一種綜掘工作面成套通風除塵系統(tǒng)的研究及應用

劉潤軍

（山西新景礦煤業(yè)有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

1 現(xiàn)場概況

某礦的井田面積為13.63 km2，年計劃生產(chǎn)180萬t。平均日產(chǎn)噸煤瓦斯的涌出量為8.8 m3（小于10 m3），因此屬于低瓦斯礦井。經(jīng)測試煤塵的爆炸指數(shù)為33.67%（大于15%），因此屬于強爆型粉塵。并且該煤礦的煤層具有自燃傾向，發(fā)火期小于6個月，記錄的最短發(fā)火期為26天[1]。

2 產(chǎn)塵機理分析

綜掘工作面是煤礦進行回采作業(yè)的前期開拓工作面，在正常生產(chǎn)過程中的產(chǎn)塵量僅次于綜采工作面，并且期間的工序繁雜、產(chǎn)塵源眾多且分散，為井下粉塵重點治理的對象。

截割頭截割煤壁的過程也是粉塵產(chǎn)生的過程，旋轉的截齒與煤壁接觸一方面煤壁施加壓力，另一方面施加一個切向的力，因此煤體被剪切破壞產(chǎn)生大量裂隙。隨著滾筒的轉動，大量煤體被攜帶拋出。空氣中的煤塵不僅受重力作用還有氣流的作用，粒徑較小的粉塵由于受氣流的作用明顯，因此不易沉降，隨著氣流在巷道中擴散。若不對粉塵進行治理，大量的粉塵會被產(chǎn)生并在風流的攜帶作用下導致綜掘工作面上百米的巷道都受到粉塵污染。基于綜掘工作面粉塵主要產(chǎn)塵機理的分析，對粉塵的塵源治理是最佳方案，盡可能控制粉塵的濃度和污染范圍[2]。

3 噴霧除塵技術分析

根據(jù)相關規(guī)定，掘進機必須配置內(nèi)、外噴霧，要求內(nèi)噴霧的射出水壓大于（等于）3 MPa，外噴霧的射出水壓大于（等于）1.5 MPa；若內(nèi)噴霧的水壓低于3 MPa時必須使用外噴霧[3]。在實際使用過程中，極易發(fā)生噴嘴堵塞和水封損壞等問題，所以掘進機的內(nèi)噴霧經(jīng)常被雜質(zhì)堵塞，無法實現(xiàn)降塵的功能。因此外噴霧是在煤礦井下使用頻率最高的設備，但目前外噴霧在使用過程中存在以下不足：

1）耗水量大，霧化粒徑過大，噴射距離不足導致出水口附近設備出現(xiàn)銹蝕，巷道容易積水；

2）對供水系統(tǒng)的水壓、水量和水質(zhì)要求過高；

3）噴霧管路易破損漏水，維修影響有效掘進工作時間。

4 綜掘工作面除塵系統(tǒng)研究

4.1 綜掘工作面除塵系統(tǒng)

目前，綜掘工作面的除塵方式分為濕式除塵和干式除塵。采用濕式除塵一方面會阻礙操作人員的視線，影響安全生產(chǎn)；另一方面，對提供的水量和水壓要求較高。長壓短抽通風系統(tǒng)是目前使用最廣泛的干式除塵方式。該系統(tǒng)通過壓入通風機將新鮮的風流輸送到迎頭對粉塵進行稀釋，一般壓入風筒的出口設置在距迎頭10～15 m的位置，依靠抽出風機聚集含塵污風并排出，抽出風筒的吸風口一般設置在距迎頭3～5 m的位置，兩種通風方式的風機共同對粉塵進行控制。但存在除塵設備體積較大且需頻繁移動的缺點，因此需要對目前的長壓短抽通風除塵系統(tǒng)進行優(yōu)化改進。

在壓風風筒的出口接一個附壁風筒，由于氣體在巷道內(nèi)具有科恩達效應，將最初壓入式通風機輸送到迎頭的軸向風流變換為吸附在巷道壁上渦流，對巷道整體進行覆蓋避免除塵盲點的出現(xiàn)。并且吸塵裝置的主體安裝在掘進機上，此種布置可以解決除塵設備的跟機移動的問題，減少操作工序。將吸塵裝置的吸風口裝在掘進機截割臂的頂部，一方面可以盡可能的接近產(chǎn)塵源；另一方面能保證吸塵口始終處于與截割頭對準的狀態(tài)，以提高除塵效率[3]。

新型綜掘工作面通風除塵系統(tǒng)在進行掘進作業(yè)時采用的是長壓短抽的通風方式，此系統(tǒng)的壓入風筒的出風口與迎頭之間的距離應小于12～15 m[4]。因為若壓入風筒的出風口距迎頭過近不易形成風墻來控制粉塵，而且反彈回來的風流流速過大易將粉塵攜帶至巷道深部而不是被吸塵裝置的聚集吸收；若壓入風筒的出風口距迎頭較遠能保證形成風墻來控制粉塵，在阻力的作用下，到達迎頭的風流已趨于平緩，此種狀態(tài)有利于吸塵裝置進行吸塵。在對工作面進行支護時，轉換為壓入式通風，此時保證壓入風筒的出風口與迎頭的距離在5 m以內(nèi)。為方便不同通風方式轉換的同時保證控塵效果，在附壁風筒的出口處安裝風門并在側邊開口風口。在進行掘進作業(yè)時關閉風門，風流從附壁風筒的側口流出，有利于形成旋轉風流控制粉塵，如圖1所示。在進行支護作業(yè)時打開風門，使風流沿軸向迎頭。

圖1 旋轉風流示意圖

吸塵裝置的吸塵口應保證距離迎頭4 m以內(nèi)。若此距離太遠，司機位于吸塵口的前方，處于粉塵的污染區(qū)內(nèi)。但此距離若過近，截割頭切割煤壁時，由于滾筒的旋轉運動對煤塵有拋擲作用，大量的粉塵由于速度過快無法被吸塵裝置捕捉，造成巷道深部的粉塵濃度過高。

為了避免迎頭出現(xiàn)循環(huán)風，應保證壓入的風量大于抽出的風量，而且吸塵裝置的排風口為附壁風筒的后部5～10 m的區(qū)間內(nèi)。

4.2 附壁風筒

為增強風流的除塵效果，在壓入風筒的出風口處安裝風流改向裝置-附壁風筒。原本方向為軸向的風流通過附壁風筒后變成逐漸向迎頭移動的徑向風流，可以在掘進機的前部形成一道氣幕，將迎頭產(chǎn)生的粉塵限制在迎頭處，然后依靠位于司機前方的吸塵器吸入含塵風流，吸塵器將含塵風流凈化后排出干凈的空氣。附壁風筒的示意圖如圖2所示[4]。

4.3 吸塵器

圖2 附壁風筒的示意圖（單位：mm）

吸塵器選用的是濕式振弦除塵器，依靠其對吸入的含塵氣流進行除塵凈化。柔性的涂覆布負壓風筒進行長距離送風會因為風阻和接頭處漏風的存在導致供風量不足，因此在結合工作面斷面和供風量的要求，設計了適合在本礦綜掘面使用的吸塵器。吸塵器示意圖如圖3所示。

圖3 吸塵器示意圖

5 現(xiàn)場使用概況

該成套通風除塵系統(tǒng)在該礦的7269溜子道進行了31個工作日的現(xiàn)場試驗，試驗期間共掘進350 m，經(jīng)過多次測量粉塵的降塵效率達到80%～84%。通過在現(xiàn)場分別對采用不同除塵方式后巷道內(nèi)的粉塵濃度測試結果進行對比，發(fā)現(xiàn)新研發(fā)的成套通風除塵系統(tǒng)技術先進，除塵效果明顯，有效改善了掘進工作面的作業(yè)環(huán)境。具體試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場濃度測定

6 結論

經(jīng)過現(xiàn)場應用表明，本文研究的這種新型成套通風除塵系統(tǒng)的降塵效率達到80%～84%，使用范圍為巷道斷面為12～18 m2的煤巷或半煤巷，與綜掘工作面的機組和通風設備配套使用可取得更佳的除塵效果。該成套除塵系統(tǒng)可以有效降低綜掘工作面的粉塵濃度，減小工人患呼吸道疾病的概率，有利于推進綜掘工作的機械化，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益與社會效益。