煤礦掘進工作面除塵系統降阻提效方案研究與應用

白晉棟

（山西新元煤炭有限責任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

在目前的生產條件下，工作面生產過程中普遍存在粉塵污染嚴重的問題，而粉塵是影響礦井安全高效生產的關鍵因素。目前，我國常用的工作面降塵措施包含：煤層注水、噴霧降塵、除塵器降塵及風筒降塵等[1-2]。這幾種除塵措施中最為常見的是掘進機內外噴霧與除塵器相結合的除塵方式。但現有生產條件下，利用噴霧降塵的方法進行除塵工作時經常會出現噴頭阻塞的情況，從而影響除塵器的工作效率，導致工作面的除塵效果差。因此，除塵器的除塵能力直接影響了工作面的降塵效果。目前，關于工作面除塵器的選擇大多只參考除塵器的額定風量，對于配套使用的管路阻力及管道風量大小問題沒有進行過多的考慮，導致了工作面除塵器的抽風量與實際生產過程中的供風量不平衡，致使粉塵治理效果較差。

1 除塵器現場使用情況

此掘進工作面的通風除塵方式為長壓短抽式，工作面的除塵器由工作面污風替換為風筒傳入的新鮮風流，凈化后的風流沿著巷道延伸方向排出。除塵器安裝在工作面對應的軌道上，風筒與工作面間通過除塵器相連接，使得整個除塵系統隨工作面的推進而整體移動。具有操作簡單、維護量少等特點。其在工作面的布置方式如圖1所示。

由于工作面選擇的通風方式為長壓短抽式，因此，整個系統工作過程中的壓入風量應當低于除塵器的抽出風量。此掘進工作面的實測風量為560 m3/min，現場選用的除塵器為濕式除塵器，具體型號為KCS－550D－Ⅰ型。但在現場實踐中發現，這一型號除塵器的實際抽風量僅能達到370 m3/min，并不能滿足除塵的風量要求。由此可見，除塵器本身的風量較低會影響整個通風除塵系統的工作效率。

圖1 除塵器現場布置圖

2 通風除塵系統阻力分析

通過對整個除塵系統分析可知，系統中的通風阻力主要來自于三個方面：

1）吸塵罩區域內的壓力損失。實測結果表明，吸塵罩處壓力損失約為200 Pa，但現場安裝過程中吸塵罩的位置較難改變，導致該處的壓力損失較難降低。

2）風筒內的摩擦力損失。具體計算方式如式（1）所示[3]：

式中：λ為摩擦阻力系數；L為風道長度，m；ρ為空氣密度；v為空氣流速，m/s；d為風道直徑，m；Δpm為摩擦壓力損失，Pa。現場條件下所選用的風筒直徑為7 m，除塵器與工作面的距離約為25 m，根據規定數據得知試驗選取的管道中的摩擦系數為0.03～0.08左右，計算值取0.05，計算得到風筒內的摩擦力損失為408 Pa。風筒內的摩擦壓力損失主要受到風筒的材質、直徑及長度的影響，由于需要考慮整個除塵系統的配套，只能改變風筒的材質，即改變摩擦阻力系數，但考慮到整個風筒的長度較長，進行全部更換所需的成本較高。

3）拐點及變徑口處的壓力損失。具體計算方式如式（2）所示[4]：

式中：h1為壓力損失，Pa；ε為局部阻力系數；ρ為空氣密度；Q為管道風量，m3/min；S為管道斷面積，m2。風筒拐點處的壓力損失主要受拐角角度及變徑尺寸的影響，其中，拐點處的壓力損失為88.5 Pa，變徑處的壓力損失為41.3 Pa，計算過程中拐點處的局部阻力系數為0.125，變徑處局部阻力系數為0.118。在現場生產條件下，風筒拐點形狀及尺寸較難改變，因此較難降低該處的壓力損失。

綜上，整個通風除塵系統中風筒阻力為738 Pa，但現場環境條件較難改變，因此各部分的阻力較難改變。

3 除塵器性能測試

為較為直觀的研究除塵器風量與系統外加阻力間的關系，實驗根據風機風量測試標準對除塵器的風量、外加阻力和功率進行了測量及計算，實驗結果如表1所示，風量與外加阻力之間的關系如圖2所示。

表1 除塵器性能測試結果

圖2 性能曲線

通過分析測量得到的數據可知，隨通風系統阻力的增加，整個曲線的變化可以劃分為正常工作區、喘振區及小風量運行區三個區域。其中，喘振區內的除塵器工作情況最不穩定，此區域內風量隨阻力的變化情況最為顯著，但小風量區域內二者的相關性并不明顯，因此，在實際生產中應當盡量避免出現這兩種情況。而試驗工作面的整體阻力值為738 Pa，屬于喘振區的范圍內，現場實測的風量也與曲線中的風量相吻合。

為有效提高工作面的降塵效率，需要有效控制工作面的通風阻力。通過計算可知，除塵系統中風筒、風罩及拐點處的壓力損失都較難降低，因此，降低通風阻力的根本措施為從除塵器本身結構方面考慮如何降低內阻。

4 除塵器降阻方案研究與應用

4.1 內阻降低方法研究

根據大量的現場實踐經驗，除塵器前端的噴霧架及后端的過濾網會對除塵器的內阻產生很大程度的影響，因此改進主要從這兩個部分著手。

前噴霧的主要作用是保證水霧與粉塵有較大接觸面積，原來的降塵系統采用螺旋狀噴頭，這種噴頭不僅噴霧空間不合理，同時耗水量也相對較大。實驗結果表明G型噴嘴相對于原有的螺旋噴嘴能夠使水霧分散的效果更好，有效增加水霧與粉塵的接觸面積，在降低內阻的前提下提高了降塵效率，改進后除塵器的內阻降低了95 Pa，噴霧流量降低了21 L/m3，但整體的除塵效率并未降低。

除塵器后端的過濾網會對整個除塵器的除塵效果產生影響，原有除塵器后端的濾網共設置有4層，為有效降低工作阻力，分別研究了3層及2層條件下的內阻及工作效率。其中，3層過濾網相對于4層網來說，整個系統工作阻力降低110 Pa，降塵效率降低0.5%；2層濾網相對于4層濾網工作阻力降低400 Pa，但除塵效率降低3%。3層過濾網在降低工作阻力的同時除塵效率變化較小，因此，將原有的4層改為3層。

改進之后的除塵器，內阻降低了205 Pa，由原來的喘振區過渡至正常工作區，根據理論計算，將除塵器改進后系統風量可達508 m3/min，能夠滿足此掘進工作面的降塵需求。

4.2 現場應用

為驗證除塵器經改進后的除塵效果，將改進后的除塵器在選定工作面進行現場應用，并對現場的風量及粉塵濃度進行了實測。結果表明，改進后的除塵器風量提高至500 m3/min，能夠有效滿足工作面的通風除塵要求。各工作區域內的粉塵濃度測試結果如下頁表2所示?，F場應用結果顯示，改進后除塵器抽風量增加120 m3/min，工作面降塵效率提高11.9%，呼吸性粉塵降塵率增加15.6%，降塵效果顯著。

5 結語

基于某礦掘進工作面的降塵現狀，結合理論分析與實際應用，從除塵器本身入手，提出了適合工作面生產情況的降阻方案，改變了除塵器的噴霧架及濾網。經過現場實測，改進后除塵器內阻降低205 Pa，同時整個風筒內的風量增加了120 m3/min，總粉塵去除率達到93.8%，其中呼吸性粉塵去除率可達86.5%，可見改進后的除塵器降塵效果顯著。

表2 現場粉塵濃度檢測結果