掘進(jìn)巷道粉塵控制技術(shù)的研究

摘要 針對(duì)掘進(jìn)巷道的特點(diǎn)，研制了一種高效實(shí)用的自激式水浴水膜除塵器，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、除塵過程和與掘進(jìn)機(jī)相配套的方式進(jìn)行了研究分析。還對(duì)掘進(jìn)巷道中的產(chǎn)塵源進(jìn)行了調(diào)查和分析，認(rèn)為掘進(jìn)巷道的防塵方法：應(yīng)先采用掘進(jìn)機(jī)頭的內(nèi)外噴霧，然后采用長(zhǎng)壓短抽的通風(fēng)除塵系統(tǒng)和利用除塵器將含塵空氣進(jìn)行凈化；對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)除塵采用簡(jiǎn)易閉密罩加噴霧；對(duì)巷道周壁的粉塵采用噴灑粘塵劑固塵，才能有效地降低整個(gè)巷道的粉塵濃度。

關(guān)鍵詞 掘進(jìn)巷道 除塵器 機(jī)掘工作面 轉(zhuǎn)載點(diǎn)

1 前言

隨著掘進(jìn)巷道機(jī)械化程度的提高，高效、大功率掘進(jìn)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和局部通風(fēng)設(shè)備的使用，使掘進(jìn)巷道內(nèi)產(chǎn)塵源增多、產(chǎn)塵量增大，巷道內(nèi)空氣中的粉塵濃度大大增加。掘進(jìn)巷道內(nèi)主要產(chǎn)塵源有掘進(jìn)工作面、運(yùn)輸設(shè)備的各轉(zhuǎn)載點(diǎn)和巷道周壁粉塵的二次揚(yáng)塵等。其中，產(chǎn)塵量最大的是掘進(jìn)工作面，據(jù)測(cè)定掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)，粉塵濃度高達(dá)（1000-3000）mg/m3；其次是運(yùn)輸設(shè)備的各轉(zhuǎn)載點(diǎn)，粉塵濃度也高達(dá)（300-500）mg/m3；如此多的塵源產(chǎn)生的大量粉塵彌散整個(gè)工作面和巷道，使掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵濃度嚴(yán)重超限。這些高濃度、高分散度的粉塵嚴(yán)重影響礦工的身體健康，威脅著礦井的安全生產(chǎn)。因此，必須采取有效措施，控制掘進(jìn)巷道內(nèi)各塵源的產(chǎn)塵量，使巷道內(nèi)空氣中的粉塵濃度達(dá)到規(guī)定值。為此，筆者將對(duì)機(jī)掘工作面、轉(zhuǎn)載點(diǎn)和巷道周壁粉塵的控制技術(shù)進(jìn)行探討。

2 機(jī)掘工作面除塵

機(jī)掘工作面在安全生產(chǎn)中，突出的問題是產(chǎn)塵量大、分散度高，若采用一般的降塵措施（即掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧）是難以解決的。據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究實(shí)踐表明，機(jī)掘工作面的粉塵控制技術(shù)必須采取綜合降塵措施，即在掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧的基礎(chǔ)上，安裝除塵設(shè)備進(jìn)行吸塵凈化。目前，國(guó)內(nèi)外研制的除塵器種類很多，除塵原理多種多樣，但由于礦山井下掘進(jìn)巷道空間小、設(shè)備移動(dòng)頻繁，故要求所使用的除塵器應(yīng)具有體積小、重量輕、移動(dòng)維護(hù)方便，且除塵效率高（特別是對(duì)呼吸性粉塵）等特點(diǎn)。如果采用一些國(guó)內(nèi)外的大型除塵系統(tǒng)和設(shè)備很難達(dá)到要求，為此，筆者對(duì)煤巷機(jī)掘工作面的粉塵狀況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)定，并作了大量的實(shí)驗(yàn)研究，研制了一種新型高效的自激式水浴水膜除塵器，經(jīng)理論論證和實(shí)驗(yàn)證明，該種除塵器除塵效率達(dá)98%以上，對(duì)呼吸性粉塵的除塵效率也達(dá)90%。下面對(duì)其結(jié)構(gòu)、除塵過程以及與掘進(jìn)機(jī)相配套方式作簡(jiǎn)要介紹。

2.1 除塵器的結(jié)構(gòu)和除塵原理

除塵器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有上下導(dǎo)流葉片、脫水器、水箱、軸流式風(fēng)機(jī)、排漿閥和注水孔等組成。其除法過程是含塵氣體由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入除塵器轉(zhuǎn)彎向下的導(dǎo)流葉片沖擊水面，較大的塵粒由于慣性作用落入水箱中，而較小的塵粒隨氣流以較高速度通過上導(dǎo)流葉片間的彎曲通道時(shí)，與激起的大量水滴充分碰撞而被捕獲沉降。含塵含水的氣流又在離心力的作用下，在除塵器內(nèi)壁和上下導(dǎo)流葉片上形成一定厚度的水膜，將塵粒捕集下降。再由脫水器除掉氣流中的水滴水霧后，經(jīng)軸流風(fēng)機(jī)（電機(jī)外殼需作專門的防水處理）排出到巷道中，其除塵機(jī)理主要是氣流中的塵粒與液面和霧化液滴之間產(chǎn)生慣性碰撞、載留、擴(kuò)散等作用。總之，這種除塵器具有水浴、水滴、離心力產(chǎn)生的水膜等三種除塵功能，因而可得到較高的除塵效率。另外，被水滴捕集落入水箱里的粉塵，沉積到水箱底部或隨氣流沖擊不斷攪動(dòng)，當(dāng)水箱中濃度達(dá)到一定值后，通過排漿閥定期排出，并沖洗水箱，由供水管補(bǔ)充新水。

2.2 通風(fēng)除塵系統(tǒng)的確定

合理的通風(fēng)除塵系統(tǒng)，應(yīng)能有效地控制掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生的粉塵，并把含塵空氣吸入除塵器中加以凈化，以提高除塵效率。為此，采用長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)（如圖2所示）。這種除塵系統(tǒng)的管理與維護(hù)比較簡(jiǎn)單，并能有效排除瓦斯的積聚和滯留，實(shí)現(xiàn)粉塵的就地凈化。工作面風(fēng)量由壓入式局部風(fēng)機(jī)供給，通過配風(fēng)器調(diào)節(jié)風(fēng)量，保證抽入除塵器的風(fēng)量大于工作面的實(shí)際風(fēng)量，使工作面風(fēng)流中高濃度的粉塵全部抽入除塵器進(jìn)行清除。除塵后的凈化風(fēng)流由配套風(fēng)機(jī)排到巷道。

壓入式風(fēng)筒口距機(jī)掘工作面的距離的選取：如果，壓入式風(fēng)筒口距機(jī)掘工作面的距離過小，掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵容易被帶出工作面；若壓入式風(fēng)筒口距機(jī)掘工作面距離過大，則排塵風(fēng)速過小，不易形成吹吸系統(tǒng)，對(duì)收塵不利。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐壓入式風(fēng)筒口距機(jī)掘工作面的距離，宜取L壓<=(4-5)S開平方。

除塵器吸塵口距機(jī)掘工作面的距離：若除塵器吸塵口距機(jī)掘工作面的距離太小，機(jī)掘工作面產(chǎn)生的大量粉塵會(huì)被風(fēng)流帶出，并且把大量較粗粉塵吸入除塵器內(nèi)，增大除塵器內(nèi)水箱污水的清換次數(shù)；假若除塵器吸塵口距機(jī)掘工和的距離太大，機(jī)掘工作面產(chǎn)生的粉塵也經(jīng)過司機(jī)以后，才被吸入除塵器，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處的粉塵濃度得不一有效除低，對(duì)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)身體危害極大。因此，一般除塵器吸塵口距機(jī)掘工作面的距離選取L壓<=1.5S開平方為宜。

2.3 除塵器的安裝和使用方法

由于井下工作條件的特殊性，要求除塵設(shè)備移動(dòng)安裝拆卸方便，并保證除塵設(shè)備與掘進(jìn)機(jī)同步前進(jìn)，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。本文中采用的除塵器的安裝是針對(duì)邢臺(tái)礦業(yè)集團(tuán)東龐煤礦2709工作面（屬低瓦斯礦井）的生產(chǎn)作業(yè)條件，并在不影響掘進(jìn)工人工作的情況下，經(jīng)過反復(fù)考慮而采用的如圖2所示的除塵系統(tǒng)安裝方法。即除塵器和風(fēng)機(jī)安裝在橋式皮帶兩側(cè)，在掘進(jìn)機(jī)兩側(cè)懸掛吸風(fēng)筒，吸塵罩安裝在掘進(jìn)機(jī)截割臂上，它們之間分別用鋼性和伸縮風(fēng)筒連接除塵器與風(fēng)機(jī)，這樣在掘進(jìn)機(jī)和橋式皮帶兩側(cè)分別形成兩個(gè)獨(dú)立的除塵系統(tǒng)，互不干擾，基本上不影響掘進(jìn)工人工作。由于一臺(tái)除塵器的處理風(fēng)量為（60-70）m3/min，因此，采用兩臺(tái)除塵器并聯(lián)使用。每套除塵系統(tǒng)的阻力為1300Pa左右，故選用兩臺(tái)JBT-42型防爆軸流通風(fēng)機(jī)，其電機(jī)功率為4kW。

在除塵器運(yùn)行前（或每班開工時(shí)），先用軟管把除塵器水箱中含塵污水放入巷道水溝中，再向水箱注入清水，由水位指示器顯示水箱的注水量。除塵設(shè)備運(yùn)行一定時(shí)間后（約一天），再放污水和清水各一次，操作比較簡(jiǎn)單。除塵設(shè)備、掘進(jìn)機(jī)和壓入式局部風(fēng)機(jī)的供電線路要有風(fēng)電閉鎖裝置。當(dāng)局部風(fēng)機(jī)一旦因故停止運(yùn)轉(zhuǎn)或工作面瓦斯超限時(shí)，除塵設(shè)備和掘進(jìn)機(jī)便能及時(shí)斷電，停止運(yùn)轉(zhuǎn)；只有在壓入式局部風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作面瓦斯?jié)舛炔怀薜臓顟B(tài)下，除塵設(shè)備和掘進(jìn)機(jī)的開關(guān)才能啟動(dòng)起來。

3 轉(zhuǎn)載點(diǎn)除塵

在掘進(jìn)巷道內(nèi)通常安裝多臺(tái)運(yùn)輸設(shè)備，各轉(zhuǎn)載點(diǎn)（例如，掘進(jìn)機(jī)到橋式皮帶、從皮帶運(yùn)輸機(jī)到皮帶運(yùn)輸機(jī)或刮板運(yùn)輸機(jī)）在運(yùn)煤過程中都會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。這主要原因是各轉(zhuǎn)載點(diǎn)存在一定的落差，煤炭在下落過程受到空氣阻力的作用，使周圍空氣發(fā)生流動(dòng)，造成煤炭中細(xì)小粉塵懸浮起來，飛揚(yáng)到空氣中。根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)上述懸浮粉塵進(jìn)行分析，不難得出以下結(jié)果：對(duì)這些粉塵若不采取措施，就會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地停留在空氣中不沉降，由于掘進(jìn)巷道中空氣存在一定流速，就會(huì)把微細(xì)粉塵帶到別的工作地點(diǎn)，致使整個(gè)巷道中粉塵濃度增加。目前，控制轉(zhuǎn)載點(diǎn)的粉塵措施主要有降低煤炭的下落高度、噴霧酒水和密閉抽塵。由于井下掘進(jìn)巷道斷面面積較小，運(yùn)輸設(shè)備拆卸安裝次數(shù)較多，不象運(yùn)輸大巷或地面皮帶運(yùn)輸機(jī)那樣，各轉(zhuǎn)載點(diǎn)可安裝密閉抽塵除塵器凈化系統(tǒng)。為此，在轉(zhuǎn)載點(diǎn)采用噴霧灑水時(shí)，為防止粉塵還未被充分濕潤(rùn)就被風(fēng)流帶走，又采用了轉(zhuǎn)載點(diǎn)無風(fēng)機(jī)抽塵的簡(jiǎn)易密閉罩凈化系統(tǒng)，如圖3所示。罩內(nèi)設(shè)有噴霧器，密閉罩與皮帶接觸處采用橡膠板接觸，以防止粉塵向外溢出，密閉罩結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)實(shí)際需要而定。

4 巷道周壁抑塵

由于掘進(jìn)巷道周壁聚集大量粉塵，單用灑水濕潤(rùn)，有效抑塵時(shí)間短，很麻煩，效果往往不好，沖洗的方法雖較徹底但耗水量很大。為有效防止沉積于巷道周圍的粉塵再次飛揚(yáng)，污染風(fēng)流，采用在巷道周壁噴酒粘塵劑來抑塵。它的基本原理是將沉積煤塵徹底濕潤(rùn)，并使其失去飛揚(yáng)性。由于一般水份容易蒸發(fā)，所以在粘塵劑中主要添加了吸水性很強(qiáng)的鹽類溶液，但是在單獨(dú)使用這種鹽溶液或水時(shí)，往往不能充分濕潤(rùn)煤塵，因此在粘塵劑中還添加了表面活性劑物質(zhì)。這種粘塵劑主要成分是氯化鈣和氯化鎂等物質(zhì)。

粘塵劑可以持續(xù)濕潤(rùn)由井下空氣帶來的、不斷沉積于巷幫和底板的煤塵，隨著粘塵量不斷增加，粘塵劑需要不斷吸收空氣中的水份。但當(dāng)煤塵過量沉積，致使粘塵劑不能再保持流體狀態(tài)時(shí)，就會(huì)失去濕潤(rùn)能力，這樣需要重新噴灑粘塵劑。粘塵劑的噴灑方法采用人工噴灑，工藝設(shè)備較簡(jiǎn)單。

5 結(jié)語

由于煤礦井下條件的特殊性，掘進(jìn)巷道的粉塵危害一直沒有很好解決。上述除塵方法是筆者多年進(jìn)行理論探討和實(shí)驗(yàn)研究，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，而取得的成果。對(duì)掘進(jìn)巷道的防塵方法：應(yīng)先采用掘進(jìn)機(jī)頭的內(nèi)外噴霧，將工作面產(chǎn)生的粗塵迅速沉降下來；然后采用長(zhǎng)壓短抽的通風(fēng)除塵系統(tǒng)，利用自激式水浴水膜除塵器，將含塵空氣進(jìn)行凈化。對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)除塵采用簡(jiǎn)易閉密罩加噴霧。對(duì)巷道周壁的粉塵采用噴灑粘塵劑固塵。通過這些除（降）塵措施，就能有效地降低機(jī)掘工作面和整個(gè)掘進(jìn)巷道的粉塵濃度。