南岭矿5207运输巷综掘巷道通风除尘技术实践

王 强

(山西阳煤集团南岭煤业有限公司,山西 太原 030400)

煤炭是我国重要的化石能源和工业原材料之一,其中每年作为能源的消耗量占国家能源消耗总量的50%[1]。煤炭开采的首要步骤是掘进巷道用于形成采煤工作面、供风、运送材料等,掘进机的应用越来越广泛,虽然其掘进速度快效率高,但高强度掘进过程会产生大量粉尘[2]。粉尘条件下长期作业会引发尘肺病等疾病,尘肺病是不可治愈的慢性呼吸系统疾病,我国每年新增尘肺病患者1万5千人,目前共有尘肺病患者超过80万人。高浓度煤尘还可能引起煤尘或者瓦斯煤尘爆炸,严重威胁人员身心健康和企业安全生产。目前,我国煤矿通常采用煤层注水、喷雾降尘、泡沫抑尘等降尘技术,虽然具有一定效果但难以满足国家标准要求[3-4]。而且喷射的降尘介质还会降低煤炭品质,增加工作面劳动强度。通风除尘借助风流引导粉尘进行治理,杜绝了对煤炭品质的影响和工作面作业环境的恶化[5]。本文以南岭矿综掘工作面为例,利用湿式除尘风机和附壁风筒作为主要降尘手段进行了现场应用,降尘效果较好。为类似掘进巷道降尘技术应用提供了参考。

1 南岭矿5207运输巷掘进工作面概况

南岭矿5207运输顺槽长度为808 m,沿5号煤顶板掘进。5号煤层煤厚为1.43～2.62 m,平均厚度2.02 m,煤层倾角5°～15°,平均10°。煤尘具有爆炸性,自燃倾向性等级为Ⅲ类不易自燃煤层。巷道断面为矩形,长度和宽度分别为4.8 m、2.7 m,断面面积12.96 m2。

2 通风除尘系统设计

工作面目前的降尘措施仅为掘进机自带内外喷雾技术。应用过程中发现,掘进机内喷雾固定在截割头上,内喷雾喷嘴向截齿齿尖喷射高压雾滴实现降尘目的,但由于截割头掘进割煤过程中煤体碎块直接和内喷雾喷嘴接触,极易造成喷嘴堵塞、损坏等问题,影响内喷雾雾滴喷射和雾化效果,降尘效果很差。外喷雾为掘进机出厂自带外喷雾系统,由于没有针对工作面的现场情况进行针对性调试,雾滴场喷射形态和方向无法有效作用在截割头周围产尘区域,且耗水量大,容易造成工作面积水引起掘进机下陷,影响作业效率。应用内外喷雾降尘后,现场能见度依然较低,降尘效果差、粉尘质量浓度高。因此利用通风除尘系统中的除尘风机将掘进面的粉尘抽出集中治理是非常必要和有效的方式。但由于掘进面产尘强度大、产尘点多,仅使用除尘风机除尘无法治理全部粉尘,可能还有部分残余粉尘随风流运移至巷道中部,因此需要设计掘进面迎头控尘装置,阻隔粉尘运移路径,将粉尘控制在掘进面迎头集中处理。

图1给出了湿式除尘风机的结构示意图,其中主要包含导流叶片、轴流风机、脱水器、水箱等结构。通过轴流风机在风机入口处产生负压,吸入含尘气流,气流进入机体后,在上下导流叶片作用下,在内部气流通道流动,除尘器下方为降尘水箱,含尘风流被导流片引导至水箱中粉尘和水面碰撞后被截留、润湿,同时由于导流板的截留、离心作用,增加了对粉尘的治理效果。

图1 除尘风机结构示意

如前所述,与除尘风机配套使用的还有控尘装置,即附壁风筒,如图2所示。附壁风筒为侧面开口的筒状结构,固定在压入式风筒的前端,内部的导流板能够将压入式风筒中的风流分流一部分向巷道横断面喷射,旋流导流结构能够使附壁风筒喷射出向巷道迎头移动的旋转空气幕。可调节的开口装置能够改变分流的风量,形成的旋流空气幕向掘进面迎头处推进,使得向巷道后方运移的粉尘被阻隔在迎头附近,提高除尘风机吸尘效果。附壁风筒固定在掘进机司机旁,形成的空气幕能够将粉尘有效阻隔在司机前侧,使司机处于洁净空气条件下作业。

图2 附壁风筒结构和实物图

3 通风除尘技术应用效果

3.1 降尘技术应用

本文设计的通风除尘系统,对粉尘的治理主要包含两个层面,其一是通过附壁风筒和长压短抽式通风方式将粉尘控制在掘进面迎头附近,减少粉尘向巷道中后方扩散,扩大污染范围;其二是通过抽出式风筒内部的除尘装置截留、润湿粉尘,净化含尘空气,实现高效的粉尘治理。该系统布置示意如图3所示。压抽比为1.2时控尘效果最好,因此将除尘风机抽风量设定为718 m3/min.

吸尘罩入口处为偏平状结构,能够增加入口处的吸力,增大负压作用区域,内部流道为流线型,减少风阻的同时还避免结构突变处出现风流漩涡造成粉尘堆积。吸尘罩的上面、左面和右面均有吸尘口,能够在吸尘罩周围形成立体的负压区域,提高吸尘效果。吸尘罩固定在掘进机司机身上位于司机前端,能够避免粉尘向司机处运移。同时距离掘进机截割头有一定距离,能够保证负压区域在全断面扩展,保证含尘气流的吸入效果。吸尘口由多个吸尘孔组成,每个吸尘孔长10 cm、宽2 cm,实现高效吸尘的同时避免较大的煤体碎块进入吸尘风筒内,增加风阻。

图3 通风除尘系统布置示意(单位:mm)

图4 湿式除尘风机吸尘罩结构图(单位:mm)

3.2 通风除尘效果

粉尘质量浓度的降低幅度是评价除尘效果的直观依据。在掘进面司机处和湿式除尘风机出风口后方5 m处设置两个测尘点,利用直读式测尘仪测定总粉尘和呼吸性粉尘质量浓度,测尘仪采样流量为10 L/min,采样时间为5 min.同时测定呼尘和全尘质量浓度,每组测定3个数据取平均值。测尘结果如表1所示。能够看出,没有降尘措施的时候,掘进机司机位置的全尘平均浓度高达421.1 mg/m3,呼尘平均浓度高达209.5 mg/m3;除尘风机出风口后方5 m处的全尘和呼尘平均质量浓度分别为274.7 mg/m3和168.3 mg/m3.利用湿式除尘风机和附壁风筒相配合的通风除尘系统以后,司机处的全尘质量浓度降低到18.4 mg/m3,呼吸性粉尘质量浓度降低到8.5 mg/m3.除尘风机出风口后5 m处,经过净化的气流中全尘和呼尘质量浓度分别降低至6 mg/m3和3.1 mg/m3.

表1中的除尘率按照公式(1)计算。

(1)

式中:μ为除尘率,%;c1为没有降尘措施时的粉尘质量浓度,mg/m3;c2为采用综合降尘措施后的粉尘质量浓度,mg/m3.

能够得出,在司机处的全尘和呼尘降尘率分别达到了95.6%和95.9%,除尘风机出风口后5 m处,呼尘和全尘降尘率分别为98.1%和97.8%,达到了国家对粉尘治理的标准规定。

表1 各测尘点粉尘质量浓度

4 结 语

根据掘进工作面现场条件,设计了湿式除尘风机和附壁风筒配合的长压短抽通风除尘系统。掘进机司机位置原始全尘质量浓度实测值高达421.1 mg/m3,呼尘平均浓度高达209.5 mg/m3;除尘风机出风口后方5 m处的全尘和呼尘平均浓度分别为274.7 mg/m3和168.3 mg/m3.通风除尘系统应用后,在司机处的全尘和呼尘降尘率分别达到了95.6%和95.9%,除尘风机出风口后5 m处,呼尘和全尘降尘率分别为98.1%和97.8%,达到了国家对粉尘治理的标准规定。