新型“長壓短抽”通風除塵系統的試驗研究

高世寧

（山西煤炭進出口集團蒲縣萬家莊煤業有限公司，山西 蒲縣 041000）

附壁風筒技術是一種新型的長壓短抽通風除塵技術，通過減少軸向供風，增加徑向供風的方式形成自后向前運移的控塵風幕，將粉塵控制在工作面迎頭，進而實現高效控塵降塵。但這種通風方式由于減少了吹向工作面迎頭的軸向供風，會導致迎頭瓦斯積聚。結合山西煤炭進出口集團萬家莊煤礦20101 綜掘工作面的現場生產特點，對通風降塵效率與工作面瓦斯濃度關系進行試驗研究，為綜掘工作面粉塵和瓦斯防治提供參考。

1 工程概況

萬家莊煤業公司地處蒲縣黑龍關鎮，井田面積13.897 2 km2，年生產能力120 萬t，主要開采2#煤層。20101 為首采工作面，煤層厚度為1.2～3.7 m，平均煤層厚度為2.5 m。煤層絕對瓦斯涌出量約1 m3/min。20101 主運輸順槽掘進工作面采用綜合機械化工藝進行掘進，工作面沿煤層頂板掘進，日平均進尺9.5 m，掘進高度2.6 m。工作面采用長壓方式供風，供風量550 m3/min 左右，要求迎頭最大瓦斯濃度不得超過0.5%。工作面原有掘進機內噴霧、巷道內噴霧、沖洗巷道積塵等多種降塵措施，但在實踐中降塵效果不佳，需要進一步優化。

2 綜合高效除塵技術的應用

為對萬家莊煤礦20101 綜掘工作面的粉塵進行高效防治，在該工作面布置安裝了一套新型“長壓短抽”高效通風除塵系統和掘進機環形外噴霧裝置。

“長壓短抽”高效通風除塵系統的組成如圖1所示，主要由濕式過濾除塵器、機面集塵裝置、矩形負壓風筒、附壁風筒、整流風筒以及連接管路等組成。濕式過濾除塵器固定在放置于二運橋轉后的拖拉軌道上的承載小車上，以連桿與二運橋轉連接在一起，隨掘進機和二運橋轉同進退。附壁風筒與整流風筒接在供風風筒前端，附壁風筒布置在距工作面迎頭120 m 處，整流風筒前端出風口距迎頭5～10 m。除塵系統抽風量為450 m3/min。

掘進機環形外噴霧裝置安裝在掘進機懸臂上，布置有若干水平朝向迎頭和垂直噴嘴。裝置能夠在截割頭及懸臂周圍形成360°的密實霧流，有效包裹截割頭，覆蓋產塵區域，使大部分粉塵被水霧捕集，產塵量減少。

圖1 長壓短抽通風除塵系統示意圖

特制的附壁風筒是用于實現分段控風的關鍵系統部件，風筒壁上平均分布著6 個斜向上30°的可收縮關閉的徑向出風口，用于實現徑向出風，形成控塵風幕。6 個徑向出風口的總斷面積與軸向出風口的斷面積基本相等，通過調節附壁風筒可以實現對供風方向和軸徑向出風比的精確調節。通過精確調節供風方向和軸徑向出風比，可以在掘進工作面作業區域形成自后向前運移的風流流場，將掘進機割煤產生的含塵氣流控制在工作面迎頭（即司機前方），并最終經過除塵系統的凈化后排入巷道后方，實現高效控塵降塵。

3 附壁風筒軸徑向出風比試驗研究

“長壓短抽”高效通風除塵系統試運行期間，為研究附壁風筒軸徑向出風比和降塵效率及瓦斯濃度的關系，進行了附壁風筒軸徑向出風比的精確調節及測定試驗，對附壁風筒的軸徑向出風量、系統運行時工作面的降塵效率和瓦斯濃度進行了同步測試。

3.1 附壁風筒軸徑向出風比精確調節及測定試驗

附壁風筒軸徑向出風比的精確調節及測定試驗共進行了2 次，試驗采用測定軸向出風口風速，再換算成出風量的方法。在工作面生產狀態條件下，依次增加開啟附壁風筒徑向出風口的數量，每開啟1 個徑向出風口，都用高速風表測出該狀態下軸向出風口的平均風速，之后將平均風速換算為軸向出風量，再根據總供風量和軸向出風量計算出徑向出風量。試驗結果如表1 所示。

表1 軸徑向出風比調節試驗數據表

根據試驗結果，隨著附壁風筒徑向出風口開啟數量增多，徑向出風量逐漸增加，增加趨勢為先急后緩。徑向出風口全部打開時，軸徑向出風比可以達到1:0.8 以上，此時軸向出風量和徑向出風量基本相等，符合6 個徑向出風口的總斷面積與軸向出風口的斷面積基本相等的規律。如需繼續增大徑向出風量，應縮小軸向出風口的斷面積，減小軸向出風量，從而加大徑向出風量。

3.2 工作面綜合降塵效率及迎頭瓦斯濃度測試

在進行附壁風筒軸徑向出風比的精確調節及測定試驗的同時，采用直讀式粉塵濃度測定儀和便攜式瓦斯濃度測定儀，對開啟不同數量徑向出風口狀態下，系統運行時工作面的降塵效率和迎頭的瓦斯濃度進行同步測定。測定期間，為取得高效的降塵效果，通風除塵系統和掘進機環形外噴霧裝置同時開啟運行。測試結果如表2 所示。

表2 工作面瓦斯濃度和粉塵濃度測試對比結果表

試驗結果表明，隨著附壁風筒徑向出風口開啟數量增多，工作面迎頭的相對瓦斯濃度逐漸升高，升高趨勢先緩后急。徑向出風口全部開啟時，相對瓦斯濃度達到最大，為0.46%，滿足最大相對瓦斯濃度不得超過0.5%的要求。出風口全部關閉時則相反。

在滿足瓦斯濃度不超標的情況下，工作面的通風降塵效率也隨附壁風筒徑向出風口的開啟數量增多而逐漸提高。開啟1～4 個徑向出風口時，降塵效率增速較緩：開啟5～6 個出風口時，效率大幅提高。徑向出風口全部開啟時，工作面的通風降塵效率最高，配合掘進機環形外噴霧，工作面的綜合降塵效率可達97.9%；出風口全部關閉時，綜合降塵效率也能達到80%以上。

3.3 軸徑向出風比和降塵效率及瓦斯濃度的關系

通過上述試驗結果可知，隨著附壁風筒徑向出風口開啟數量從1 增加到6 個過程中，軸徑向出風比從1:0.2 調整到1:0.8，徑向出風量增加，且增加趨勢為先急后緩。當開啟數量達到6 時，徑向出風量達到最大。軸徑向出風比從1:0.2 調整到1:0.8 過程中，降塵效率逐漸提高，但是瓦斯濃度也逐漸增大。當開啟的徑向出風口達到一定數量，徑向出風量達到一定程度后，能夠在工作面巷道中形成有效的自后向前運移的風流場，將粉塵控制在工作面迎頭，進而取得較高的降塵效率。同時，徑向出風量增大會導致軸向出風量相應地減小，以及受到控塵風流場的影響，在迎頭瓦斯相對涌出量相同的情況下，被軸向出風量吹散稀釋的瓦斯減少，迎頭瓦斯積聚迅速增加。當工作面迎頭瓦斯相對涌出量較大時，應關閉部分徑向出風口，減小徑向出風量，增大軸向出風量，首先保證最大瓦斯濃度不超限，但同時也必然會導致降塵效率下降。“長壓短抽”通風除塵系統附壁風筒軸徑向出風比精確調節及測定試驗為除塵設備參數的設定和應用提供了依據，在保障瓦斯濃度不超限的情況下有效提高除塵效率。

4 結論

以萬家莊煤礦20101 綜掘工作面為例，進行了新型“長壓短抽”高效通風除塵系統的實踐應用研究。對系統徑向出風口開啟數量、軸徑向出風比與系統運行時工作面的降塵效率和瓦斯濃度關系進行了研究，為“長壓短抽”高效通風除塵系統參數的設定及除塵效率的調節提供了依據。根據掘進工作面迎頭瓦斯相對涌出量的大小合理調節軸徑向出風比，迎頭瓦斯相對涌出量較大時，必然會對工作面的通風降塵效率造成一定的影響。在掘進工作面迎頭瓦斯相對涌出量較大，通風降塵效率較低時，可以采取掘進機高壓外噴霧、泡沫噴霧或同時加大供風量和除塵系統抽風量等措施提高工作面降塵效率。