高河煤礦掘進(jìn)工作面干式除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韓 路

(山西高河能源有限公司,山西 長(zhǎng)治 047100)

粉塵危害是礦井五大危害之一,煤礦粉塵不僅會(huì)阻擋視線、加速機(jī)器磨損、引發(fā)粉塵爆炸,還是導(dǎo)致煤礦工人患上塵肺病的元兇[1-3]。據(jù)調(diào)查,我國(guó)50%的塵肺病患者來(lái)自煤礦,其中掘進(jìn)工作面更是塵肺病高發(fā)區(qū)域,已成為煤礦粉塵治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)[4-6]。

為降低掘進(jìn)工作面粉塵質(zhì)量濃度,改善掘進(jìn)工人作業(yè)環(huán)境,目前常用的治理措施有掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧、全斷面凈化水幕以及通風(fēng)除塵等,這些技術(shù)措施在掘進(jìn)工作面粉塵防治中發(fā)揮了重要作用,但同時(shí)存在諸多不足之處[7-9]。掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧產(chǎn)生的水霧能夠?qū)Ψ蹓m起到潤(rùn)濕作用,加速空氣中粉塵的沉降,但是掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)塵量大,粉塵蔓延速度快,導(dǎo)致水霧降塵效果不佳,且常出現(xiàn)噴頭堵塞情況;全斷面凈化水幕能夠捕捉空氣中飄揚(yáng)的粉塵,阻斷粉塵擴(kuò)散,但在使用過(guò)程中存在耗水量大,易產(chǎn)生巷道積水,影響掘進(jìn)工作的正常進(jìn)行等問(wèn)題;通風(fēng)除塵利用新鮮風(fēng)流稀釋掘進(jìn)工作面的粉塵,按通風(fēng)方式不同可分為壓入式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)和混合式通風(fēng),在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中,壓入式通風(fēng)容易導(dǎo)致粉塵逸散,污染整條巷道;抽出式通風(fēng)由于作用范圍有限可能導(dǎo)致瓦斯積聚,且抽出式通風(fēng)在長(zhǎng)距離通風(fēng)條件下存在抽風(fēng)量不足的現(xiàn)象;混合式通風(fēng)常因壓入風(fēng)量和抽出風(fēng)量不匹配導(dǎo)致除塵效果不理想[10-13]。

本文針對(duì)掘進(jìn)工作面粉塵治理過(guò)程中存在的問(wèn)題,結(jié)合高河能源有限公司w3306高抽巷的現(xiàn)場(chǎng)情況,設(shè)計(jì)出一套掘進(jìn)工作面干式過(guò)濾除塵系統(tǒng),并在w3306高抽巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 現(xiàn)場(chǎng)基本概況

高河能源有限公司w3306高抽巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 565.3 m,隨煤層傾伏變化巷道的坡度變化較大,角度最大為13°,掘進(jìn)工作面最小需風(fēng)量為576 m3/min.w3306高抽巷掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)塵量大,工作面粉塵質(zhì)量濃度高,呼吸性粉塵占比大,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量,掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置處平均總塵質(zhì)量濃度高達(dá)1 869.67 mg/m3,同位置平均呼吸性粉塵質(zhì)量濃度可達(dá)525.50 mg/m3,嚴(yán)重危害了掘進(jìn)面工人的身體健康。該巷道掘進(jìn)工作面的主要降塵手段為掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧、全斷面凈化水幕以及防塵網(wǎng),但掘進(jìn)時(shí),粉塵擴(kuò)散速度快,難以被捕捉,致使現(xiàn)有降塵手段效果不佳,且使用凈化水幕后巷道內(nèi)容易積水,造成掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)困難。

2 除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝

2.1 除塵系統(tǒng)組成與主要技術(shù)參數(shù)

針對(duì)w3306高抽巷掘進(jìn)工作面現(xiàn)有粉塵治理問(wèn)題,研發(fā)了一套便捷移動(dòng)礦用干式過(guò)濾除塵系統(tǒng),該除塵系統(tǒng)由控風(fēng)風(fēng)筒、抽風(fēng)風(fēng)筒、干式過(guò)濾除塵器、抽出式風(fēng)機(jī)以及單軌吊組成,其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 干式過(guò)濾除塵系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

除塵系統(tǒng)控風(fēng)風(fēng)筒為一段側(cè)壁設(shè)有若干條狹縫的特制風(fēng)筒,該風(fēng)筒安裝在壓風(fēng)風(fēng)筒上,用于調(diào)節(jié)進(jìn)入掘進(jìn)工作面迎頭的風(fēng)量和從控風(fēng)風(fēng)筒狹縫射出的風(fēng)量。抽風(fēng)風(fēng)筒為柔性骨架風(fēng)筒,其進(jìn)氣端連接吸塵罩,出氣端與除塵器相連。除塵器選擇KCG-500D型礦用干式除塵器,搭配FBCDNo.7.5/2×37型抽出式風(fēng)機(jī)使用。KCG-500D型礦用干式除塵器主要由褶式濾筒、脈沖清灰裝置和密閉卸灰裝置組成。為了使除塵系統(tǒng)能夠跟隨掘進(jìn)工作面的推進(jìn)快速移動(dòng),通過(guò)單軌吊將抽風(fēng)風(fēng)筒、除塵器和抽出式風(fēng)機(jī)懸掛在巷道頂板下方。

2.2 除塵系統(tǒng)工作原理及流程

除塵系統(tǒng)工作時(shí),含塵氣流在抽出式風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)抽風(fēng)風(fēng)筒進(jìn)入除塵器內(nèi),進(jìn)入除塵器內(nèi)部的含塵氣流經(jīng)濾筒過(guò)濾后轉(zhuǎn)化為潔凈氣流,最后經(jīng)過(guò)抽出式風(fēng)機(jī)流向巷道后方。由于掘進(jìn)工作面最小需風(fēng)量為576 m3/min,而除塵系統(tǒng)的處理風(fēng)量為500 m3/min,小于工作面的最小需風(fēng)量,故在不采取任何措施的情況下,超出處理風(fēng)量的部分氣流會(huì)攜帶大量粉塵向巷道后方擴(kuò)散。為防止溢出的含塵氣流污染巷道后方環(huán)境,該除塵系統(tǒng)使用控風(fēng)風(fēng)筒對(duì)風(fēng)流進(jìn)行調(diào)節(jié),通過(guò)在壓風(fēng)風(fēng)筒上安裝控風(fēng)風(fēng)筒,將本應(yīng)進(jìn)入掘進(jìn)工作面迎頭的部分風(fēng)流提前經(jīng)控風(fēng)風(fēng)筒狹縫射出,以此降低迎頭的進(jìn)風(fēng)量,使得迎頭的進(jìn)風(fēng)量與除塵系統(tǒng)的處理風(fēng)量相匹配,避免因迎頭進(jìn)風(fēng)量過(guò)大致使粉塵被吹向巷道后方,并且經(jīng)狹縫射出的風(fēng)流會(huì)形成平行于巷道截面的風(fēng)幕,由控風(fēng)風(fēng)筒形成的風(fēng)幕能對(duì)粉塵起到攔截作用,進(jìn)一步防止了粉塵向巷道后方擴(kuò)散。

2.3 除塵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝布置

除塵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置方式如圖1所示,除塵系統(tǒng)主體通過(guò)單軌吊懸掛于巷道頂板下方,能夠隨掘進(jìn)工作面的推進(jìn)向前移動(dòng),為防止除塵系統(tǒng)妨礙掘進(jìn)機(jī)正常工作,單軌吊軌道安裝在巷道中線偏北600 mm位置,保持軌底與巷道底板不小于2 400 mm.

圖1 除塵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

通過(guò)掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵狀況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析,發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置粉塵污染嚴(yán)重,當(dāng)將吸塵罩的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在司機(jī)位置后方時(shí),掘進(jìn)產(chǎn)生的大量粉塵在進(jìn)入吸塵罩前擴(kuò)散至司機(jī)位置,威脅司機(jī)職業(yè)健康。為此,將吸塵罩設(shè)置在司機(jī)位置前方,保持吸塵罩與迎頭之間的距離在3 m左右。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,該布置方式能夠有效降低司機(jī)位置的粉塵質(zhì)量濃度,大部分粉塵在運(yùn)移至司機(jī)位置前便被吸入吸塵罩內(nèi),保持司機(jī)位置及其后方空氣清新。

為提升除塵風(fēng)機(jī)抽塵能力,防止掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵擴(kuò)散至巷道后方,還需要控制好進(jìn)入掘進(jìn)工作面迎頭的風(fēng)量,在不產(chǎn)生瓦斯積聚的前提下降低迎頭進(jìn)風(fēng)量,綜合采取以下兩種措施:①將壓風(fēng)風(fēng)筒出風(fēng)口與掘進(jìn)面迎頭之間的距離控制在20 m左右;②在除塵器入口附近的壓風(fēng)風(fēng)筒上安裝控風(fēng)風(fēng)筒。采取上述措施后掘進(jìn)工作面的氣流分布如圖2所示,壓風(fēng)風(fēng)筒中部分氣流從控風(fēng)風(fēng)筒的狹縫中射出,在巷道截面上形成隔塵氣幕,之后形成向巷道前方和后方運(yùn)移的兩部分氣流,剩余部分氣流經(jīng)壓風(fēng)風(fēng)筒出口流向掘進(jìn)工作面迎頭。在壓差的作用下,大部分從控風(fēng)風(fēng)筒狹縫中射出的氣流繼續(xù)流向工作面迎頭,只有少量氣流直接流向巷道后方,因此掘進(jìn)工作面迎頭依然能夠流入足量的新鮮風(fēng)流,不會(huì)出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象。

圖2 掘進(jìn)工作面風(fēng)流示意

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 測(cè)試內(nèi)容及方案

為了檢驗(yàn)礦用干式過(guò)濾除塵系統(tǒng)的除塵效果,分別測(cè)試除塵風(fēng)機(jī)開(kāi)啟前后的粉塵質(zhì)量濃度,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分別在司機(jī)位置(位于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)旁)和二運(yùn)機(jī)尾位置(距離迎頭30 m處)布置測(cè)點(diǎn),測(cè)試高度為人呼吸帶位置(1.5 m),采用稱重法測(cè)試,每次測(cè)試時(shí)間3 min,測(cè)試流量20 L/min,測(cè)試儀器選用如圖3所示的礦用CCZ-20A型粉塵采樣器。

圖3 礦用CCZ-20A型粉塵采樣器

由于除塵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中降低了掘進(jìn)工作面迎頭風(fēng)量,為確保掘進(jìn)工作面有充足的新鮮風(fēng)流,避免出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象,需要在除塵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)迎頭甲烷體積分?jǐn)?shù),甲烷濃度傳感器安裝在距迎頭2～3 m處的巷道頂板上,使用采集的甲烷體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)驗(yàn)證除塵系統(tǒng)是否影響掘進(jìn)工作面通風(fēng)安全。

3.2 測(cè)試步驟

采樣前處理:對(duì)采樣用的濾膜進(jìn)行檢查,選取結(jié)構(gòu)完整的濾膜置于干燥箱中2 h,用萬(wàn)分之一天平對(duì)干燥后的濾膜進(jìn)行稱重,稱重結(jié)果記作m0;粉塵采樣:設(shè)置采樣時(shí)長(zhǎng)t=3 min,將總塵采樣頭安裝在采樣器上并裝上濾膜,調(diào)節(jié)測(cè)試流量Q=20 L/min,調(diào)節(jié)好測(cè)試流量后將濾膜更換為經(jīng)過(guò)干燥處理的濾膜,接著將采樣器置于測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采樣,采樣結(jié)束后將濾膜從采樣頭中取出,將濾膜受粉面朝內(nèi)折疊好后裝入試樣袋中保存,總塵采樣結(jié)束后將總塵采樣頭更換為呼塵采樣頭,按上述步驟對(duì)呼塵進(jìn)行采樣。采樣順序按照先總塵后呼塵,先司機(jī)位置后二運(yùn)位置,先開(kāi)啟除塵系統(tǒng)后關(guān)閉除塵系統(tǒng)的順序進(jìn)行。

采樣后處理:將采樣后的濾膜置于干燥箱中干燥2 h,用萬(wàn)分之一天平稱量干燥后濾膜重量,稱重結(jié)果記作m1.

計(jì)算粉塵質(zhì)量濃度與降塵率:將采樣結(jié)果代入公式(1)計(jì)算出,除塵系統(tǒng)開(kāi)啟前后各測(cè)點(diǎn)的總塵和呼塵質(zhì)量濃度,將公式(1)的計(jì)算結(jié)果代入公式(2)計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的總塵和呼塵降塵率。

粉塵濃度計(jì)算公式如式(1)所示:

(1)

式中:C為粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3;m0為濾膜采樣前質(zhì)量,mg;m1為濾膜采樣后質(zhì)量,mg;Q為測(cè)試流量,L/min;t為測(cè)試時(shí)間,min.

降塵率計(jì)算公式如式(2)所示:

(2)

式中:η為降塵率;C0為除塵系統(tǒng)開(kāi)啟前粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3;C1為除塵系統(tǒng)開(kāi)啟后粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3.

3.3 測(cè)試結(jié)果與分析

除塵系統(tǒng)開(kāi)啟前后的各測(cè)點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度如表2所示。由表2測(cè)試數(shù)據(jù)可知,除塵系統(tǒng)開(kāi)啟前司機(jī)位置的平均總塵、呼塵質(zhì)量濃度分別為736.33 mg/m3和358.83 mg/m3,除塵系統(tǒng)開(kāi)啟后司機(jī)位置的平均總塵、呼塵質(zhì)量濃度分別為17.17 mg/m3和9.83 mg/m3,司機(jī)位置總塵、呼塵降塵率分別為97.67%和97.26%,除塵系統(tǒng)開(kāi)啟后掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處粉塵質(zhì)量濃度顯著降低,掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的大部分粉塵在運(yùn)移至司機(jī)位置前便被吸入抽風(fēng)風(fēng)筒內(nèi)。除塵系統(tǒng)開(kāi)啟后掘進(jìn)工作面迎頭環(huán)境如圖4所示,粉塵聚集在掘進(jìn)工作面迎頭與抽風(fēng)風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口之間,司機(jī)位置處幾乎沒(méi)有人眼可見(jiàn)的粉塵。

圖4 除塵系統(tǒng)開(kāi)啟后掘進(jìn)工作面迎頭環(huán)境

表2 除塵系統(tǒng)開(kāi)啟前后粉塵質(zhì)量濃度測(cè)試結(jié)果

除塵系統(tǒng)開(kāi)啟前二運(yùn)機(jī)尾位置的平均總塵、呼塵質(zhì)量濃度分別為562.67 mg/m3和275.17 mg/m3,除塵系統(tǒng)開(kāi)啟后二運(yùn)機(jī)尾位置的平均總塵、呼塵質(zhì)量濃度分別為11.00 mg/m3和6.67 mg/m3,二運(yùn)位置平均總塵、呼塵降塵率分別為98.05%和97.58%,除塵系統(tǒng)顯著降低了二運(yùn)位置粉塵質(zhì)量濃度,通過(guò)減少迎頭的進(jìn)風(fēng)量以及控風(fēng)風(fēng)筒所生成風(fēng)幕對(duì)粉塵的阻隔,有效防止了迎頭粉塵向后方蔓延擴(kuò)散。

掘進(jìn)工作面迎頭甲烷體積分?jǐn)?shù)如表3所示。由表3可知,掘進(jìn)工作面迎頭位置的甲烷體積分?jǐn)?shù)最大監(jiān)測(cè)值為0.28%,遠(yuǎn)低于報(bào)警值0.80%,表明除塵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),迎頭依然能夠流入足夠的新鮮風(fēng)流,并不影響掘進(jìn)工作面的通風(fēng)安全,與前文的分析一致。

表3 掘進(jìn)工作面甲烷體積分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 設(shè)計(jì)了基于掘進(jìn)工作面長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)方式的干式過(guò)濾除塵系統(tǒng),利用控風(fēng)風(fēng)筒對(duì)掘進(jìn)工作面風(fēng)量進(jìn)行了合理分配,通過(guò)單軌吊將除塵系統(tǒng)整體懸掛于巷道頂板下方,實(shí)現(xiàn)了除塵系統(tǒng)隨掘進(jìn)工作面推進(jìn)的便捷移動(dòng)。與傳統(tǒng)除塵方式相比,干式過(guò)濾除塵系統(tǒng)具有除塵效率高、不消耗水資源以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

2) 將抽風(fēng)風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口布置在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置前方,能夠有效降低司機(jī)處的粉塵質(zhì)量濃度,該位置的平均總塵、呼塵降塵率分別可達(dá)97.67%和97.26%,極大改善了掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置的工作環(huán)境。

3) 通過(guò)在壓風(fēng)風(fēng)筒上安裝控風(fēng)風(fēng)筒,降低了直接流向掘進(jìn)工作面迎頭的風(fēng)量,實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面迎頭風(fēng)量和控風(fēng)風(fēng)筒狹縫射出風(fēng)量的自主調(diào)節(jié),二運(yùn)機(jī)尾位置的總塵、呼塵降塵率分別可達(dá)98.05%和97.58%,有效阻止了掘進(jìn)粉塵污染巷道后方環(huán)境。