綜掘工作面高效除塵技術(shù)研究

裴衛(wèi)華

（肥城礦業(yè)集團有限責任公司，山東 肥城 271608）

煤礦綜掘過程中產(chǎn)塵量大，危害嚴重。除塵風(fēng)機的引入使得除塵效果逐步得到優(yōu)化改善，但傳統(tǒng)的濕式除塵工藝存在除塵效果不佳、生產(chǎn)環(huán)境差等問題，通過對綜掘工作面產(chǎn)塵特點及運移規(guī)律、除塵風(fēng)機除塵性能和除塵效率進行分析認為，除塵風(fēng)機運行工況對綜掘粉塵的除塵效果有較大影響，節(jié)流調(diào)節(jié)可有效提升除塵風(fēng)機負壓，有利于塵源點處的定向吸塵。機械產(chǎn)塵后，粉塵擴散是掘進迎頭風(fēng)筒風(fēng)流和除塵風(fēng)機吸風(fēng)風(fēng)流聯(lián)合作用的結(jié)果。研究風(fēng)筒風(fēng)流及除塵風(fēng)機吸風(fēng)口“二次風(fēng)流”聯(lián)合作用對粉塵擴散影響規(guī)律，設(shè)計以除塵風(fēng)機為主體的高效除塵體系，有效提升除塵風(fēng)機的除塵效率和效果，對于綜掘工作面有效控制掘進產(chǎn)塵，保證良好的工作環(huán)境，保護作業(yè)人員職業(yè)健康，提升綜掘速度和效率具有十分重要的意義。

1 含塵氣流流場模型

1.1 綜掘粉塵特征

綜掘工作面粉塵主要是綜掘過程中產(chǎn)生的細小顆粒，以及少量頂?shù)装迥囗搸r、砂巖等截割產(chǎn)生的細小顆粒。綜掘過程中能被高速氣流吹散的細小顆粒粒徑范圍在7～200μm 之間。綜掘粉塵的產(chǎn)生與粉塵特性關(guān)系密切，防塵技術(shù)選擇也與礦塵的性質(zhì)密切相關(guān)。綜掘過程中在機械力的作用下，一次塵化作用于粉塵的能量不足以使粉塵擴散飛揚，塵粒不可能單獨在綜掘空間內(nèi)傳播，造成局部環(huán)境粉塵污染現(xiàn)象。在綜掘施工過程中，外部風(fēng)流致使粉塵擴散，主要有：除塵風(fēng)機吸風(fēng)流、除塵噴霧流場、供風(fēng)風(fēng)筒風(fēng)流、綜掘搖臂以及滾筒旋轉(zhuǎn)風(fēng)流，這些風(fēng)流場對二次揚塵作用越明顯，危害越大。

1.2 模型假設(shè)

模擬過程中，對綜掘粉塵產(chǎn)生和運動規(guī)律作如下假設(shè)：

（1）巷道空間粉塵運動是二維運動，風(fēng)筒風(fēng)流出口及除塵風(fēng)機吸風(fēng)口為主要風(fēng)流場，氣流運動過程中無能量損失；

（2）巷道風(fēng)流及隨風(fēng)流運動的粉塵顆粒為氣粒兩相流運動；

（3）忽略Soret 效應(yīng)和Dufour 效應(yīng)；

（4）粉塵-空氣氣粒兩相流分布為均勻彌散結(jié)構(gòu)；

（5）固體壁面為輻射灰體。

1.3 幾何模型

在綜掘獨頭巷道，風(fēng)流的分布是三維的。為便于對綜掘巷道風(fēng)流分布進行研究，特建立如下綜掘獨頭巷道模型（如圖1 所示）：巷道風(fēng)筒風(fēng)流出口距綜掘迎頭5 m，除塵風(fēng)機距巷道迎頭3.5 m。

圖1 綜掘巷道二維模型

2 風(fēng)筒及除塵風(fēng)機流場分析

研究考慮條件假定，設(shè)定風(fēng)筒入口流場壓力為100 Pa、200 Pa，除塵風(fēng)機吸風(fēng)口負壓為-800 Pa、-1000 Pa，流場、壓力場對比試驗。風(fēng)速、等壓曲線圖如圖2、圖3 所示。

圖2 不同進出口風(fēng)壓條件下速度分布圖

圖3 不同進出口風(fēng)壓條件下等壓圖線

通過分析三個不同條件風(fēng)流與壓力場可知，風(fēng)機吸風(fēng)壓力過低可以導(dǎo)致風(fēng)筒風(fēng)流與風(fēng)機吸風(fēng)流場的相互作用，掘進迎頭風(fēng)流場呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)，二次風(fēng)流使綜掘產(chǎn)塵擴散，加重粉塵污染。如條件保持不變，除塵風(fēng)機負壓適當提升，在綜掘迎頭將會形成負壓區(qū)，吸風(fēng)流和迎頭后部進風(fēng)流之間的壓差降低。由此可知，為提高除塵風(fēng)機工作效率，提升除塵效果，要適度降低風(fēng)筒進風(fēng)流風(fēng)壓，提高除塵風(fēng)機吸風(fēng)風(fēng)壓。

3 綜掘高效除塵系統(tǒng)

3.1 傳統(tǒng)濕式除塵

煤礦因采掘活動頻繁，產(chǎn)塵量大面廣，一般采用傳統(tǒng)濕式除塵風(fēng)機在產(chǎn)塵較集中的綜掘迎頭、采掘工作面等作業(yè)點進行除塵。除塵風(fēng)機的使用，使得含塵氣體得到凈化，作業(yè)環(huán)境持續(xù)改善，達到工業(yè)衛(wèi)生標準，保護作業(yè)人員身體健康，避免塵毒危害。設(shè)備構(gòu)成主要是除塵風(fēng)機和濕式除塵器兩部分。除塵風(fēng)機是防爆抽出式，除塵風(fēng)機吸入含塵空氣后，濕式除塵器捕獲粉塵、就地凈化并從除塵器風(fēng)口排出。

3.2 高效除塵技術(shù)要點

要把握主要風(fēng)流場在綜掘工作面的變化規(guī)律，優(yōu)化并設(shè)計適合綜掘工藝的高效除塵風(fēng)機吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)，以提高污塵空氣流的凈化效率，并應(yīng)重視以下問題：（1）減少粉塵的二次風(fēng)流影響，及時控制產(chǎn)塵。（2）降低入風(fēng)口風(fēng)流風(fēng)壓，提高除塵風(fēng)機吸風(fēng)口風(fēng)壓。

（3）除塵風(fēng)機選定后，可通過除塵風(fēng)機吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)調(diào)整提升風(fēng)壓。

（4）除塵系統(tǒng)由除塵風(fēng)機本體、環(huán)形內(nèi)凹結(jié)構(gòu)吸風(fēng)口、風(fēng)機尾部的排污風(fēng)、風(fēng)水聯(lián)動噴霧降塵系統(tǒng)、配套的掘進巷道分風(fēng)增壓裝置及綜掘機滾筒側(cè)面煤體潤濕孔等部分組成。系統(tǒng)利用分風(fēng)、增壓結(jié)構(gòu)及噴霧降塵系統(tǒng)提升污風(fēng)吸收能力，調(diào)整滾筒出水口位置，利用高壓水、離心力進行截割煤體潤濕。

3.3 除塵風(fēng)機吸風(fēng)口

吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)是除塵系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。吸風(fēng)口是一個敞開結(jié)構(gòu)，吸氣時在附近形成負壓，當吸氣口面積較小時會形成“點匯”。除塵風(fēng)機吸風(fēng)口為內(nèi)凹環(huán)形結(jié)構(gòu)，吸風(fēng)口處與機內(nèi)壁呈弧形結(jié)構(gòu)，間距在30～50 mm 范圍；內(nèi)凹結(jié)構(gòu)利用內(nèi)凹腔體提升風(fēng)機內(nèi)外壓差，弧度角為外切150°?？刹捎脙?nèi)部大“喇叭口”設(shè)計提升吸塵效果。

3.4 水霧聯(lián)動噴頭及搖臂徑向控塵噴頭

根據(jù)歐美科學(xué)家研究理論，在塵埃與水霧顆粒大小相近時，塵埃顆粒與水霧顆粒相互作用，碰撞后產(chǎn)生吸附凝結(jié)作用，在重力作用下塵埃團降落，形成塵埃過濾效果。因此，采取風(fēng)水聯(lián)動、氣霧降塵方法，10μm 以下粉塵可得到有效去除。

水霧聯(lián)動抑塵裝置，主要是利用綜掘迎頭高壓水、氣系統(tǒng)，將水粉碎，形成微小霧粒，再通過頭部噴孔噴出。霧滴流場可以有效控制綜掘工作面迎頭粉塵擴散，同時霧滴還可有效吸附，并聚結(jié)粉塵顆粒成團，聚集物受重力作用沉降，從而提高噴霧效果。

水霧聯(lián)動抑塵裝置主要依靠霧化風(fēng)霧場對綜掘機的截割部位控塵，霧滴進行水霧降塵。該裝置產(chǎn)生霧滴顆粒比較小，對降低呼吸性粉塵具有較好效果。但因其漂浮性特點，周邊環(huán)境風(fēng)速影響較大。因此，應(yīng)將產(chǎn)塵點附近風(fēng)速控制在2 m/s 以下，以最大限度實現(xiàn)控制降塵效果。

水霧噴頭數(shù)量計算：N=S·W/q

式中：N為水霧噴頭數(shù)量；S為保護面積；W為設(shè)計噴霧強度；q為水霧噴頭設(shè)計流量。

如圖4 所示，搖臂附近水霧聯(lián)動高壓噴嘴設(shè)計為長頸噴嘴，用高壓水霧對綜掘截割部進行產(chǎn)塵控制。噴嘴由入口平面部分A、圓弧曲面B、C 構(gòu)成入口收縮部分、圓筒形喉部E 和為防止邊緣損傷保護槽F 組成。

風(fēng)水聯(lián)動控塵風(fēng)壓應(yīng)控制在0.3～0.5 MPa，水量54～80 L/min。利用風(fēng)筒分風(fēng)增壓控塵，分風(fēng)量占總風(fēng)量的30%～50%。利用綜掘機螺旋結(jié)構(gòu)與搖臂交接處高壓水潤濕煤體以減少產(chǎn)塵。潤濕孔口呈正米字型結(jié)構(gòu)，可布置潤濕孔8 個，噴口與螺旋機構(gòu)夾角75°。

本設(shè)計綜合減塵、控塵、除塵為一體，可有效減少粉塵的產(chǎn)生，在防止粉塵大范圍擴散的同時，極大提高除塵風(fēng)機的除塵效率和效果，具有較好的實用性。

3.5 應(yīng)用場景

圖5 所示，高效除塵風(fēng)機系統(tǒng)由除塵風(fēng)機本體及環(huán)形內(nèi)凹增壓吸塵結(jié)構(gòu)1、除塵風(fēng)機增壓延長風(fēng)筒2、巷道內(nèi)原分風(fēng)控塵風(fēng)筒3、綜掘設(shè)備機體上的煤體潤濕孔4、搖臂附近風(fēng)水聯(lián)動外噴霧系統(tǒng)5等部分組成。圖中顯示了綜掘巷道與風(fēng)筒、除塵風(fēng)機、綜掘設(shè)備之間的關(guān)系。

圖5 綜掘迎頭除塵系統(tǒng)

4 結(jié)語

（1）本文從三個不同條件的風(fēng)流及壓力場進行對比，得出以下結(jié)論：除塵風(fēng)機當吸風(fēng)口的壓力過低時，除塵風(fēng)機吸風(fēng)流與風(fēng)筒進風(fēng)流流場相互作用導(dǎo)致迎頭中的風(fēng)流場紊亂，綜掘粉塵隨著二次風(fēng)流進一步擴散，增大了粉塵污染程度。除塵風(fēng)機適當提升負壓后，有利于綜掘迎頭負壓區(qū)形成，綜掘迎頭后部進風(fēng)流與吸風(fēng)流壓差降低，在粉塵被除塵風(fēng)機及時吸收的同時，也可最大程度地抑制二次風(fēng)流造成的綜掘迎頭產(chǎn)塵擴散。

（2）本文設(shè)計的水氣聯(lián)動抑塵裝置，利用綜掘迎頭高壓水、氣系統(tǒng)產(chǎn)生微小霧粒，再通過頭部噴孔噴出霧滴，系統(tǒng)產(chǎn)生的霧滴流場可以有效控制綜掘工作面迎頭粉塵擴散，同時產(chǎn)生的霧滴可有效地吸附并聚結(jié)粉塵顆粒成團，聚集物受重力作用而沉降，提高噴霧效果及效率。

（3）研究成果在煤礦井下現(xiàn)場進行了應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，風(fēng)水聯(lián)動裝置噴霧控塵效果較好，除塵風(fēng)機采用高負壓吸塵結(jié)構(gòu)吸塵、噴淋，明顯降低了粉塵濃度。