南嶺礦5207運輸巷綜掘巷道通風除塵技術實踐

王 強

(山西陽煤集團南嶺煤業有限公司,山西 太原 030400)

煤炭是我國重要的化石能源和工業原材料之一,其中每年作為能源的消耗量占國家能源消耗總量的50%[1]。煤炭開采的首要步驟是掘進巷道用于形成采煤工作面、供風、運送材料等,掘進機的應用越來越廣泛,雖然其掘進速度快效率高,但高強度掘進過程會產生大量粉塵[2]。粉塵條件下長期作業會引發塵肺病等疾病,塵肺病是不可治愈的慢性呼吸系統疾病,我國每年新增塵肺病患者1萬5千人,目前共有塵肺病患者超過80萬人。高濃度煤塵還可能引起煤塵或者瓦斯煤塵爆炸,嚴重威脅人員身心健康和企業安全生產。目前,我國煤礦通常采用煤層注水、噴霧降塵、泡沫抑塵等降塵技術,雖然具有一定效果但難以滿足國家標準要求[3-4]。而且噴射的降塵介質還會降低煤炭品質,增加工作面勞動強度。通風除塵借助風流引導粉塵進行治理,杜絕了對煤炭品質的影響和工作面作業環境的惡化[5]。本文以南嶺礦綜掘工作面為例,利用濕式除塵風機和附壁風筒作為主要降塵手段進行了現場應用,降塵效果較好。為類似掘進巷道降塵技術應用提供了參考。

1 南嶺礦5207運輸巷掘進工作面概況

南嶺礦5207運輸順槽長度為808 m,沿5號煤頂板掘進。5號煤層煤厚為1.43～2.62 m,平均厚度2.02 m,煤層傾角5°～15°,平均10°。煤塵具有爆炸性,自燃傾向性等級為Ⅲ類不易自燃煤層。巷道斷面為矩形,長度和寬度分別為4.8 m、2.7 m,斷面面積12.96 m2。

2 通風除塵系統設計

工作面目前的降塵措施僅為掘進機自帶內外噴霧技術。應用過程中發現,掘進機內噴霧固定在截割頭上,內噴霧噴嘴向截齒齒尖噴射高壓霧滴實現降塵目的,但由于截割頭掘進割煤過程中煤體碎塊直接和內噴霧噴嘴接觸,極易造成噴嘴堵塞、損壞等問題,影響內噴霧霧滴噴射和霧化效果,降塵效果很差。外噴霧為掘進機出廠自帶外噴霧系統,由于沒有針對工作面的現場情況進行針對性調試,霧滴場噴射形態和方向無法有效作用在截割頭周圍產塵區域,且耗水量大,容易造成工作面積水引起掘進機下陷,影響作業效率。應用內外噴霧降塵后,現場能見度依然較低,降塵效果差、粉塵質量濃度高。因此利用通風除塵系統中的除塵風機將掘進面的粉塵抽出集中治理是非常必要和有效的方式。但由于掘進面產塵強度大、產塵點多,僅使用除塵風機除塵無法治理全部粉塵,可能還有部分殘余粉塵隨風流運移至巷道中部,因此需要設計掘進面迎頭控塵裝置,阻隔粉塵運移路徑,將粉塵控制在掘進面迎頭集中處理。

圖1給出了濕式除塵風機的結構示意圖,其中主要包含導流葉片、軸流風機、脫水器、水箱等結構。通過軸流風機在風機入口處產生負壓,吸入含塵氣流,氣流進入機體后,在上下導流葉片作用下,在內部氣流通道流動,除塵器下方為降塵水箱,含塵風流被導流片引導至水箱中粉塵和水面碰撞后被截留、潤濕,同時由于導流板的截留、離心作用,增加了對粉塵的治理效果。

圖1 除塵風機結構示意

如前所述,與除塵風機配套使用的還有控塵裝置,即附壁風筒,如圖2所示。附壁風筒為側面開口的筒狀結構,固定在壓入式風筒的前端,內部的導流板能夠將壓入式風筒中的風流分流一部分向巷道橫斷面噴射,旋流導流結構能夠使附壁風筒噴射出向巷道迎頭移動的旋轉空氣幕。可調節的開口裝置能夠改變分流的風量,形成的旋流空氣幕向掘進面迎頭處推進,使得向巷道后方運移的粉塵被阻隔在迎頭附近,提高除塵風機吸塵效果。附壁風筒固定在掘進機司機旁,形成的空氣幕能夠將粉塵有效阻隔在司機前側,使司機處于潔凈空氣條件下作業。

圖2 附壁風筒結構和實物圖

3 通風除塵技術應用效果

3.1 降塵技術應用

本文設計的通風除塵系統,對粉塵的治理主要包含兩個層面,其一是通過附壁風筒和長壓短抽式通風方式將粉塵控制在掘進面迎頭附近,減少粉塵向巷道中后方擴散,擴大污染范圍;其二是通過抽出式風筒內部的除塵裝置截留、潤濕粉塵,凈化含塵空氣,實現高效的粉塵治理。該系統布置示意如圖3所示。壓抽比為1.2時控塵效果最好,因此將除塵風機抽風量設定為718 m3/min.

吸塵罩入口處為偏平狀結構,能夠增加入口處的吸力,增大負壓作用區域,內部流道為流線型,減少風阻的同時還避免結構突變處出現風流漩渦造成粉塵堆積。吸塵罩的上面、左面和右面均有吸塵口,能夠在吸塵罩周圍形成立體的負壓區域,提高吸塵效果。吸塵罩固定在掘進機司機身上位于司機前端,能夠避免粉塵向司機處運移。同時距離掘進機截割頭有一定距離,能夠保證負壓區域在全斷面擴展,保證含塵氣流的吸入效果。吸塵口由多個吸塵孔組成,每個吸塵孔長10 cm、寬2 cm,實現高效吸塵的同時避免較大的煤體碎塊進入吸塵風筒內,增加風阻。

圖3 通風除塵系統布置示意(單位:mm)

圖4 濕式除塵風機吸塵罩結構圖(單位:mm)

3.2 通風除塵效果

粉塵質量濃度的降低幅度是評價除塵效果的直觀依據。在掘進面司機處和濕式除塵風機出風口后方5 m處設置兩個測塵點,利用直讀式測塵儀測定總粉塵和呼吸性粉塵質量濃度,測塵儀采樣流量為10 L/min,采樣時間為5 min.同時測定呼塵和全塵質量濃度,每組測定3個數據取平均值。測塵結果如表1所示。能夠看出,沒有降塵措施的時候,掘進機司機位置的全塵平均濃度高達421.1 mg/m3,呼塵平均濃度高達209.5 mg/m3;除塵風機出風口后方5 m處的全塵和呼塵平均質量濃度分別為274.7 mg/m3和168.3 mg/m3.利用濕式除塵風機和附壁風筒相配合的通風除塵系統以后,司機處的全塵質量濃度降低到18.4 mg/m3,呼吸性粉塵質量濃度降低到8.5 mg/m3.除塵風機出風口后5 m處,經過凈化的氣流中全塵和呼塵質量濃度分別降低至6 mg/m3和3.1 mg/m3.

表1中的除塵率按照公式(1)計算。

(1)

式中:μ為除塵率,%;c1為沒有降塵措施時的粉塵質量濃度,mg/m3;c2為采用綜合降塵措施后的粉塵質量濃度,mg/m3.

能夠得出,在司機處的全塵和呼塵降塵率分別達到了95.6%和95.9%,除塵風機出風口后5 m處,呼塵和全塵降塵率分別為98.1%和97.8%,達到了國家對粉塵治理的標準規定。

表1 各測塵點粉塵質量濃度

4 結 語

根據掘進工作面現場條件,設計了濕式除塵風機和附壁風筒配合的長壓短抽通風除塵系統。掘進機司機位置原始全塵質量濃度實測值高達421.1 mg/m3,呼塵平均濃度高達209.5 mg/m3;除塵風機出風口后方5 m處的全塵和呼塵平均濃度分別為274.7 mg/m3和168.3 mg/m3.通風除塵系統應用后,在司機處的全塵和呼塵降塵率分別達到了95.6%和95.9%,除塵風機出風口后5 m處,呼塵和全塵降塵率分別為98.1%和97.8%,達到了國家對粉塵治理的標準規定。