高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面快速除塵系統(tǒng)的應(yīng)用

荊鴻飛

(西山煤電集團(tuán)鉆探分公司，山西 太原 030053)

1 課題的背景及意義

粉塵濃度的超限問題是影響煤礦井下安全作業(yè)的主要危害之一。隨著我國礦井機(jī)械化程度的提升，掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵量也急劇增加。文獻(xiàn)［1］表明，掘進(jìn)工作面在無防治措施下，粉塵濃度通常為1000～3000 mg/m3。西山煤電集團(tuán)某礦為高瓦斯礦井，22608掘進(jìn)工作面的設(shè)計(jì)風(fēng)量為1300 m3/min、風(fēng)速為3.75 m/s，這種大風(fēng)量、高風(fēng)速的通風(fēng)設(shè)計(jì)可以有效降低瓦斯?jié)舛?，但也增大了粉塵的分散度。此外，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)表明，粒徑小于7 μm的呼吸性粉塵約占到80% ～85%。因此，高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面的粉塵濃度超限問題，成為制約安全生產(chǎn)的主要因素。

由于各礦井煤層地質(zhì)條件不同，采用的降塵措拖也不同。主要有煤層注水、沖洗煤壁、噴霧灑水以及個(gè)體防護(hù)［2，3］等方法。這些方法是實(shí)現(xiàn)預(yù)防為主、本質(zhì)治理煤塵的有效途徑，但工藝參數(shù)通過類比法確定，存在隨機(jī)性和不確定性。在生產(chǎn)中，考慮掘進(jìn)工作面開采工藝、技術(shù)裝備等因素，從塵源到粉塵擴(kuò)散、飛揚(yáng)和進(jìn)入風(fēng)流的各個(gè)環(huán)節(jié)，選擇合理的除塵工藝，因地制宜解決粉塵濃度的超限問題。因此，對(duì)22608掘進(jìn)工作面采用了長壓短抽混合通風(fēng)與密閉濕式除塵裝置同步掘進(jìn)機(jī)作業(yè)相結(jié)合的快速除塵系統(tǒng)，較好地降低了高瓦斯工作面粉塵濃度。

2 長壓短抽混合通風(fēng)防塵工藝

截割頭旋轉(zhuǎn)破碎煤巖、煤巖塊塌落以及巷道通風(fēng)是掘進(jìn)工作面粉塵產(chǎn)生的主要原因。粉塵具有持續(xù)時(shí)間長、塵粒較細(xì)等特點(diǎn)。為了排出掘進(jìn)工作面粉塵，降低巷道空氣的二次污染，通風(fēng)防塵工藝主要從通風(fēng)方式、最優(yōu)排塵風(fēng)速及掘進(jìn)面排塵風(fēng)量3個(gè)方面綜合分析。

2.1 掘進(jìn)通風(fēng)方式

局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)是掘進(jìn)通風(fēng)較為經(jīng)濟(jì)、有效的方法。按工作方式分為抽出式、壓入式及混合式局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)。其中，抽出式對(duì)風(fēng)筒到工作面距離要求較高;壓入式產(chǎn)生的污風(fēng)沿巷道排除，污染范圍較大;混合式則較好地克服了以上缺點(diǎn)。22608工作面的斷面面積較大，高2.5 m、寬4.3 m，掘進(jìn)距離較長，為1675 m，因此，采用了長壓短抽混合式局部通風(fēng)的方法，通風(fēng)系統(tǒng)示意圖見圖1。

礦井主風(fēng)流作為該系統(tǒng)的新風(fēng)，通過安裝在進(jìn)風(fēng)側(cè)的壓入式柔性風(fēng)筒A送入掘進(jìn)工作面;裝有濕式除塵裝置C的抽出式帶骨架可伸縮風(fēng)筒B吸入污風(fēng)，除塵處理后，沿巷道排入礦井主風(fēng)流。該通風(fēng)系統(tǒng)在布置時(shí)，需考慮以下3個(gè)關(guān)鍵參數(shù):

1)抽出式風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口與壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口的距離L1。該距離是保證壓入式風(fēng)筒的有效射程，以避免循環(huán)渦流擾動(dòng)區(qū)的產(chǎn)生，計(jì)算公式為:

圖1 長壓短抽混合式通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

式中:

k1—射流有效射程系數(shù)，取4～5;

S—掘進(jìn)巷道斷面的面積，m2。

2)抽出式風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口與掘進(jìn)頭的相對(duì)位置L2。該距離是保證抽出式風(fēng)筒的有效吸程，避免在有效吸程外粉塵停滯，產(chǎn)生渦流擾動(dòng)區(qū)。若相對(duì)位置過大，掘進(jìn)機(jī)附近的粉塵濃度不能有效降低;若相對(duì)位置過小，截割煤層引起氣流變化，使粉塵未經(jīng)風(fēng)筒直接排出，計(jì)算公式為:

式中:

k3—循環(huán)風(fēng)流極限系數(shù)，取1.5～2。

2.2 最優(yōu)排塵風(fēng)速

最優(yōu)排塵風(fēng)速vm需綜合考慮掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵的平均直徑、密度及巷道濕度等影響因素，其范圍為:

式中:

L2min—最小相對(duì)位置，m，取3～5;

kL—射流有效吸程系數(shù)，取1.5。

3)安裝除塵裝置的抽出式風(fēng)筒出風(fēng)口與壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口的距離L3。該距離是為避免出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)流，計(jì)算公式為:

式中:

ks—最低排塵風(fēng)力系數(shù)，取3.1 ～3.3;

vs—粉塵靜止?fàn)顟B(tài)的沉降速度;

fa—巷道內(nèi)的摩擦阻力系數(shù);

μd—粉塵密度;

d—粉塵的平均直徑;

kb—揚(yáng)塵風(fēng)力系數(shù)，取 4.5 ～7.5;

g—加速度。

2.3 掘進(jìn)面排塵風(fēng)量

掘進(jìn)面排塵風(fēng)量是使掘進(jìn)巷道內(nèi)的風(fēng)速處于最優(yōu)排塵風(fēng)速。長壓短抽混合式通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)保證抽出式通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量＜?jí)喝胧酵L(fēng)機(jī)的風(fēng)量。最優(yōu)排塵風(fēng)速應(yīng)綜合考慮瓦斯排放量、粉塵濃度的極限范圍，計(jì)算公式為:

式中:

kq—瓦斯不均衡系數(shù)，取1.5～2;

Qqm—平均瓦斯涌出量，m3/s;

Cpmax—回風(fēng)瓦斯最高濃度，%;

Ci—進(jìn)風(fēng)瓦斯?jié)舛龋?;

E—產(chǎn)塵量，mg/s;

Gpmax—允許最高含塵量，mg/m3;

Gi—進(jìn)風(fēng)含塵量，mg/m3。

工作中采用了2臺(tái)通風(fēng)機(jī)聯(lián)合作業(yè)。

3 密閉濕式噴霧除塵工藝

濕式噴霧除塵使水與含塵氣體互相接觸凝聚，粉塵由于重力作用下沉，從而降低了空氣中粉塵濃度。主要包括水流霧化、粉塵凝聚下沉、塵粒過濾脫水等環(huán)節(jié)。為了降低二次揚(yáng)塵帶來的污染，依據(jù)通風(fēng)要求和巷道斷面尺寸，22608掘進(jìn)工作面采用了KCS－460D密閉濕式除塵裝置。該裝置包括供水系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)及脫水系統(tǒng)4部分［4］。濕式除塵系統(tǒng)布置圖見圖2。

圖2 濕式除塵系統(tǒng)布置示意圖

壓入式通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒6采用吊掛方式布置方式;可伸縮式短抽風(fēng)筒7采用側(cè)面支架固定安裝;通風(fēng)機(jī)選用FBDC旋軸流式局部通風(fēng)機(jī)。除塵裝置5與皮帶輸送機(jī)配套安裝，這種布置實(shí)現(xiàn)了除塵與掘進(jìn)聯(lián)動(dòng)作業(yè)。污風(fēng)經(jīng)由風(fēng)筒7進(jìn)入除塵裝置5內(nèi)的除塵箱;在除塵箱內(nèi)，粉塵與除塵裝置噴出的霧狀水珠碰撞，粉塵與液滴完成凝聚后脫水過濾，凈化后由擋風(fēng)罩4頂部排出。

4 粉塵濃度測定與分析

1)粉塵濃度測定。

為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的除塵效果，以全塵質(zhì)量濃度、呼塵質(zhì)量濃度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)該系統(tǒng)完成實(shí)際循環(huán)測試前后的粉塵量進(jìn)行采樣。測定方法采用濾膜質(zhì)量濃度法［5］，在粉塵濃度穩(wěn)定后進(jìn)行平行樣品采樣，粉塵濃度Cm計(jì)算公式為:

式中:

ma、mb—采樣前、后濾膜質(zhì)量，mg;

qv—采樣流量，L/min;

t1，t2—兩個(gè)平行采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間，偏差小于20%的兩平行采樣點(diǎn)有效，min。

2)除塵效果分析。

選取掘進(jìn)機(jī)作業(yè)人員位置、距離掘進(jìn)機(jī)5 m、15 m、25 m、35 m作為測點(diǎn)采樣。整理原始數(shù)據(jù)，得到使用該系統(tǒng)前、后的測定結(jié)果，見表1。

由表1可知，全塵濃度在未使用該系統(tǒng)前為161.15 ～ 382.11 mg/m3，使用后降低為 13.98 ～40.50 mg/m3，除塵效率達(dá)到 78.76% ～90.03%，這表明掘進(jìn)巷道的粉塵污染得到改善。呼塵濃度從未使用前的 6.05 ～27.50 mg/m3，降低到 1.15 ～6.78 mg/m3，除塵效率達(dá)到74.31% ～82.75%，這表明該除塵系統(tǒng)降低了掘進(jìn)機(jī)作業(yè)人員的粉塵吸入。此外，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測試，該工作面的可見度也得到顯著提高。

表1 測定結(jié)果比較表

5 結(jié)論

1)基于高瓦斯掘進(jìn)工作面的特點(diǎn)，提出了采用長壓短抽混合通風(fēng)與密閉濕式除塵裝置相結(jié)合同步作業(yè)的快速除塵系統(tǒng)，并分析了影響通風(fēng)系統(tǒng)布置的關(guān)鍵參數(shù)，建立了密閉濕式噴霧除塵系統(tǒng)。

2)對(duì)比使用快速除塵系統(tǒng)前、后的全塵濃度、呼塵濃度表明:該除塵系統(tǒng)不僅改善了掘進(jìn)巷道的作業(yè)環(huán)境，還降低了掘進(jìn)機(jī)操作人員的粉塵吸入，實(shí)現(xiàn)了降低高瓦斯工作面粉塵濃度的目標(biāo)。

［1］王 煒，胥 奎.高瓦斯礦井綜采工作面粉塵防治技術(shù)探討［J］.煤炭工程，2009(8):52－54.

［2］王維虎.煤層注水防塵技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011(1):57－60.

［3］呂建為，陳少華，王興雨.薄煤層炮采工作面濕式打眼及綜合防塵技術(shù)探索與實(shí)踐［J］.中國煤炭，2008(10):71－74.

［4］李志斌，朱長義.掘進(jìn)工作面濕式除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.煤，2007(7):15－17.

［5］支學(xué)藝，何錦龍，張紅嬰.礦井粉塵測定技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:258－260.