綜掘工作面高效除塵技術研究

裴衛華

（肥城礦業集團有限責任公司，山東 肥城 271608）

煤礦綜掘過程中產塵量大，危害嚴重。除塵風機的引入使得除塵效果逐步得到優化改善，但傳統的濕式除塵工藝存在除塵效果不佳、生產環境差等問題，通過對綜掘工作面產塵特點及運移規律、除塵風機除塵性能和除塵效率進行分析認為，除塵風機運行工況對綜掘粉塵的除塵效果有較大影響，節流調節可有效提升除塵風機負壓，有利于塵源點處的定向吸塵。機械產塵后，粉塵擴散是掘進迎頭風筒風流和除塵風機吸風風流聯合作用的結果。研究風筒風流及除塵風機吸風口“二次風流”聯合作用對粉塵擴散影響規律，設計以除塵風機為主體的高效除塵體系，有效提升除塵風機的除塵效率和效果，對于綜掘工作面有效控制掘進產塵，保證良好的工作環境，保護作業人員職業健康，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生的細小顆粒，以及少量頂底板泥頁巖、砂巖等截割產生的細小顆粒。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。綜掘粉塵的產生與粉塵特性關系密切，防塵技術選擇也與礦塵的性質密切相關。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傳播，造成局部環境粉塵污染現象。在綜掘施工過程中，外部風流致使粉塵擴散，主要有：除塵風機吸風流、除塵噴霧流場、供風風筒風流、綜掘搖臂以及滾筒旋轉風流，這些風流場對二次揚塵作用越明顯，危害越大。

1.2 模型假設

模擬過程中，對綜掘粉塵產生和運動規律作如下假設：

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

（2）巷道風流及隨風流運動的粉塵顆粒為氣粒兩相流運動；

（3）忽略Soret 效應和Dufour 效應；

（4）粉塵-空氣氣粒兩相流分布為均勻彌散結構；

（5）固體壁面為輻射灰體。

1.3 幾何模型

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

圖1 綜掘巷道二維模型

2 風筒及除塵風機流場分析

研究考慮條件假定，設定風筒入口流場壓力為100 Pa、200 Pa，除塵風機吸風口負壓為-800 Pa、-1000 Pa，流場、壓力場對比試驗。風速、等壓曲線圖如圖2、圖3 所示。

圖2 不同進出口風壓條件下速度分布圖

圖3 不同進出口風壓條件下等壓圖線

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

3 綜掘高效除塵系統

3.1 傳統濕式除塵

煤礦因采掘活動頻繁，產塵量大面廣，一般采用傳統濕式除塵風機在產塵較集中的綜掘迎頭、采掘工作面等作業點進行除塵。除塵風機的使用，使得含塵氣體得到凈化，作業環境持續改善，達到工業衛生標準，保護作業人員身體健康，避免塵毒危害。設備構成主要是除塵風機和濕式除塵器兩部分。除塵風機是防爆抽出式，除塵風機吸入含塵空氣后，濕式除塵器捕獲粉塵、就地凈化并從除塵器風口排出。

3.2 高效除塵技術要點

要把握主要風流場在綜掘工作面的變化規律，優化并設計適合綜掘工藝的高效除塵風機吸風口結構，以提高污塵空氣流的凈化效率，并應重視以下問題：（1）減少粉塵的二次風流影響，及時控制產塵。（2）降低入風口風流風壓，提高除塵風機吸風口風壓。

（3）除塵風機選定后，可通過除塵風機吸風口結構調整提升風壓。

（4）除塵系統由除塵風機本體、環形內凹結構吸風口、風機尾部的排污風、風水聯動噴霧降塵系統、配套的掘進巷道分風增壓裝置及綜掘機滾筒側面煤體潤濕孔等部分組成。系統利用分風、增壓結構及噴霧降塵系統提升污風吸收能力，調整滾筒出水口位置，利用高壓水、離心力進行截割煤體潤濕。

3.3 除塵風機吸風口

吸風口結構是除塵系統設計的重要環節。吸風口是一個敞開結構，吸氣時在附近形成負壓，當吸氣口面積較小時會形成“點匯”。除塵風機吸風口為內凹環形結構，吸風口處與機內壁呈弧形結構，間距在30～50 mm 范圍；內凹結構利用內凹腔體提升風機內外壓差，弧度角為外切150°。可采用內部大“喇叭口”設計提升吸塵效果。

3.4 水霧聯動噴頭及搖臂徑向控塵噴頭

根據歐美科學家研究理論，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，碰撞后產生吸附凝結作用，在重力作用下塵埃團降落，形成塵埃過濾效果。因此，采取風水聯動、氣霧降塵方法，10μm 以下粉塵可得到有效去除。

水霧聯動抑塵裝置，主要是利用綜掘迎頭高壓水、氣系統，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。

水霧聯動抑塵裝置主要依靠霧化風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，周邊環境風速影響較大。因此，應將產塵點附近風速控制在2 m/s 以下，以最大限度實現控制降塵效果。

水霧噴頭數量計算：N=S·W/q

式中：N為水霧噴頭數量；S為保護面積；W為設計噴霧強度；q為水霧噴頭設計流量。

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

風水聯動控塵風壓應控制在0.3～0.5 MPa，水量54～80 L/min。利用風筒分風增壓控塵，分風量占總風量的30%～50%。利用綜掘機螺旋結構與搖臂交接處高壓水潤濕煤體以減少產塵。潤濕孔口呈正米字型結構，可布置潤濕孔8 個，噴口與螺旋機構夾角75°。

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

3.5 應用場景

圖5 所示，高效除塵風機系統由除塵風機本體及環形內凹增壓吸塵結構1、除塵風機增壓延長風筒2、巷道內原分風控塵風筒3、綜掘設備機體上的煤體潤濕孔4、搖臂附近風水聯動外噴霧系統5等部分組成。圖中顯示了綜掘巷道與風筒、除塵風機、綜掘設備之間的關系。

圖5 綜掘迎頭除塵系統

4 結語

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

（2）本文設計的水氣聯動抑塵裝置，利用綜掘迎頭高壓水、氣系統產生微小霧粒，再通過頭部噴孔噴出霧滴，系統產生的霧滴流場可以有效控制綜掘工作面迎頭粉塵擴散，同時產生的霧滴可有效地吸附并聚結粉塵顆粒成團，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場進行了應用，應用結果表明，風水聯動裝置噴霧控塵效果較好，除塵風機采用高負壓吸塵結構吸塵、噴淋，明顯降低了粉塵濃度。