陳曉坡，渾寶炬，劉建莊

(河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山 063009)

0 引言

粉塵是煤礦五大災(zāi)害之一，在我國歷史上曾發(fā)生多起煤塵爆炸事故，造成了重大人員傷亡及財產(chǎn)損失。煤塵還可以誘發(fā)礦工多種職業(yè)病，嚴(yán)重影響著礦井井下工人的身體健康。在煤礦的生產(chǎn)中，無論是礦井的安全生產(chǎn)還是工人的職業(yè)健康都受到了粉塵的嚴(yán)重威脅，高濃度的粉塵是煤礦的重大安全隱患［1-3］，因此煤礦企業(yè)應(yīng)對粉塵的危害給予足夠的重視并加大對粉塵的防治工作。隨著機(jī)械化水平的不斷提高，礦井粉塵的產(chǎn)生量越來越大，其中掘進(jìn)工作面是煤礦產(chǎn)塵量最多的塵源之一［3-6］，目前開灤集團(tuán)趙各莊礦煤層普遍較硬，采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)割煤產(chǎn)生的粉塵濃度較大，而防塵除塵設(shè)備安裝使用不到位使得粉塵濃度超過國家安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過大量的實驗研究趙各莊礦在掘進(jìn)工作面上使用了除塵效果比較好的自激式水膜除塵器，經(jīng)過除塵器的綜合測評，除塵器的總除塵率達(dá)到了96%以上，因此該除塵器適合于趙各莊礦掘進(jìn)工作面除塵，為礦山的安全生產(chǎn)提供了保障。

1 工程背景

開灤集團(tuán)趙各莊是國有大型煤礦之一，整個井田位于一個大的盆狀向斜構(gòu)造內(nèi)，總體呈現(xiàn)為一個不規(guī)則的橢圓形。井田東西長7 km，南北寬3.5 km，面積22 km2。近年來，由于礦井改擴(kuò)建，各種大功率設(shè)備相繼投入使用，掘進(jìn)工作面配風(fēng)量大幅提高，使得掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵強(qiáng)度逐漸增大。雖然工作面采用了噴霧降塵、煤層淺孔注水、攔巷噴霧等除塵措施，但降塵效果較差，掘進(jìn)工作面粉塵濃度最高時達(dá)650 mg/m3以上，作業(yè)場所空氣污染嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，2010年以來，職工年體檢查出的矽肺病較2008年以前每年增加0.3個百分點。為此，該礦的粉塵防治已經(jīng)達(dá)到了刻不容緩的地步了。

1224掘進(jìn)工作面位于二水平軸東采區(qū)，為12煤層掘進(jìn)工作面，煤層結(jié)構(gòu)單一，中間含有少量灰～灰白色黃鐵礦結(jié)核，煤層地板穩(wěn)定性較差，受底鼓及斷層影響，煤層及產(chǎn)狀變化較大。煤層厚度1.50～2.20 m，平均厚度1.84 m;煤層傾角為7～15°，平均為11°。工作面地質(zhì)條件比較復(fù)雜，斷層構(gòu)造極為發(fā)育，且斷層集中分布于風(fēng)道一側(cè)，斷層走向多呈北西方向，主要為正斷層。受斷層切割、牽引作用，斷層帶附近煤層頂板穩(wěn)定性差，煤層厚度及產(chǎn)狀變化很大。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示，該工作面煤層的CH4絕對涌出量為0.26 m3/min，CO2絕對涌出量為0.41 m3/min，煤塵爆炸指數(shù)為43.19%，煤層自然發(fā)火期為8～15個月。掘進(jìn)巷道的斷面為矩形，面積為4000×3000 mm，斷面布置如圖1所示。巷道支護(hù)形式為:4000×3000 mm的錨網(wǎng)支護(hù);掘進(jìn)方式為采用掘進(jìn)機(jī)落煤，沿頂板施工，皮帶運煤，錨網(wǎng)支護(hù)。采用“三、八”制作業(yè)方式，兩班掘進(jìn)，一班準(zhǔn)備，日進(jìn)尺12.8 m。

表1 1224掘進(jìn)工作面煤層頂?shù)装迩闆r

圖1 巷道斷面示意圖

2 自激式水浴水膜除塵器

自激式水浴水膜除塵器屬于濕式除塵器中的一種，它充分地利用了流體力學(xué)中的知識，結(jié)合巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過節(jié)流引導(dǎo)高速氣流沖擊液面，可產(chǎn)生具有良好運動軌跡的水幕，這個水幕可以把含塵氣流中的粉塵顆粒捕獲，被捕獲的粉塵顆粒由于重力增加而沉降，從而獲得良好的除塵效果。除塵器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由上下導(dǎo)流葉片、脫水器、水箱、外殼、軸流風(fēng)機(jī)、排漿閥和注水孔等組成。

圖2 除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

含塵氣體由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入除塵器，遇到除塵器轉(zhuǎn)彎向下的導(dǎo)流葉片沖擊水面，此時較大的粉塵顆粒由于自身的慣性作用落入除塵器的水箱中，而比較小的粉塵顆粒隨氣流以較高速度通過除塵器的上導(dǎo)流葉片間的彎曲通道時，與激起的大量水滴充分碰撞而被捕獲沉降。此后，含有粉塵和水的氣流在轉(zhuǎn)動中由于離心力的作用，在除塵器的內(nèi)壁上形成水膜，該水膜具有一定的厚度，能將粉塵顆粒捕捉。由脫水機(jī)清除掉氣流中的水分以后，把除塵器中的氣體排出，除塵器的除塵機(jī)理主要是氣流中的粉塵顆粒與除塵器中的水或者是霧化以后的水液滴之間的慣性碰撞，并經(jīng)水膜的截留等作用來除去氣流中的粉塵顆粒的，總的來說就是水浴、水滴和經(jīng)離心力產(chǎn)生水膜三個主要的除塵步驟。被捕獲落入水箱里的粉塵，沉積到水箱的底部，達(dá)到一定的量之后定期排除，并及時清洗水箱，補(bǔ)充更換新水。

3 通風(fēng)除塵系統(tǒng)的設(shè)計

高效的除塵器，雖然有很高的除塵效率，但如果機(jī)掘工作面產(chǎn)生的粉塵絕大多數(shù)不能進(jìn)入除塵器中凈化處理，機(jī)掘工作面高濃度的粉塵仍然不能有效地去除。因此選擇合理的配套工藝，充分發(fā)揮通風(fēng)排塵、控塵和高效抽塵凈化的作用，使之與機(jī)掘工作面的生產(chǎn)技術(shù)條件、特別是與采用的掘進(jìn)機(jī)相適應(yīng)，形成一套完整的通風(fēng)除塵系統(tǒng)，是實現(xiàn)高效降低機(jī)掘工作面粉塵濃度的關(guān)鍵所在。根據(jù)林南倉礦的實際情況采用長壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)，該通風(fēng)除塵系統(tǒng)不論是管理和維護(hù)起來都比較簡單，而且這種通風(fēng)還能有效地排除瓦斯的集聚和滯留，能很好地實現(xiàn)粉塵的就地凈化，從而避免在風(fēng)筒中留有積水和粉塵沉積。該通風(fēng)系統(tǒng)中工作面風(fēng)量由壓入式通風(fēng)機(jī)供給，要通過合理的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量，保證進(jìn)入除塵器的風(fēng)量大于進(jìn)入工作面的實際風(fēng)量，目的是使工作面風(fēng)流中含有高濃度的粉塵的氣體盡最大量地進(jìn)入除塵器進(jìn)行清除，除塵后凈化的風(fēng)流由配套的風(fēng)機(jī)排進(jìn)巷道中。

根據(jù)理論分析和實踐經(jīng)驗，壓入式通風(fēng)風(fēng)筒出風(fēng)口到機(jī)掘工作面的距離L壓可用式公(1)計算:

式中:S——掘進(jìn)巷道的斷面積，m2。

由于本掘進(jìn)巷道的斷面積為12 m2，則L壓≤17.0 m，故掘進(jìn)過程中壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口距工作面的距離應(yīng)小于17 m。

一般除塵器吸塵口距機(jī)掘工作面的距離L吸可用式(2)計算，即

由于S=12 m2，則L吸≤5.2 m，故在安裝除塵器吸風(fēng)筒時，吸風(fēng)口距工作面的距離應(yīng)小于5 m，并超前掘進(jìn)司機(jī)處。

除塵器排放口與供風(fēng)風(fēng)筒的控塵裝置前端出風(fēng)口的重疊段距離L排可按公式(3)計算，即

具體到本巷道S=12 m2，L排≤6.9 m，故除塵器排放口與供風(fēng)風(fēng)筒的控塵裝置前端出風(fēng)口的重疊段距離應(yīng)小于7 m。

本通風(fēng)除塵系統(tǒng)允許工作面有部分風(fēng)流循環(huán)(循環(huán)風(fēng)量率取15%)，這樣可使工作面的含塵空氣得到充分凈化。除塵器和風(fēng)機(jī)安裝在橋式皮帶兩側(cè)，風(fēng)機(jī)選用2.2 KW的軸流式風(fēng)機(jī)。在掘進(jìn)機(jī)兩側(cè)懸掛吸風(fēng)筒(吸風(fēng)筒斷面為500×200 mm，用2 mm鋼板加工而成)，吸塵罩安裝在掘進(jìn)機(jī)兩側(cè)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)分別形成兩個獨立的除塵系統(tǒng)，互不干擾，基本不影響掘進(jìn)工人工作。風(fēng)機(jī)選用煤科總院重慶分院研制的對旋流風(fēng)機(jī)，型號為FDC-1No5/11，風(fēng)量為140～200 m3/min，風(fēng)壓為400～2600 Pa，電機(jī)功率為5.5×2 KW。

4 應(yīng)用結(jié)果分析

按照專業(yè)測定粉塵濃度的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)測定，每組數(shù)據(jù)都經(jīng)過多次測定后取平均值。綜合統(tǒng)計多次測定后安裝與不安裝除塵系統(tǒng)時粉塵濃度的比較如圖3所示。從圖中可以看出安裝除塵器后各個測點的粉塵濃度都比沒有安裝除塵器有大幅度的降低。粉塵濃度沿巷道的分布規(guī)律是隨離工作面距離的增大而大大減少，掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)載處的粉塵濃度都在1 mg/m3～6 mg/m3之間，說明安裝除塵系統(tǒng)后掘進(jìn)巷道中的粉塵濃度大大降低，掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境得到大大改善。經(jīng)測試除塵系統(tǒng)裝置于出口處后，巷道中粉塵的降塵效率達(dá)92%以上，掘進(jìn)巷道中的粉塵濃度低于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)［7］(煤巷為10 mg/m3)。而除塵器本身的除塵效率可達(dá)96%以上，呼吸性粉塵的除塵效率也可達(dá)94%以上。

圖3 安裝與不安裝除塵系統(tǒng)時粉塵濃度的比較

5 結(jié)論

1)掘進(jìn)工作面使用自激式水浴水膜除塵器后，能有效地降低掘進(jìn)工作面的粉塵濃度，特別是呼吸性粉塵的濃度得到了很大的降低。

2)長壓短軸通風(fēng)除塵系統(tǒng)能非常有效地控制掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的粉塵，并能把含塵空氣吸入安置好的除塵器中去加以凈化，有效地控制了粉塵向巷道外擴(kuò)散，明顯地提高了掘進(jìn)工作面的除塵效率。

3)采用自激式水浴水膜除塵器與長壓短軸除塵通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合的方式，能有效地降低趙各莊礦掘進(jìn)工作面的粉塵濃度，對于保護(hù)作業(yè)人員的身體健康和保障礦井的安全生產(chǎn)具有十分顯著的作用。

［1］何海清.掘進(jìn)工作面粉塵防治新技術(shù)［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2008.12:30-33.

［2］常建兵，劉濤，胥奎等.綜掘工作面粉塵防治技術(shù)研究［J］.煤炭工程，2007(3):53-55.

［3］吳應(yīng)豪.巷道粉塵沉降規(guī)律與轉(zhuǎn)載點噴霧降塵系統(tǒng)研究［D］.太原:太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2007.

［4］渾寶炬，郭立穩(wěn).礦井粉塵檢測與防治技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［5］訾美幸.煤礦井下礦塵防治［J］.山東煤炭科技.2010.

［6］毛榮軍.掘進(jìn)工作面防突打鉆降塵技術(shù)的研究及應(yīng)用［D］.北京:北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2009.

［7］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督局.煤礦粉塵監(jiān)督與檢測手冊［M］.2009.