王 強(qiáng)

(山西陽煤集團(tuán)南嶺煤業(yè)有限公司,山西 太原 030400)

煤炭是我國重要的化石能源和工業(yè)原材料之一,其中每年作為能源的消耗量占國家能源消耗總量的50%[1]。煤炭開采的首要步驟是掘進(jìn)巷道用于形成采煤工作面、供風(fēng)、運(yùn)送材料等,掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛,雖然其掘進(jìn)速度快效率高,但高強(qiáng)度掘進(jìn)過程會(huì)產(chǎn)生大量粉塵[2]。粉塵條件下長期作業(yè)會(huì)引發(fā)塵肺病等疾病,塵肺病是不可治愈的慢性呼吸系統(tǒng)疾病,我國每年新增塵肺病患者1萬5千人,目前共有塵肺病患者超過80萬人。高濃度煤塵還可能引起煤塵或者瓦斯煤塵爆炸,嚴(yán)重威脅人員身心健康和企業(yè)安全生產(chǎn)。目前,我國煤礦通常采用煤層注水、噴霧降塵、泡沫抑塵等降塵技術(shù),雖然具有一定效果但難以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求[3-4]。而且噴射的降塵介質(zhì)還會(huì)降低煤炭品質(zhì),增加工作面勞動(dòng)強(qiáng)度。通風(fēng)除塵借助風(fēng)流引導(dǎo)粉塵進(jìn)行治理,杜絕了對煤炭品質(zhì)的影響和工作面作業(yè)環(huán)境的惡化[5]。本文以南嶺礦綜掘工作面為例,利用濕式除塵風(fēng)機(jī)和附壁風(fēng)筒作為主要降塵手段進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用,降塵效果較好。為類似掘進(jìn)巷道降塵技術(shù)應(yīng)用提供了參考。

1 南嶺礦5207運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面概況

南嶺礦5207運(yùn)輸順槽長度為808 m,沿5號煤頂板掘進(jìn)。5號煤層煤厚為1.43～2.62 m,平均厚度2.02 m,煤層傾角5°～15°,平均10°。煤塵具有爆炸性,自燃傾向性等級為Ⅲ類不易自燃煤層。巷道斷面為矩形,長度和寬度分別為4.8 m、2.7 m,斷面面積12.96 m2。

2 通風(fēng)除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工作面目前的降塵措施僅為掘進(jìn)機(jī)自帶內(nèi)外噴霧技術(shù)。應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn),掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧固定在截割頭上,內(nèi)噴霧噴嘴向截齒齒尖噴射高壓霧滴實(shí)現(xiàn)降塵目的,但由于截割頭掘進(jìn)割煤過程中煤體碎塊直接和內(nèi)噴霧噴嘴接觸,極易造成噴嘴堵塞、損壞等問題,影響內(nèi)噴霧霧滴噴射和霧化效果,降塵效果很差。外噴霧為掘進(jìn)機(jī)出廠自帶外噴霧系統(tǒng),由于沒有針對工作面的現(xiàn)場情況進(jìn)行針對性調(diào)試,霧滴場噴射形態(tài)和方向無法有效作用在截割頭周圍產(chǎn)塵區(qū)域,且耗水量大,容易造成工作面積水引起掘進(jìn)機(jī)下陷,影響作業(yè)效率。應(yīng)用內(nèi)外噴霧降塵后,現(xiàn)場能見度依然較低,降塵效果差、粉塵質(zhì)量濃度高。因此利用通風(fēng)除塵系統(tǒng)中的除塵風(fēng)機(jī)將掘進(jìn)面的粉塵抽出集中治理是非常必要和有效的方式。但由于掘進(jìn)面產(chǎn)塵強(qiáng)度大、產(chǎn)塵點(diǎn)多,僅使用除塵風(fēng)機(jī)除塵無法治理全部粉塵,可能還有部分殘余粉塵隨風(fēng)流運(yùn)移至巷道中部,因此需要設(shè)計(jì)掘進(jìn)面迎頭控塵裝置,阻隔粉塵運(yùn)移路徑,將粉塵控制在掘進(jìn)面迎頭集中處理。

圖1給出了濕式除塵風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖,其中主要包含導(dǎo)流葉片、軸流風(fēng)機(jī)、脫水器、水箱等結(jié)構(gòu)。通過軸流風(fēng)機(jī)在風(fēng)機(jī)入口處產(chǎn)生負(fù)壓,吸入含塵氣流,氣流進(jìn)入機(jī)體后,在上下導(dǎo)流葉片作用下,在內(nèi)部氣流通道流動(dòng),除塵器下方為降塵水箱,含塵風(fēng)流被導(dǎo)流片引導(dǎo)至水箱中粉塵和水面碰撞后被截留、潤濕,同時(shí)由于導(dǎo)流板的截留、離心作用,增加了對粉塵的治理效果。

圖1 除塵風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

如前所述,與除塵風(fēng)機(jī)配套使用的還有控塵裝置,即附壁風(fēng)筒,如圖2所示。附壁風(fēng)筒為側(cè)面開口的筒狀結(jié)構(gòu),固定在壓入式風(fēng)筒的前端,內(nèi)部的導(dǎo)流板能夠?qū)喝胧斤L(fēng)筒中的風(fēng)流分流一部分向巷道橫斷面噴射,旋流導(dǎo)流結(jié)構(gòu)能夠使附壁風(fēng)筒噴射出向巷道迎頭移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)空氣幕。可調(diào)節(jié)的開口裝置能夠改變分流的風(fēng)量,形成的旋流空氣幕向掘進(jìn)面迎頭處推進(jìn),使得向巷道后方運(yùn)移的粉塵被阻隔在迎頭附近,提高除塵風(fēng)機(jī)吸塵效果。附壁風(fēng)筒固定在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)旁,形成的空氣幕能夠?qū)⒎蹓m有效阻隔在司機(jī)前側(cè),使司機(jī)處于潔凈空氣條件下作業(yè)。

圖2 附壁風(fēng)筒結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖

3 通風(fēng)除塵技術(shù)應(yīng)用效果

3.1 降塵技術(shù)應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的通風(fēng)除塵系統(tǒng),對粉塵的治理主要包含兩個(gè)層面,其一是通過附壁風(fēng)筒和長壓短抽式通風(fēng)方式將粉塵控制在掘進(jìn)面迎頭附近,減少粉塵向巷道中后方擴(kuò)散,擴(kuò)大污染范圍;其二是通過抽出式風(fēng)筒內(nèi)部的除塵裝置截留、潤濕粉塵,凈化含塵空氣,實(shí)現(xiàn)高效的粉塵治理。該系統(tǒng)布置示意如圖3所示。壓抽比為1.2時(shí)控塵效果最好,因此將除塵風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量設(shè)定為718 m3/min.

吸塵罩入口處為偏平狀結(jié)構(gòu),能夠增加入口處的吸力,增大負(fù)壓作用區(qū)域,內(nèi)部流道為流線型,減少風(fēng)阻的同時(shí)還避免結(jié)構(gòu)突變處出現(xiàn)風(fēng)流漩渦造成粉塵堆積。吸塵罩的上面、左面和右面均有吸塵口,能夠在吸塵罩周圍形成立體的負(fù)壓區(qū)域,提高吸塵效果。吸塵罩固定在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)身上位于司機(jī)前端,能夠避免粉塵向司機(jī)處運(yùn)移。同時(shí)距離掘進(jìn)機(jī)截割頭有一定距離,能夠保證負(fù)壓區(qū)域在全斷面擴(kuò)展,保證含塵氣流的吸入效果。吸塵口由多個(gè)吸塵孔組成,每個(gè)吸塵孔長10 cm、寬2 cm,實(shí)現(xiàn)高效吸塵的同時(shí)避免較大的煤體碎塊進(jìn)入吸塵風(fēng)筒內(nèi),增加風(fēng)阻。

圖3 通風(fēng)除塵系統(tǒng)布置示意(單位:mm)

圖4 濕式除塵風(fēng)機(jī)吸塵罩結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)

3.2 通風(fēng)除塵效果

粉塵質(zhì)量濃度的降低幅度是評價(jià)除塵效果的直觀依據(jù)。在掘進(jìn)面司機(jī)處和濕式除塵風(fēng)機(jī)出風(fēng)口后方5 m處設(shè)置兩個(gè)測塵點(diǎn),利用直讀式測塵儀測定總粉塵和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度,測塵儀采樣流量為10 L/min,采樣時(shí)間為5 min.同時(shí)測定呼塵和全塵質(zhì)量濃度,每組測定3個(gè)數(shù)據(jù)取平均值。測塵結(jié)果如表1所示。能夠看出,沒有降塵措施的時(shí)候,掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置的全塵平均濃度高達(dá)421.1 mg/m3,呼塵平均濃度高達(dá)209.5 mg/m3;除塵風(fēng)機(jī)出風(fēng)口后方5 m處的全塵和呼塵平均質(zhì)量濃度分別為274.7 mg/m3和168.3 mg/m3.利用濕式除塵風(fēng)機(jī)和附壁風(fēng)筒相配合的通風(fēng)除塵系統(tǒng)以后,司機(jī)處的全塵質(zhì)量濃度降低到18.4 mg/m3,呼吸性粉塵質(zhì)量濃度降低到8.5 mg/m3.除塵風(fēng)機(jī)出風(fēng)口后5 m處,經(jīng)過凈化的氣流中全塵和呼塵質(zhì)量濃度分別降低至6 mg/m3和3.1 mg/m3.

表1中的除塵率按照公式(1)計(jì)算。

(1)

式中:μ為除塵率,%;c1為沒有降塵措施時(shí)的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3;c2為采用綜合降塵措施后的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3.

能夠得出,在司機(jī)處的全塵和呼塵降塵率分別達(dá)到了95.6%和95.9%,除塵風(fēng)機(jī)出風(fēng)口后5 m處,呼塵和全塵降塵率分別為98.1%和97.8%,達(dá)到了國家對粉塵治理的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表1 各測塵點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度

4 結(jié) 語

根據(jù)掘進(jìn)工作面現(xiàn)場條件,設(shè)計(jì)了濕式除塵風(fēng)機(jī)和附壁風(fēng)筒配合的長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置原始全塵質(zhì)量濃度實(shí)測值高達(dá)421.1 mg/m3,呼塵平均濃度高達(dá)209.5 mg/m3;除塵風(fēng)機(jī)出風(fēng)口后方5 m處的全塵和呼塵平均濃度分別為274.7 mg/m3和168.3 mg/m3.通風(fēng)除塵系統(tǒng)應(yīng)用后,在司機(jī)處的全塵和呼塵降塵率分別達(dá)到了95.6%和95.9%,除塵風(fēng)機(jī)出風(fēng)口后5 m處,呼塵和全塵降塵率分別為98.1%和97.8%,達(dá)到了國家對粉塵治理的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。