掘進(jìn)工作面粉塵處理措施淺談

王 威

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西太原 030006）

0 引言

隨著國家“十三五”規(guī)劃對于煤炭產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，近年來煤炭生產(chǎn)集約化、規(guī)模化水平顯著提升，各大礦務(wù)局紛紛開始進(jìn)行資產(chǎn)重組和企業(yè)兼并，同時對井下掘進(jìn)方式和配套工藝進(jìn)行改造優(yōu)化，以提高煤炭企業(yè)的生產(chǎn)能力和巷道掘進(jìn)速度，同時兼顧現(xiàn)場操作人員的身體健康。

隨著掘進(jìn)速度的提高，掘進(jìn)工作面將會產(chǎn)生大量粉塵和塵土，嚴(yán)重危害掘進(jìn)工作面操作人員的身體健康。各煤炭集團(tuán)為改善操作人員的勞動環(huán)境和降低職業(yè)病危害，在各個掘進(jìn)工作面都布置有除塵裝備。但受到各種因素的影響，保證掘進(jìn)工作面布置的除塵裝備能夠有效的降低工作面的粉塵濃度顯得尤為重要。

鑒于掘進(jìn)過程中控制掘進(jìn)工作面內(nèi)粉塵濃度的要求，以下主要對掘進(jìn)機(jī)的機(jī)載除塵系統(tǒng)進(jìn)行分析研究和測試，并對整套掘進(jìn)工作面的除塵系統(tǒng)進(jìn)行深入研究和探討，通過模擬巷道對除塵效果進(jìn)行測試分析，找出行之有效的降塵方法和降塵措施，改善掘進(jìn)工作面的工作環(huán)境。

1 機(jī)載除塵系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 機(jī)載除塵系統(tǒng)組成

巷道掘進(jìn)工作面主要有掘進(jìn)設(shè)備、除塵風(fēng)筒、供風(fēng)風(fēng)筒和排污泵組成，但是此系統(tǒng)對于處理掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵能力較低，因此煤機(jī)生產(chǎn)制造單位將機(jī)載除塵系統(tǒng)集成至整機(jī)上。大致有兩種配套方式：一種是將除塵器布置在帶式轉(zhuǎn)載機(jī)尾，另一種是布置在掘進(jìn)機(jī)的機(jī)尾滑靴上，兩種方式都需要掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行拖拽和牽引前進(jìn)。

掘進(jìn)機(jī)機(jī)載除塵系統(tǒng)包含有除塵系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口、除塵風(fēng)道、除塵器、除塵排污泵、除塵附壁風(fēng)筒和排風(fēng)風(fēng)筒等。

1.2 綜掘機(jī)除塵系統(tǒng)工作原理

掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)過程中，需要先開啟掘進(jìn)工作面的供風(fēng)風(fēng)筒，掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)至掘進(jìn)區(qū)域，掘進(jìn)機(jī)開啟工作時將布置在巷道右側(cè)的附壁風(fēng)筒的風(fēng)門關(guān)閉，通過供風(fēng)風(fēng)筒進(jìn)入掘進(jìn)工作面的風(fēng)流依靠附壁風(fēng)筒的側(cè)風(fēng)門進(jìn)行改向，此時從供風(fēng)風(fēng)筒進(jìn)入掘進(jìn)工作面的風(fēng)流依靠附壁風(fēng)筒的改向作用在掘進(jìn)工作面上形成一道屏障，此屏障將掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的粉塵壓制在掘進(jìn)工作面最前端，使用機(jī)載除塵器進(jìn)行粉塵處理。

一個掘進(jìn)循環(huán)完成后，附壁風(fēng)筒將打開其風(fēng)門，通過供風(fēng)風(fēng)筒進(jìn)入掘進(jìn)工作面的風(fēng)流進(jìn)入附壁風(fēng)筒中，形成掘進(jìn)工作面的空氣氣流為掘進(jìn)工作面供風(fēng)，將掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵和未處理掉的粉塵通過風(fēng)流轉(zhuǎn)運至外部進(jìn)行處理。

2 綜掘機(jī)粉塵的擴(kuò)散機(jī)理

對掘進(jìn)機(jī)在截割過程中產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行分析，同時結(jié)合現(xiàn)場計算得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，大致可以將截割頭產(chǎn)生的粉塵分為粉塵產(chǎn)生區(qū)、粉塵集中區(qū)、粉塵擴(kuò)散區(qū)和粉塵析出區(qū)共4個區(qū)域。其中最前端截割頭在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，此處稱為粉塵產(chǎn)生區(qū)；粉塵逐步向外擴(kuò)撒，其中截割頭附件的粉塵濃度較大，此區(qū)域一般被稱作粉塵集中區(qū)，此區(qū)域的粉塵主要集中在截割頭；粉塵將會隨著巷道中的氣流向掘進(jìn)的后方即掘進(jìn)機(jī)司機(jī)和現(xiàn)場其余操作人員的方向移動，產(chǎn)生的粉塵大量擴(kuò)散至巷道中，此處稱為粉塵擴(kuò)撒區(qū)，一般降塵措施也在這個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。井下實際掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)粉塵擴(kuò)散區(qū)的粉塵濃度達(dá)到設(shè)定值后，粉塵除塵器將無法將多余的粉塵通過粉塵除塵器進(jìn)行處理，此時多余的粉塵將會跨過粉塵除塵器向其后方進(jìn)行擴(kuò)散，污染巷道中的空氣，造成巷道中的粉塵濃度上升，除塵系統(tǒng)無法處理掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的粉塵，造成除塵系統(tǒng)整體失效。

3 掘進(jìn)機(jī)機(jī)載除塵測試

試驗開始時首先開啟供風(fēng)風(fēng)機(jī)，運行1 min 后關(guān)閉右側(cè)巷道上方的附壁風(fēng)筒風(fēng)門，掘進(jìn)機(jī)開始掘進(jìn)的同時開啟機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)，運行5 min 后開始進(jìn)行測量。

3.1 供風(fēng)風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口前側(cè)的風(fēng)速測量

在試驗過程中選取其中8 個測量風(fēng)速點進(jìn)行風(fēng)速測量，測試結(jié)果見表1。

表1 吸風(fēng)口測量點風(fēng)速

3.2 掘進(jìn)機(jī)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速測量

在掘進(jìn)除塵系統(tǒng)中，選取15 個風(fēng)速測量點進(jìn)行測量。結(jié)合表1 的測量點風(fēng)速，整套掘進(jìn)除塵系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速相對均勻，基本滿足設(shè)計初期的設(shè)計要求。

3.3 掘進(jìn)工作面粉塵濃度測量

風(fēng)速測量的試驗完成之后，將除塵風(fēng)機(jī)和供風(fēng)風(fēng)機(jī)關(guān)閉，同時對整套除塵系統(tǒng)的各個部件進(jìn)行檢查和恢復(fù)，待一切準(zhǔn)備完成后同時安排掘進(jìn)機(jī)司機(jī)進(jìn)入駕駛位置開始模擬，此時粉塵測試人員進(jìn)入測試區(qū)域開始進(jìn)行粉塵濃度測試。按照預(yù)先的設(shè)定區(qū)域分別到除塵器吸風(fēng)口、掘進(jìn)機(jī)后方、附壁風(fēng)筒的出風(fēng)口處、掘進(jìn)機(jī)吸風(fēng)口處和除塵器排風(fēng)口處。

由表2 可見，除塵器測點的濃度較大，證明產(chǎn)生的粉塵被全部吸入除塵器中，而掘進(jìn)機(jī)后方的測試點粉塵濃度相對較低，證明除塵器將截割產(chǎn)生的粉塵全部吸入至除塵器中，降低了巷道中的粉塵濃度，基本滿足粉塵的控制要求。同時通過布置在掘進(jìn)機(jī)左側(cè)和除塵出風(fēng)口的測試結(jié)果分析，證明掘進(jìn)機(jī)的機(jī)載除塵器能夠很好地將粉塵進(jìn)行過濾，基本滿足掘進(jìn)巷道的掘進(jìn)需求，實現(xiàn)掘進(jìn)工作面的粉塵處理。

表2 掘進(jìn)巷道內(nèi)測量點粉塵濃度 mg/m3

4 機(jī)載除塵系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

通過計算可知除塵器風(fēng)量損失較大，需對除塵器進(jìn)行流體分析進(jìn)行優(yōu)化。對機(jī)載除塵系統(tǒng)進(jìn)行分析時，由于氣流的不穩(wěn)定性，分析時需借用流體分析軟件對風(fēng)流進(jìn)行分析，建立模擬氣流分析模型，同時對模型進(jìn)行簡化。流速云圖如圖1 所示。

由圖1 可見，在除塵器吸風(fēng)口的流速存在較大差異，而且在此區(qū)域形成渦流現(xiàn)象，整個除塵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎處流場相對較復(fù)雜，此處的流速也相對較高，因此在實際設(shè)計過程中在此處增加導(dǎo)流夾板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，避免形成渦流現(xiàn)象。

圖1 流速云圖

5 結(jié)論

掘進(jìn)機(jī)首次將除塵系統(tǒng)集成于掘進(jìn)機(jī)上，為了研究除塵系統(tǒng)的各項參數(shù)，在模擬巷道中對各個除塵系統(tǒng)進(jìn)行分析測試。同時對掘進(jìn)工作面在截割過程中的粉塵進(jìn)行分析研究，驗證其計算結(jié)果并總結(jié)粉塵損失原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。