鑿巖機排氣引射通風(fēng)除塵技術(shù)研究與試驗

彭 濤 吳潔葵

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點實驗室)

鑿巖機排氣引射通風(fēng)除塵技術(shù)研究與試驗

彭 濤1,2吳潔葵1,2

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點實驗室)

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

鑿巖作業(yè)面 鑿巖機排氣 環(huán)隙式引射器 除塵

井下掘進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，而獨頭巷道或天井掘進很難形成貫穿風(fēng)流，一般利用局扇進行壓入、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型空氣引射器進行獨頭巷道壓入通風(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)的效果受獨頭巷道長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導(dǎo)致引射系數(shù)降低[4]，對通風(fēng)成本產(chǎn)生不利影響。

氣動鑿巖機是以高壓風(fēng)、水為動力，在作業(yè)過程中鑿巖機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)場測試和一些科學(xué)研究表明，氣動鑿巖時在鉆孔中產(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廢氣排放導(dǎo)致巖漿霧化引起的二次揚塵[5]。如果能將鑿巖機排氣導(dǎo)出，作為引射通風(fēng)除塵的工作氣流，不僅能減少鑿巖機排氣霧化巖漿引起的二次揚塵，還能利用鑿巖機排氣余能進行抽出式引射通風(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排氣孔面積影響，而排氣孔面積會影響鑿巖機背壓，進而影響鑿巖速度，因此對鑿巖機排氣孔面積、背壓與鑿巖速度的關(guān)系進行研究，是實現(xiàn)鑿巖機排氣余能引射通風(fēng)除塵技術(shù)的關(guān)鍵。

1 鑿巖速度與背壓關(guān)系的研究

鑿巖機活塞沖程與背壓有關(guān)(背壓是指鑿巖機排氣孔排出氣流產(chǎn)生的壓力)，背壓是影響鑿巖速度的重要因素。鑿巖機氣缸排出的氣體進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，實現(xiàn)加速工作面通風(fēng)除塵的目的，需要對鑿巖機排氣孔面積進行調(diào)整試驗。調(diào)整鑿巖機氣孔面積必然會影響鑿巖機背壓，因此需要研究鑿巖速度與鑿巖機背壓之間的關(guān)系。

1.1 鑿巖機排氣孔面積與局部阻力關(guān)系

鑿巖機排氣是隨活塞往復(fù)運動的斷續(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為鑿巖機排氣量；ρ為空氣密度，根據(jù)鑿巖機指標(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)生的局部阻力計算結(jié)果。

從表1可以看出，當(dāng)排氣孔面積S2小于7 cm2時，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，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，此時較原來增加的局部阻力只有4 080 Pa。

1.2 鑿巖機排氣孔面積對鑿巖速度的影響

盡管影響鑿巖機鑿巖速度的因素很多，相互之間的關(guān)系也非常復(fù)雜，但理論和實踐都表明，風(fēng)壓越高，鑿巖速度越快，鑿巖機背壓越大，鑿巖速度越慢。在撞擊針尾的頻率一定時，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為鑿巖機提供的風(fēng)壓，Pa；hSS為鑿巖機背壓，Pa；α為比例系數(shù)，與巖性、針頭銳利程度等因素有關(guān)。

通過對某地下礦山采場YSP-45型鑿巖機的鑿巖速度實測，根據(jù)式(1)確定hSS值，在風(fēng)壓為5個大氣壓的條件下，測得鑿巖速度為0.442 6 m/min。代入式(2)計算，得到比例系數(shù)α=0.90×10-6m/(min·Pa)。因此，測鑿巖機在測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，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，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)引起的鑿巖機背壓增加不會對鑿巖速度產(chǎn)生大的影響。

2 鑿巖機排氣引射器性能試驗

2.1 環(huán)隙引射器

鑿巖機排氣引射氣流通風(fēng)是將鑿巖機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)隙面積會引起鑿巖機高背壓，進而影響鑿巖速度，因此引射器環(huán)隙寬度不宜太小。試驗用引射器環(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)場試驗

2.2.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由YSP-45型鑿巖機、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 鑿巖機排氣引射通風(fēng)除塵系統(tǒng)示意

2.2.2 試驗方法

選擇某礦山平巷掘進工作面為試驗場地。排氣引射器懸掛于巷道側(cè)幫，距離YSP-45型鑿巖機2.5 m，用手持式風(fēng)速儀對引射器吸風(fēng)口和排風(fēng)口測定風(fēng)速，考慮到風(fēng)速波動影響，試驗分兩次進行，每次測多個數(shù)據(jù)，取其平均值。結(jié)果見表2。

表2 引射效果試驗結(jié)果

由測定結(jié)果可知，引射器平均排風(fēng)量為40.8 m3/min，鑿巖機平均排氣量為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，表明試驗系統(tǒng)對鑿巖工作面具有明顯的降塵效果。

3 通風(fēng)降塵現(xiàn)場試驗

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

表3 鑿巖機排氣引射通風(fēng)系統(tǒng)除塵試驗

試驗表明，采用鑿巖機排氣引射通風(fēng)系統(tǒng)對獨頭平巷鑿巖作業(yè)面具有顯著地降塵效果。

4 結(jié) 論

獨頭鑿巖作業(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)用價值。

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

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

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[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，高級工程師，410014 湖南省長沙市雨花區(qū)香樟路601號。