煤礦井下掘進工作面干式過濾除塵實驗教學系統建設

周福寶， 李世航， 楊永良

（中國礦業大學安全工程學院，江蘇徐州221116）

0 引 言

煤礦粉塵是礦井五大災害之一，在煤炭生產過程中，絕大部分作業工序均可產生粉塵。近年來，隨著煤礦集約化生產強度和機械化程度的不斷提高，煤礦采掘工作面的粉塵產生量急劇上升［1-2］。調查顯示，中國大部分煤礦的采掘工作面現場粉塵濃度為200 ～400 mg／m3，嚴重時可達1 ～2 g／m3，遠遠超過國家對煤礦粉塵的要求標準。呼吸性粉塵對工人健康有極大的危害，作業人員長期吸入呼吸性粉塵，可引起肺部病變，造成塵肺?。?］。衛計委公布2018 年數據［4］顯示，截至2018 年底，我國累計上報職業病約97.5 萬例，其中職業性塵肺病87.3 萬例，約占上報職業病患者總數的90%。煤炭行業每年因塵肺病死亡病例已超過生產安全事故死亡人數的2 倍，造成直接經濟損失達80億元。煤礦塵肺病的發病率極高，給煤礦工人及其家庭帶來了極大的痛苦。對于塵肺病，以目前的醫學水平只可以緩解，無法治愈，長時間患病會使患者喪失勞動能力［5］。此外，粉塵局部聚集還容易導致粉塵爆炸事故的發生，在國有重點煤礦中，87.37%的煤礦粉塵具有爆炸危險性，爆炸可致使大量人員傷亡，造成極其嚴重的社會影響。

目前煤礦掘進工作面常用的降塵措施主要有噴霧降塵、濕式除塵器、通風除塵、泡沫除塵等，但都存在一定的不足與缺陷。水噴霧和濕式除塵器雖然耗費成本低，但僅能除去大顆粒的粉塵，對粒徑較小的呼吸性粉塵的處理效率比較低，且耗水量大，會對環境造成二次污染［6-7］。通風除塵只能將巷道內的粉塵吹散，逸散粉塵隨風流向巷道后方擴散，會對整個巷道造成污染［8-9］。泡沫技術可以有效抑制呼吸性粉塵，但覆蓋在產塵源上的泡沫會遮擋工作人員的視線，發泡劑的高成本也嚴重限制了其大規模應用［10-11］。傳統的除塵技術并不能有效地解決煤礦掘進工作面的粉塵污染問題。

干式過濾除塵技術因其過濾效率高、零耗水、無二次污染等特點，近年來得到了較多的關注［12］。凈化風量、相對濕度、粉塵的物化特性、清灰參數等因素均會影響干式過濾除塵技術的應用效果，這些因素相互制約，形成了較為復雜的作用體系，相關技術人員特別是學生難以快速準確的了解其作用機理。因此，有必要研發煤礦井下掘進工作面干式過濾除塵實驗教學系統，模擬煤礦掘進工作面產塵以及干式過濾除塵系統運行，直觀展示各影響因素對干式過濾除塵技術應用效果的影響，可有效提高畢業生及相關技術人員在后期工作中對煤礦井下掘進工作面干式過濾除塵技術的了解程度，推動掘進工作面的粉塵防治工作。

1 礦用干式過濾除塵原理及影響因素

1.1 工作原理

圖1 除塵器結構示意圖

干式過濾除塵器結構示意圖如圖1 所示。根據各部分結構與功能，除塵器內部一般劃分為過濾室、潔凈室與積灰室，除塵器箱體內以花板為界，花板下部為過濾室，上部為潔凈室，除塵器底部落灰區域為積灰室。

除塵器工作時，含塵氣流通過進風口進入過濾室，由于風流斷面突然擴大導致流速降低，一部分粒徑較大的粉塵在重力的作用下發生自由沉降，剩余粒徑較小的粉塵受慣性、碰撞、擴散、攔截、篩濾、靜電吸引等作用的影響被吸附至濾筒表面形成粉塵層，過濾后的氣體進入潔凈室經由抽出式風機排出。

隨著過濾的進行，沉積在濾筒表面的粉塵層厚度不斷增加，除塵器過濾阻力也隨之增加，當其阻力值達到某一規定值時，需要進行噴吹清灰操作。由脈沖控制儀控制脈沖閥的開啟，氣包內的壓縮空氣通過噴吹管、噴嘴向濾筒內部噴射高速氣流，同時產生數倍于噴射氣流的誘導氣流一同進入濾筒內部，使濾筒內部出現瞬間正壓，沉積在濾筒外壁的粉塵層脫落掉入灰斗內，以達到清灰的目的。

1.2 干式過濾除塵主要影響因素

影響干式過濾除塵效果的影響因素如圖2 所示。

圖2 影響干式過濾除塵效果的主要因素

（1）煤礦井下具體工況環境。由于煤的變質程度以及掘進工作面的作業方式不同，會產生具有不同粒徑分布的粉塵顆粒，改變濾料表面沉積粉塵顆粒之間受力狀態，形成不同的粉塵層沉積狀態及堆積密度，從而對過濾阻力產生影響；工作面內外噴霧會改變含塵氣流的相對濕度，濕度增加會增大粉塵顆粒之間的毛細力、粉塵與濾料之間的黏附力，增加清灰難度［13］；井下供風正壓風筒和除塵器吸塵負壓風筒之間的相對位置可以影響巷道內部風流流場分布，從而影響除塵器的集塵效率［14］。

（2）除塵器本體參數。除塵器的凈化風量決定了設備對含塵氣流的處理能力，凈化風量越大則設備單位時間內處理含塵氣流的能力越大；設備運行阻力是表征能耗大小的重要指標，與風機所耗功率成正比，運行阻力越小，除塵器能耗越小；除塵效率是指相同時間內捕集的粉塵量與進入設備內的粉塵量之比，影響最終的排放濃度，是除塵器的重要技術指標之一；漏風率表征了除塵器結構密封性，是指設備運行條件下漏風量與進風量的百分比［15］。

（3）清灰系統參數。除塵器清灰系統中氣包壓力、脈沖時間、脈沖寬度、清灰策略、噴嘴直徑、噴吹高度等因素均會影響除塵器脈沖清灰效果［16-17］，從而影響除塵器整體性能。

2 干式過濾除塵實驗教學系統功能

如圖3 所示，干式過濾除塵實驗教學系統主要包括模擬現實巷道子系統、除塵器本體以及脈沖清灰子系統。

圖3 干式過濾除塵實驗教學系統圖

（1）除塵器本體測試子系統。主要包括除塵器殼體、濾筒、花板以及抽出式風機等。風機開啟后，含塵氣流經由負壓風筒進入除塵器內部，粉塵被濾筒捕集，潔凈空氣由抽出式風機排出。該系統模擬了除塵器過濾以及阻力上升過程，可以對除塵器的凈化風量、設備運行阻力、除塵效率、漏風率等參數進行測試。

（2）脈沖清灰測試子系統。該子系統主要由氣包、脈沖控制儀、脈沖閥、噴吹管等組成，可以通過氣包壓力、脈沖時間、噴吹高度以及噴吹管類型等參數的正交組合對殘余過濾阻力、過濾周期等參數進行測試，用來模擬脈沖噴吹清灰過程并進行清灰效果評定。

（3）模擬現實巷道測試子系統。該子系統主要由掘進機模型、轉載機模型、皮帶輸送機模型、正壓風筒、負壓風筒、定量給粉機、超聲波霧化器等組成，可以通過調整正壓、負壓風筒的位置，控制定量給粉機、超聲波霧化器的啟閉來模擬煤礦井下掘進工作面實際作業工況。

3 干式過濾除塵實驗教學系統

由于除塵器內部為強負壓環境，考慮到耐負壓強度，選取厚度為4 mm 的Q235 鋼板作為箱體材料；為了避免除塵器內部氣體流速過高導致阻力增大，要保證濾筒之間有足夠的間距，潔凈室有足夠的高度；出于安全性考慮，減小粉塵爆炸的危險性，在除塵器本體下部設置泄爆膜；在除塵器進出口位置布置壓力測孔，利用皮托管測量進出口處的動壓、靜壓；在除塵器入口處以及出口管道上布置粉塵測孔，利用粉塵傳感器測量粉塵濃度。

為了模擬不同噴吹參數組合對于除塵器清灰效果的影響，設計活動式噴吹管以及花板的組合，便于調節噴吹管徑和噴吹距離；通過調整PLC 可編程式脈沖控制儀參數設置，實現自主編程，靈活控制脈沖時間、脈沖間隔以及清灰順序；在濾筒上、中、下共布置3 個靜壓傳感器，測量濾筒內壁靜壓峰值，用來評定濾筒的清灰效果。

考慮到現場具體工況環境對干式過濾除塵性能存在重大影響，因此遵循幾何相似、運動相似以及動力相似規則，求解相似準則數，建立模擬巷道；考慮到產塵源位置和粉塵濃度的影響，通過設置給粉機在不同位置釋放不同粒徑、不同濃度的粉塵，精準模擬現實工況環境中的粉塵源；為了模擬巷道中不同的空氣濕度，在進風口處設計超聲波霧化器及濕度計控制進風流濕度；改變正壓風筒、負壓風筒在巷道中的空間分布，測試風筒相對位置對巷道風流場改變以及捕塵效果的影響。

4 實驗過程

（1）除塵器本體參數測量。開啟抽出式風機，除塵系統正常工作后，利用除塵系統進出口管道預留測壓孔，采用皮托管分別測量進、出口動壓，同時測量進出口管道內徑，計算得出除塵器進口風量Q1、出口風量Q2，再由Q ＝ （Q1＋Q2）／2 即可求得除塵器凈化風量，由φ ＝［（Q1-Q2）／Q］×100%即可得出除塵器漏風率；采用皮托管分別測量除塵器進口全壓p1以及出口全壓p2，利用公式Δp ＝p1-p2即可得設備運行阻力；利用粉塵濃度傳感器測量除塵器入口氣流含塵濃度c1以及出口處含塵濃度c2，由η ＝ （1 - c2／c1）×100%即可計算除塵效率。

（2）清灰系統參數測量。水平安裝噴吹管，使噴吹孔與濾筒的中心線重合，根據表1 中預設的參數變化調整不同的噴吹直徑及噴吹距離。打開空氣壓縮機，調節不同的氣包壓力。連接電磁脈沖閥與脈沖控制儀，通過脈沖控制儀調整脈沖時間、脈沖寬度、清灰策略等參數。連接靜壓傳感器、電荷放大器、信息采集卡，打開高級測試應用程序（VC）軟件，完成采集設置后，觸發采集命令，利用脈沖控制儀控制高壓氣體噴吹，數據采集后讀取濾筒側壁各測點壓力數值，記錄實驗結果，利用濾筒側壁靜壓峰值來評定除塵系統清灰性能的優劣。

表1 干式過濾除塵系統模擬實驗相關參數

（3）模擬巷道除塵參數測量。打開給粉機，向其中添加不同粒徑的粉塵，使其與風流混合形成含塵氣流。開啟除塵系統、進風口前端的超聲波霧化器，調整超聲波霧化器擋位大小控制含塵氣流的濕度；改變正壓風筒、負壓風筒的位置，通過測試除塵器進口粉塵濃度以及除塵效率來分析上述各參數對于干式過濾除塵效果的影響。模擬實驗相關測試參數如表1 所示。

5 結 語

粉塵是煤礦井下主要災害之一，極易對作業人員職業健康造成損害。干式過濾除塵技術作為目前高效的粉塵治理手段之一，在煤礦領域逐漸推廣應用，然而由于煤礦井下特殊的作業環境以及多種影響因素的相互制約關系，無法對煤礦井下掘進工作面干式過濾除塵技術進行現場實驗及演示。為進一步探究各影響因素綜合作用規律，直觀展示干式過濾除塵設備作業流程，提高安全工程和職業健康工程專業畢業生對礦用干式過濾除塵技術的認識，服務于本科教學及相關科研，設計并研發了煤礦井下掘進工作面干式過濾除塵實驗教學系統。利用該模擬實驗系統為本科生進行了多次演示實驗，充分提高了學生對干式過濾降塵技術的認知水平。