矿井下采掘工作面，由于工作环境恶劣，采掘设备不停移动，给推广使用带来较大的困难，由于使用不方便往往难于发挥出应有的效用。
湿式除尘的工作介质大多采用水，在采煤工作面预先在煤层中注水增加煤的湿度，采煤过程中喷雾等。
人们对湿式除尘的研究与应用也比较多，人们还将磁、声、电等领域的新技术引入喷雾降尘的研究，出现了许多高效、先进的喷雾降尘技术，如声波雾化技术、磁化水降尘技术、预荷电喷雾降尘技术以及高压喷雾降尘技术。
虽然有些技术离推广适用还有一定距离，但是对它们的研究正在取得不断的进展。
此外，含尘气流控制是通过控制风流的流向，从而达到控制尘流的流向，最终达到控制粉尘的目的。
煤尘污染的控制是煤矿生产的主要安全课题之一，许多煤矿已经成立专门的部门负责煤尘的测定及控制。
同时，许多研究机构也对除尘方法作了大量的推广应用研究，已经有很多的研究成果应用于工业现场中。
从煤矿生产的环保趋势和目前除尘技术的应用方向来看，煤矿井下包括综掘综采工作面的降尘技术的研究将向自动化和细微化（
的可呼吸尘）方面发展。
①喷雾降尘：
采煤机和掘进机的喷雾降尘分为内外喷雾两种。
内喷雾通过采煤机和掘进机切割机构上的喷嘴向割落的煤岩处直接喷雾，在粉尘生成时将其拟制；
外喷雾喷嘴多安装在采煤机和掘进机靠近截割头的截割臂上或采煤机截割部的前端，喷出的水雾将截割头笼罩住，阻止粉尘向外扩散。
喷雾降尘是最经济有效的除尘方式，在粉尘产生的初期就将其沉降，由于种种原因，内喷雾几乎不能够正常使用，不是喷嘴堵塞失去作用就是通向内喷雾的水路出现故障无法正常使用。
外喷雾在多数情况下能够得到应用，但效果不是十分好，许多使用单位很难维持正常使用。
②通风除尘：
通风除尘的最终目的，是在保证安全生产的前提下，有足够的风量使采取其它降尘措施后剩余的粉尘释放和排出，同时又不至于因风速过大而使落尘转化为浮尘，使粉尘浓度再次增加。
另外借助风帘控制风的流向来控制粉尘保护作业场所的工作人员。
故对除尘来说只能作为辅助控制粉尘来用。
③抽尘净化：
抽尘净化是利用除尘器运行中产生的负压，通过吸尘风筒与靠近尘源的吸尘罩，在尘源处造成一个负压区，使含尘空气由吸尘罩经吸尘风筒进入除尘器中净化处理。
除尘器包括湿式除尘器和干式除尘器两种，湿式除尘器有湿式旋流除尘器、湿式风流除尘器、文丘里除尘器和湿式纤维除尘器等；
干式除尘器主要是布袋除尘器。
抽尘净化除尘效率比较高，但设备复杂成本高，在井下工作面的恶劣环境中推广应用又不是太理想。
④高压注水：
将高压水注入煤体，使煤壁溶湿，切割时能降低粉尘的产生量，在一些大型矿井已在试验应用。
但是需要产生高压水的设备，成本高。
德国曾在20世纪90年代做过这方面的研究并得到应用，而且效果也较好，但只能用在采煤工作面。
⑤水幕除尘：
在巷道中设置水幕，在巷道顶部和两侧安装数个雾化喷嘴，水雾将巷道封闭，含尘气流通过时水雾将粉尘捕集沉降下来，缩小含尘空气的弥漫范围，可在巷道中设置多道水幕，因而能有效消灭粉尘。
但是，水幕设置一般只能设置在掘进机后面和采煤工作面的回风巷道中，捕集已经随气流飘散的浮游粉尘，后面的巷道可以得到净化，故是阻止浮游粉尘继续扩散的有效措施。
一般在采煤工作面回风巷和掘进工作面50m以内设置水幕作为辅助除尘措施。
由于浮游粉尘绝大多数是≤10μm微细粉尘颗粒，已应用的水幕大都水雾颗粒粗大，故实际效果不佳。
⑥高压风屏蔽：
高压风屏蔽是用在掘进工作面，将一个开窄缝的金属筒（长约3m）横置于掘进机司机前2m处，内有高压风由窄缝喷出，向上形成一道风墙，阻止粉尘的扩散，使空气保持清新，防尘效果好。
但只是将粉尘隔离在前面，必须配套其它除尘措施才能实现掘进工作面的除尘。
⑦个体防护：
个体防护是要求工作人员佩带防尘口罩、防尘面罩或防尘矿帽等，是一种补救防尘措施，是防治灾害的最后防线。
针对我国煤矿几十年来的防尘经验，大体上可将煤矿防尘技术措施划分为减尘措施、降尘措施、排尘措施、捕尘措施和个体防护措施5类。
减尘措施是从产尘机理入手降低产尘量，降尘可以通过喷雾来消灭粉尘，排尘是依靠加强通风来将粉尘排出，捕尘需要利用吸尘器或捕尘器来收集粉尘进行处理。
相对来说，经济有效的灭尘措施是喷雾降尘，成本低、易操作，通过对其不足的方面进行改进，可以达到高效沉降粉尘。
2燕子山矿基本情况
根据当前煤矿建设和煤矿职业健康工作的精神，山西省同煤集团有限公司的燕子山矿以提高煤矿安全和职业健康为目的，而建设无尘化矿井，确保煤矿的安全生产和综合提高职工的健康水平。
山西省同煤集团有限公司燕子山矿位于大同市南郊区高山镇，设计生产能力400万吨/年，低瓦斯矿井，斜井开拓，抽出式通风。
煤矿粉尘是在煤矿开拓、掘进、回采和提升运输等生产过程中产生，煤矿井下粉尘的主要尘源是采煤、掘进、运输等作业场所，其中采掘工作面产生的浮游粉尘约占矿井全部粉尘的80%以上，而且粉尘浓度又是最高的场所。
目前，燕子山煤矿井下使用的采煤机是滚筒采煤机，截割滚筒是采煤机的工作机构，由它来完成综采工艺的破煤、落煤和装煤等重要工序。
而破煤、落煤和装煤工序正是产生煤尘的主要过程。
其次在液压支架的降柱、移架和放顶也将产生很多煤尘。
而煤巷掘进机产尘情况也类似于采煤工作面。
转载点原煤皮带输送机的机头、机尾的高差落煤和皮带输送机的速度是造成转载点粉尘浓度过高的原因。
燕子山矿实测采煤工作面采煤机截割时的原始总粉尘浓度为80～90mg/m3，采煤机司机及下风流10m人行道处最高达140～150mg/m3；
移架时，粉尘浓度为17mg/m3，掘进工作面掘进机掘进时可达350～500mg/m3，最高达553mg/m3。
燕子山矿无尘化矿建设也主要从降尘技术、捕尘技术、粉尘测控技术三个方面考虑。
3现有的降尘技术
3.1机组内外喷雾
①机组内喷雾：
煤矿井下工作面的采煤机和综掘机机组都配置内喷雾系统，采煤机设计时在每个截齿下设置一个喷嘴。
由于机组内喷雾系统喷出的水雾直接喷向粉尘的产生点，因此，降尘效果最好。
但在实际应用中，往往不能发挥应有的作用，表现在工作可靠性差，喷嘴经常被堵塞，而且清理困难，导致使用寿命短。
内喷雾如图1所示：
图1采煤机内喷雾示意图
②机组外喷雾：
机组外喷雾的作用是阻止没有被内喷雾灭掉的粉尘向外扩散，尤其是阻止粉尘向司机处和人行道处扩散。
因此，外喷雾喷嘴安装在采煤机组摇臂上。
通过安装在摇臂上的外喷雾形成一道雾屏可以有效地阻挡粉尘向机组司机位置处和人行道扩散，因此，司机的工作环境和人行道可以得到较好的改善。
外喷雾如图2所示：
图2采煤机的外喷雾示意图
3.2联动喷雾
用于工作面回风巷的喷雾降尘系统与工作面采煤设备联动实现自行联动运行。
联动喷雾降尘装置主要由雾化喷嘴、增压泵、过滤器、管路系统、配流装置和电控柜等组成。
联动喷雾将尘装置将压力水雾化高速喷射撒向飞扬的粉尘，通过水雾颗粒与粉尘颗粒的碰撞、拦截和润湿凝结将弥漫飞扬的粉尘沉降下来以净化工作环境。
根据传感器的不同，联动喷雾包括光控喷雾、声控喷雾、触控喷雾、浓度喷雾、红外线控制喷雾、开停传感器控制喷雾、热释电传感器控制喷雾等。
①光控喷雾：
随着外界环境的光线变化和状态转换而实现定时喷雾。
②声控喷雾：
随着设备运行和外界环境中声音状态转换而实现的定时喷雾。
③触控喷雾：
该装置利用触、碰产生的信号控制喷雾降尘，适用于轨道运输巷、皮带巷、溜煤眼等工作场所。
系统主要由触控传感器、控制器、电磁阀、喷头、水管等组成。
当有人或物触碰到触控传感器时，触控传感器产生一个触发控制信号，通过传输电费传至控制器，由控制器内的继电器找开电磁阀对运煤车或皮带进行喷雾，除去机车、皮带运行时产生的粉尘，当机车驶过或煤流停止运行，洒水喷雾。
如图3：
图3触控喷雾
④浓度控制喷雾：
该装置根据粉尘浓度控制喷雾降尘，适用于煤矿井下工作面、井底煤仓及运输大巷等工作场所。
系统主要由煤矿粉尘传感器、隔爆兼本安多路电源、电磁阀、喷头、水管等组成。
当监测场所粉尘浓度超过粉尘传感器设定的报警值时，粉尘传感器产生一个控制信号，通过传输电缆传至隔爆兼本安多路电源，由隔爆兼本安多路电源内的继电器打开电磁阀对工作场所进行喷雾，降低工作场所的粉尘，当粉尘传感器恢复到正常工作状态时，喷雾停止。
⑤开停传感器控制喷雾：
使用开停传感器作为检测控制，开停传感器安装到皮带机或刮板机电动机的电缆上，当设备运转时开停传感器输出信号，控制电磁阀打开水源开始喷雾，设备停止则停止喷雾。
开停传感器控制的联动喷雾装置的电器原理框图见下图4所示。
平时，开停传感器输出低电压信号，控制器控制的固态继电器处于断开状态，电磁阀关闭。
当开停传感器接收到≥115dB（A）的强声信号（声音强度可调）后，输出大于2.5V的电压信号给控制器，由控制器进行信号处理后输入到CPU，CPU根据预先的设定，控制固态继电器的接通，开启管路中电磁阀，进行喷洒降尘，并在外界声级<
115dB（A）,传感器复原后，按设定的延时时间计时，计时到则自动断开固态继电器，电磁阀关闭。
图4喷雾装置的电器原理框图
3.3矿用风水雾化降尘装置
矿用风水雾化降尘装置的雾化是通过叶轮雾化器和安装在集流器上的雾化齿共同实现的。
叶轮叶片处于高速旋转状态，孔口射流在空气动力、表面张力、粘性力、离心力的作用下分裂雾化成水滴，这个过程称为旋转雾化、离心雾化或初次雾化。
在距离叶片端部不远处装有一圈雾化齿。
初次雾化后的水滴以高速飞出后撞到雾化齿上，在撞击力的作用下，大水滴碎裂成更多的微小雾滴，这个过程称为撞击雾化或二次雾化。
二次雾化后的水雾被轴流风机的风流吹送到大气中，用来实现降尘的目的。
3.4转载点喷雾
煤矿井下转载点输运作业时如工作面刮板输送机向转载机和转载机向顺槽胶带输送机上转载时会产生大量的粉尘，尤其是在前溜处，它处于进风顺槽与工作面主风道的转折点位置处。
风流在此处急剧改变方向形成涡流，特别容易将粉尘吹起扩散并随同空气流动进入工作面。
而后溜处由于支架的阻挡作用，空气在此处流动速度不大，不太容易将粉尘吹起。
这些扬起粉尘弥漫在巷道中，并随空气流动向更远处扩散，严重危害工人的身体健康。
因此应该在转载点设置喷雾器防止粉尘的产生和扩散。
净化工作环境，保护作业人员的身体健康。
转载点喷雾装置可作为对输运物料进行洒水预湿、喷雾降尘使用，并且根据物料的多少对液体供给量作自动调节。
使防尘、降尘等措施实现自动化。
3.5移架架间喷雾和放顶煤喷雾
采煤机内喷雾将滚筒割煤时产生的大部分粉尘沉降了下来，但仍有许多粉尘随空气流动向下游扩散，一般外喷雾覆盖范围有限，只能阻挡粉尘不向采煤机司机位和人行道扩散，却无法阻挡粉尘顺风道向下游扩散。
所以需要借助架间喷雾和放顶煤喷雾来沉降机组割煤时产生的飞扬粉尘，通常在液压支架前探梁下面设置喷雾组，如图5所示。
图5架间喷雾和放顶煤喷雾
3.6旋转喷雾
提供的高压水通过轴孔供水轴套进入旋转喷头，从旋转喷头安装的数个射流喷嘴喷出。
当防爆电动机旋转时，带动旋转喷头旋转，使射流喷嘴喷出的高速水流形成一个锥形水罩。
在高速水流的作用下，锥形水罩的内外形成负压区。
这样就形成了由负压区---高速水流---负压区组成的旋转锥面射流负压控制除尘系统。
在锥面的内外产生的粉尘，被负压吸入高速水流面内，与水流结合，达到除尘的目的，工作原理示意图见图6。
图6喷雾装置工作原理图
4现有的捕尘技术
由于喷雾降尘容易产生二次污染，目前出现捕尘技术，捕尘技术主要原理是用过滤技术加湿式除尘技术。
典型的捕尘网、旋转风墙负压捕尘降尘装置。
①捕尘网主要是在巷道内设置金属网，利用喷雾装置使金属网湿润，捕捉空气中游动的粉尘，由于网格直径不能太小，防止阻碍通风，因此捕尘效果一般，只能微量降低粉尘浓度。
②旋转风墙负压捕尘降尘装置：
采用长压短抽的混合式通风方式，即长距离送风到作业点，除尘器在掘进作业点除尘形成短距离抽风，将污风吸入离心式湿式除尘器得到干净的空气，该装置使用效果明显得到广泛使用。
该除尘系统的离心除尘器工作原理示意图见图7所示。
图7离心除尘器工作原理示意图
该除尘系统原理图见图8所示。
图8掘进工作面旋转风墙除尘系统原理图
5燕子山矿粉尘处理方案
井下粉尘较多的地点有：
采煤和掘进工作面、自溜运输巷道、刮板输送机和带式输送机的转载点、煤仓和溜煤眼的上下口及井口的卸载点。
这些产尘点可以归结为工作面、转载点及风流中。
通过我公司的方案设计将使得井下煤尘浓度达到国家标准。
见下表所示：
中国煤矿矿尘浓度标准
序号
矿尘中游离的SiO2含量/%
最高允许浓度/mg.m-3
总矿尘
呼吸性矿尘
＜5
20.0
6.0
5～＜10
10.0
3
10～＜25
2.5
4
25～＜50
4.0
1.5
5
≥50
2.0
1.0
＜10的水泥矿尘
5.1高效防堵雾化喷嘴
本方案中使用的喷嘴是太原博世通公司自主研发的新型喷嘴，与现有喷嘴相比具有不易堵塞，雾化效果好等优点，内部结构如图9所示。
采用X形状的旋流叶片如图1所示，流道短且过流截面大。
叶片上有一个槽口，不仅能够增大狭窄处通流面积，还能提高喷出水雾的纵向动量，雾流喷射的距离相对远。
液体在喷嘴内部沿喷嘴芯流道产生旋流，槽口的存在能让一部分液体通过它直接喷射出去，径直沿轴线方向流动。
雾滴沿轴线方向惯性力大，雾滴运动距离就远。
不带槽口的喷嘴芯片能使液体产生较大的旋转强度，喷出的水雾不仅扩散角大，雾化效果也更好。
为便于维护，喷嘴设计成可分离型，万一发生堵塞现象，能够容易拆分清理，继续使用。
如图1所示为喷嘴结构。
它由喷嘴体1、喷嘴芯2和压紧螺帽3组成，喷嘴芯与喷嘴内腔之间是间隙配合，芯片容易取出，为喷嘴发生堵塞时清理提供方便，从而能够延长喷嘴的使用寿命，适应恶劣工作环境。
1、喷嘴体2、喷嘴芯3、压紧螺帽
图9喷嘴示意图
图10是该喷嘴在现场试验的照片，可以看出水喷射出后扩散面大、雾化均匀、分散度好，对沉降粉尘十分有利。
图10现场试验照片
5.2工作面上产生的粉尘处理方案
①采煤机和综掘机内外喷雾降尘
将采煤机和综掘机的喷嘴更换成为博世通高效喷雾降尘喷嘴，图11是某煤矿采煤机截割部在使用高效喷雾降尘喷嘴前后的雾化效果对比图。
图11采煤机截割部雾化效果对比图
采煤机上外喷雾采用高压联动喷洒除尘装置，该装置由增压泵站、供水自动控制水箱、供水管路、采煤机开机信号传感器及喷头组等组成。
泵站和水箱置于离工作面较远的大巷中，布置示意图如下所示：
图12
增压泵站由电机、三柱塞高压泵、阀组，止回阀，φ25水入口胶管及φ13水出口胶管等组成；
供水自动控制水箱由箱体、自动球阀，液位探测器，小防爆接线盒等组成；
喷头组由与高压水管连接的喷筒和喷头组成。
该装置通过水位控制器和自动球阀自动控制供水水箱静压水水位高度，水箱的出水管路连接高压水泵，高压泵将水进行二次加压。
高压水通过高压管路，连接喷头组，高压水自喷头高速喷出，在喷头前方形成气雾流屏障层，有效的吸收屏障层上方的粉尘，屏障层下方的粉尘迅速被水雾覆盖，通过高压水流产生二次负压，吸附粉尘，从而有效降尘，除尘。
此装置的水位控制器通过水位探针检测水箱内水位的高度，在控制器及自动球阀正常供电的情况下，当水位达到检测下限时，水位控制器控制自动球阀打开，进水管路中的水通过球阀注入水箱内，当水位达到检测上限时，自动球阀控制信号中断，球阀关闭。
进而实现了水箱的自动控制。
喷头组的角度可根据现场实际情况进行适量调节，以达到更好降尘效果。
掘进机外喷雾采用旋转喷雾，提供的高压水通过轴孔供水轴套进入旋转喷头，从旋转喷头安装的数个射流喷嘴喷出。
当防爆电动机旋转时，带动旋转喷头旋转，使射流喷嘴喷出的水流形成一个高速旋转的锥形水幕，水幕将尘源罩封住，阻止粉尘向空气中扩散，同时内部喷嘴喷出的细雾粒亦高速旋转，两者的共同作用引射粉尘在罩封水幕内与细雾粒一同旋转,粉尘与雾粒相互碰撞，湿润、粘合而将粉尘除掉。
由于外旋雾流和内部喷嘴喷出雾粒高速旋转的引射卷吸作用,使旋转雾流内部形成较强负压区，被罩封的粉尘，基本上不受外界风流流场的影响，而被雾粒捕集，因此降尘效果特别是降低呼吸性粉尘的效果较好。
因机组冷却和外喷雾都需要一定的水量，而且冷却水压力不超过1.5MPa，对内喷雾的供水造成很大的影响。
为保证内喷雾的供水压力和供水量，外喷雾和机组冷却通过原管路直接由静压水提供，另外采用内径为32mm的高压胶管单独给内喷雾供水，水压不低于5MPa，保证到达喷嘴处的水压力在3MPa以上。
②移架架间联动喷雾
煤矿综放面移架时，支架顶上的粉尘洒落污染整个工作面，同时尾梁处放煤时，煤洒落也会形成大量的粉尘。
尤其是前探梁处间隙较大，洒落粉尘比较多，对矿工工作环境造成严重的污染，危及矿工的身体健康。
移架架间联动喷雾联动喷雾工作原理：
防尘管路的高
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