彭 濤 吳潔葵

(1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

鑿巖機(jī)排氣引射通風(fēng)除塵技術(shù)研究與試驗(yàn)

彭 濤1,2吳潔葵1,2

(1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

井下鑿巖工作面高塵的一個(gè)重要原因是鑿巖機(jī)排氣導(dǎo)致巖漿霧化，研究利用鑿巖機(jī)排氣作為環(huán)隙式引射器工作氣流，進(jìn)行鑿巖機(jī)排氣引射通風(fēng)除塵，對(duì)作業(yè)面進(jìn)行抽出式通風(fēng)。探討了鑿巖機(jī)背壓對(duì)鑿巖速度的影響，并據(jù)此設(shè)計(jì)引射器環(huán)隙斷面積參數(shù)，試驗(yàn)表明，鑿巖機(jī)排氣引射通風(fēng)除塵技術(shù)，能夠有效降低獨(dú)頭巷道鑿巖作業(yè)面粉塵濃度。

鑿巖作業(yè)面 鑿巖機(jī)排氣 環(huán)隙式引射器 除塵

井下掘進(jìn)鑿巖工作面是地下礦山通風(fēng)最困難的區(qū)域之一，鑿巖產(chǎn)塵量大，而獨(dú)頭巷道或天井掘進(jìn)很難形成貫穿風(fēng)流，一般利用局扇進(jìn)行壓入、抽出或壓抽混合式通風(fēng)。為了避免風(fēng)筒被爆破沖擊波、飛石或浮石墜落砸壞，風(fēng)筒末端距作業(yè)面需要保持10 m以上的安全距離，這就不可避免會(huì)影響到作業(yè)面通風(fēng)除塵。上世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)多座礦山應(yīng)用VostNIGRI EDV-120型空氣引射器進(jìn)行獨(dú)頭巷道壓入通風(fēng)，獲得良好的效果。原冶金部安全技術(shù)研究所在上世紀(jì)70年代末先后研制了WA-90、WA-150和WA-200等型號(hào)的環(huán)隙式壓氣引射器，并在程潮、大冶等礦山得到應(yīng)用，通風(fēng)除塵效率在80%左右[1-3]。但引射器壓入通風(fēng)的效果受獨(dú)頭巷道長(zhǎng)度和引射器射程影響很大，如果距掌子面距離超過引射器射程，通風(fēng)效果將大大降低。增加引射器射程的通用方法是增加引射器工作壓力(供氣壓力)，而研究表明，在一定條件下引射器工作壓力增大會(huì)導(dǎo)致引射系數(shù)降低[4]，對(duì)通風(fēng)成本產(chǎn)生不利影響。

氣動(dòng)鑿巖機(jī)是以高壓風(fēng)、水為動(dòng)力，在作業(yè)過程中鑿巖機(jī)需要排出廢氣和油煙氣體，具有較大的沖擊能量，能將巖孔流出的巖漿霧化形成粉塵。經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和一些科學(xué)研究表明，氣動(dòng)鑿巖時(shí)在鉆孔中產(chǎn)生的粉塵量不超過工作面上粉塵產(chǎn)生量的10%，即90%以上的粉塵是由鑿巖機(jī)廢氣排放導(dǎo)致巖漿霧化引起的二次揚(yáng)塵[5]。如果能將鑿巖機(jī)排氣導(dǎo)出，作為引射通風(fēng)除塵的工作氣流，不僅能減少鑿巖機(jī)排氣霧化巖漿引起的二次揚(yáng)塵，還能利用鑿巖機(jī)排氣余能進(jìn)行抽出式引射通風(fēng)，與局扇配合形成理想的壓抽混合通風(fēng)模式。引射器工作氣流受鑿巖機(jī)排氣孔面積影響，而排氣孔面積會(huì)影響鑿巖機(jī)背壓，進(jìn)而影響鑿巖速度，因此對(duì)鑿巖機(jī)排氣孔面積、背壓與鑿巖速度的關(guān)系進(jìn)行研究，是實(shí)現(xiàn)鑿巖機(jī)排氣余能引射通風(fēng)除塵技術(shù)的關(guān)鍵。

1 鑿巖速度與背壓關(guān)系的研究

鑿巖機(jī)活塞沖程與背壓有關(guān)(背壓是指鑿巖機(jī)排氣孔排出氣流產(chǎn)生的壓力)，背壓是影響鑿巖速度的重要因素。鑿巖機(jī)氣缸排出的氣體進(jìn)入消聲器后通過其排氣孔排出。為了獲得理想的鑿巖效果和引射氣流，實(shí)現(xiàn)加速工作面通風(fēng)除塵的目的，需要對(duì)鑿巖機(jī)排氣孔面積進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)。調(diào)整鑿巖機(jī)氣孔面積必然會(huì)影響鑿巖機(jī)背壓，因此需要研究鑿巖速度與鑿巖機(jī)背壓之間的關(guān)系。

1.1 鑿巖機(jī)排氣孔面積與局部阻力關(guān)系

鑿巖機(jī)排氣是隨活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的斷續(xù)過程，但只要頻率足夠高，仍可將排氣過程視為連續(xù)。以常用的YSP-45型向上式高頻鑿巖機(jī)為例，其沖擊頻率在47 Hz以上，排氣量約5 m3/min，可視為連續(xù)排氣過程。設(shè)消聲器排氣室主體內(nèi)腔斷面積為S1，排氣孔斷面積為S2，如圖1所示。

圖1 鑿巖機(jī)消聲器排氣示意

排氣孔斷面縮小，產(chǎn)生的局部阻力：

(1)

式中，Q為鑿巖機(jī)排氣量；ρ為空氣密度，根據(jù)鑿巖機(jī)指標(biāo)確定；ξSS為S1/S2的函數(shù)，可由有關(guān)表中查得[6]。

表1列出了不同排氣孔面積產(chǎn)生的局部阻力計(jì)算結(jié)果。

從表1可以看出，當(dāng)排氣孔面積S2小于7 cm2時(shí)，局部阻力隨面積減小而快速增加，當(dāng)排氣孔面積大于7 cm2時(shí)，局部阻力隨面積變化不大。將排氣孔面積S2設(shè)定為7 cm2較合適，此時(shí)較原來增加的局部阻力只有4 080 Pa。

1.2 鑿巖機(jī)排氣孔面積對(duì)鑿巖速度的影響

盡管影響鑿巖機(jī)鑿巖速度的因素很多，相互之間的關(guān)系也非常復(fù)雜，但理論和實(shí)踐都表明，風(fēng)壓越高，鑿巖速度越快，鑿巖機(jī)背壓越大，鑿巖速度越慢。在撞擊針尾的頻率一定時(shí)，鑿巖速度主要取決于撞擊針尾的力度，亦即活塞兩端的壓差。將鑿巖速度與活塞兩端壓差以線性關(guān)系探討，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

表1 不同排氣孔面積產(chǎn)生的局部阻力

V=α(P-hSS) ，

(2)

式中，V為鑿巖速度，m/min；P為鑿巖機(jī)提供的風(fēng)壓，Pa；hSS為鑿巖機(jī)背壓，Pa；α為比例系數(shù)，與巖性、針頭銳利程度等因素有關(guān)。

通過對(duì)某地下礦山采場(chǎng)YSP-45型鑿巖機(jī)的鑿巖速度實(shí)測(cè)，根據(jù)式(1)確定hSS值，在風(fēng)壓為5個(gè)大氣壓的條件下，測(cè)得鑿巖速度為0.442 6 m/min。代入式(2)計(jì)算，得到比例系數(shù)α=0.90×10-6m/(min·Pa)。因此，測(cè)鑿巖機(jī)在測(cè)試工況下的鑿巖速度符合以下公式：

V=0.90×10-6(P-hSS) .

(3)

由此，可得到鑿巖速度與消聲器排氣孔面積的關(guān)系曲線見圖2。

圖2 鑿巖速度與消聲器排氣孔面積的關(guān)系

從圖2可知，當(dāng)排氣孔面積在5 cm2以上時(shí)，隨著排氣孔面積的變化，鑿巖速度變化不大；當(dāng)排氣孔面積小于5 cm2時(shí)，鑿巖速度隨著排氣孔面積的減小而顯著下降。因此，只要排氣孔面積選擇適當(dāng)，利用排氣引射氣流通風(fēng)引起的鑿巖機(jī)背壓增加不會(huì)對(duì)鑿巖速度產(chǎn)生大的影響。

2 鑿巖機(jī)排氣引射器性能試驗(yàn)

2.1 環(huán)隙引射器

鑿巖機(jī)排氣引射氣流通風(fēng)是將鑿巖機(jī)排出氣體利用膠管接入環(huán)隙式引射器，利用引射作用產(chǎn)生引射風(fēng)流。一般引射器環(huán)隙寬度越窄，引射系數(shù)就越高，引射效果也就越好[7-8]。但過小的環(huán)隙面積會(huì)引起鑿巖機(jī)高背壓，進(jìn)而影響鑿巖速度，因此引射器環(huán)隙寬度不宜太小。試驗(yàn)用引射器環(huán)隙寬度為1.5 mm，環(huán)隙直徑為150 mm，環(huán)隙截面積為7 cm2。其結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 環(huán)隙式引射器示意

2.2 引射器性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由YSP-45型鑿巖機(jī)、環(huán)隙式排氣引射器、排氣導(dǎo)出膠管構(gòu)成，連接示意見圖4。

圖4 鑿巖機(jī)排氣引射通風(fēng)除塵系統(tǒng)示意

2.2.2 試驗(yàn)方法

選擇某礦山平巷掘進(jìn)工作面為試驗(yàn)場(chǎng)地。排氣引射器懸掛于巷道側(cè)幫，距離YSP-45型鑿巖機(jī)2.5 m，用手持式風(fēng)速儀對(duì)引射器吸風(fēng)口和排風(fēng)口測(cè)定風(fēng)速，考慮到風(fēng)速波動(dòng)影響，試驗(yàn)分兩次進(jìn)行，每次測(cè)多個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值。結(jié)果見表2。

表2 引射效果試驗(yàn)結(jié)果

由測(cè)定結(jié)果可知，引射器平均排風(fēng)量為40.8 m3/min，鑿巖機(jī)平均排氣量為5.96 m3/min，引射系數(shù)平均為7.4，引射器吸入工作面含塵氣流量平均為34.84 m3/min，表明試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)鑿巖工作面具有明顯的降塵效果。

3 通風(fēng)降塵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

選定一個(gè)平巷獨(dú)頭鑿巖作業(yè)面作為試驗(yàn)場(chǎng)所，采用YSP-45型鑿巖機(jī)作業(yè)。排氣引射器懸掛于巷道側(cè)幫，距離鑿巖機(jī)2.5 m處用礦用粉塵采樣器分別對(duì)系統(tǒng)接入前后粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)定結(jié)果見表3。

表3 鑿巖機(jī)排氣引射通風(fēng)系統(tǒng)除塵試驗(yàn)

試驗(yàn)表明，采用鑿巖機(jī)排氣引射通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)獨(dú)頭平巷鑿巖作業(yè)面具有顯著地降塵效果。

4 結(jié) 論

獨(dú)頭鑿巖作業(yè)面高塵問題迄今仍是技術(shù)難題,利用鑿巖機(jī)排氣引射通風(fēng)，不僅能有效減少鑿巖產(chǎn)生的泥漿霧化現(xiàn)象，提高工作面的能見度，消除安全隱患；更重要的是通過引射作用，快速排出鑿巖工作面通風(fēng)最困難的端部含塵氣流，其除塵效率達(dá)到70.35%，該技術(shù)具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 胡子發(fā).用引射器進(jìn)行獨(dú)頭巷道通風(fēng)[J].冶金安全,1982(2):63.

[2] 單 鑄,唐子沛,秦仁澧,等.WA型環(huán)隙式壓氣引射器[J].工業(yè)安全與環(huán)保,1982(3):10-15.

[3] 單 鑄.國(guó)內(nèi)外幾種環(huán)隙式壓氣引射器簡(jiǎn)介[J].工業(yè)安全與環(huán)保,1978(4):40,57.

[4] 張 博,沈勝?gòu)?qiáng),李海軍,等.二維流動(dòng)模型的噴射器性能分析研究[J].熱科學(xué)與技術(shù),2003(2):149-153.

[5] 江西有色冶金研究所YSP鑿巖機(jī)防塵試驗(yàn)組.YSP45型鑿巖機(jī)高塵原因及降塵方法探討[J].江西冶金,1982(2)：54-55，57.

[6] 袁恩熙.工程流體力學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1986.

[7] 趙靜野,孫厚鈞,高 軍.引射器基本工作原理及其應(yīng)用[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2001,17(3):12-15.

[8] 錢申賢.氣體引射器流體動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)研究[J].煤氣與熱力,1996,16(5):48-54.

[9] 彭 濤.鑿巖工作面高塵原因分析及降塵方法探討[J].有色金屬：礦山部分,2007,59(1):43-44.

Research and Test on the Drilling Machine Exhaust Ejector Ventilation Technology

Peng Tao1,2Wu Jiekui1,2

(1.Hunan Labor Protection Institute of Nonferrous Metals; 2.Hunan Province Key Laboratory of Metal and Non-metal Mine Ventilation and Dust Prevention)

Drilling machine exhaust leading to the magma atomized is one of the important factor of the high concentration of dust in underground rock drilling working face. The dirilling machine exhaust ejector ventilation technology is used to conduct drawer-type ventilation operation. The influence of the drill back pressure to the drilling speed is discussed, besides that, the ejector ring clearance area parameter is designed based on the discussed results. The filed test results show that the drilling machine exhaust ejector ventilation technology can reduce the dust concentration heading working face in the process of drilling operation effectively.

Drilling working face, Exhaust of drilling machine, Ring gap type ejector, Dust removal

2015-04-22)

彭 濤(1970—)，男，高級(jí)工程師，410014 湖南省長(zhǎng)沙市雨花區(qū)香樟路601號(hào)。