白晉棟

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

在目前的生產(chǎn)條件下，工作面生產(chǎn)過程中普遍存在粉塵污染嚴(yán)重的問題，而粉塵是影響礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。目前，我國常用的工作面降塵措施包含：煤層注水、噴霧降塵、除塵器降塵及風(fēng)筒降塵等[1-2]。這幾種除塵措施中最為常見的是掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧與除塵器相結(jié)合的除塵方式。但現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，利用噴霧降塵的方法進(jìn)行除塵工作時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)噴頭阻塞的情況，從而影響除塵器的工作效率，導(dǎo)致工作面的除塵效果差。因此，除塵器的除塵能力直接影響了工作面的降塵效果。目前，關(guān)于工作面除塵器的選擇大多只參考除塵器的額定風(fēng)量，對(duì)于配套使用的管路阻力及管道風(fēng)量大小問題沒有進(jìn)行過多的考慮，導(dǎo)致了工作面除塵器的抽風(fēng)量與實(shí)際生產(chǎn)過程中的供風(fēng)量不平衡，致使粉塵治理效果較差。

1 除塵器現(xiàn)場使用情況

此掘進(jìn)工作面的通風(fēng)除塵方式為長壓短抽式，工作面的除塵器由工作面污風(fēng)替換為風(fēng)筒傳入的新鮮風(fēng)流，凈化后的風(fēng)流沿著巷道延伸方向排出。除塵器安裝在工作面對(duì)應(yīng)的軌道上，風(fēng)筒與工作面間通過除塵器相連接，使得整個(gè)除塵系統(tǒng)隨工作面的推進(jìn)而整體移動(dòng)。具有操作簡單、維護(hù)量少等特點(diǎn)。其在工作面的布置方式如圖1所示。

由于工作面選擇的通風(fēng)方式為長壓短抽式，因此，整個(gè)系統(tǒng)工作過程中的壓入風(fēng)量應(yīng)當(dāng)?shù)陀诔龎m器的抽出風(fēng)量。此掘進(jìn)工作面的實(shí)測風(fēng)量為560 m3/min，現(xiàn)場選用的除塵器為濕式除塵器，具體型號(hào)為KCS－550D－Ⅰ型。但在現(xiàn)場實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，這一型號(hào)除塵器的實(shí)際抽風(fēng)量僅能達(dá)到370 m3/min，并不能滿足除塵的風(fēng)量要求。由此可見，除塵器本身的風(fēng)量較低會(huì)影響整個(gè)通風(fēng)除塵系統(tǒng)的工作效率。

圖1 除塵器現(xiàn)場布置圖

2 通風(fēng)除塵系統(tǒng)阻力分析

通過對(duì)整個(gè)除塵系統(tǒng)分析可知，系統(tǒng)中的通風(fēng)阻力主要來自于三個(gè)方面：

1）吸塵罩區(qū)域內(nèi)的壓力損失。實(shí)測結(jié)果表明，吸塵罩處壓力損失約為200 Pa，但現(xiàn)場安裝過程中吸塵罩的位置較難改變，導(dǎo)致該處的壓力損失較難降低。

2）風(fēng)筒內(nèi)的摩擦力損失。具體計(jì)算方式如式（1）所示[3]：

式中：λ為摩擦阻力系數(shù)；L為風(fēng)道長度，m；ρ為空氣密度；v為空氣流速，m/s；d為風(fēng)道直徑，m；Δpm為摩擦壓力損失，Pa?，F(xiàn)場條件下所選用的風(fēng)筒直徑為7 m，除塵器與工作面的距離約為25 m，根據(jù)規(guī)定數(shù)據(jù)得知試驗(yàn)選取的管道中的摩擦系數(shù)為0.03～0.08左右，計(jì)算值取0.05，計(jì)算得到風(fēng)筒內(nèi)的摩擦力損失為408 Pa。風(fēng)筒內(nèi)的摩擦壓力損失主要受到風(fēng)筒的材質(zhì)、直徑及長度的影響，由于需要考慮整個(gè)除塵系統(tǒng)的配套，只能改變風(fēng)筒的材質(zhì)，即改變摩擦阻力系數(shù)，但考慮到整個(gè)風(fēng)筒的長度較長，進(jìn)行全部更換所需的成本較高。

3）拐點(diǎn)及變徑口處的壓力損失。具體計(jì)算方式如式（2）所示[4]：

式中：h1為壓力損失，Pa；ε為局部阻力系數(shù)；ρ為空氣密度；Q為管道風(fēng)量，m3/min；S為管道斷面積，m2。風(fēng)筒拐點(diǎn)處的壓力損失主要受拐角角度及變徑尺寸的影響，其中，拐點(diǎn)處的壓力損失為88.5 Pa，變徑處的壓力損失為41.3 Pa，計(jì)算過程中拐點(diǎn)處的局部阻力系數(shù)為0.125，變徑處局部阻力系數(shù)為0.118。在現(xiàn)場生產(chǎn)條件下，風(fēng)筒拐點(diǎn)形狀及尺寸較難改變，因此較難降低該處的壓力損失。

綜上，整個(gè)通風(fēng)除塵系統(tǒng)中風(fēng)筒阻力為738 Pa，但現(xiàn)場環(huán)境條件較難改變，因此各部分的阻力較難改變。

3 除塵器性能測試

為較為直觀的研究除塵器風(fēng)量與系統(tǒng)外加阻力間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)除塵器的風(fēng)量、外加阻力和功率進(jìn)行了測量及計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，風(fēng)量與外加阻力之間的關(guān)系如圖2所示。

表1 除塵器性能測試結(jié)果

圖2 性能曲線

通過分析測量得到的數(shù)據(jù)可知，隨通風(fēng)系統(tǒng)阻力的增加，整個(gè)曲線的變化可以劃分為正常工作區(qū)、喘振區(qū)及小風(fēng)量運(yùn)行區(qū)三個(gè)區(qū)域。其中，喘振區(qū)內(nèi)的除塵器工作情況最不穩(wěn)定，此區(qū)域內(nèi)風(fēng)量隨阻力的變化情況最為顯著，但小風(fēng)量區(qū)域內(nèi)二者的相關(guān)性并不明顯，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)盡量避免出現(xiàn)這兩種情況。而試驗(yàn)工作面的整體阻力值為738 Pa，屬于喘振區(qū)的范圍內(nèi)，現(xiàn)場實(shí)測的風(fēng)量也與曲線中的風(fēng)量相吻合。

為有效提高工作面的降塵效率，需要有效控制工作面的通風(fēng)阻力。通過計(jì)算可知，除塵系統(tǒng)中風(fēng)筒、風(fēng)罩及拐點(diǎn)處的壓力損失都較難降低，因此，降低通風(fēng)阻力的根本措施為從除塵器本身結(jié)構(gòu)方面考慮如何降低內(nèi)阻。

4 除塵器降阻方案研究與應(yīng)用

4.1 內(nèi)阻降低方法研究

根據(jù)大量的現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，除塵器前端的噴霧架及后端的過濾網(wǎng)會(huì)對(duì)除塵器的內(nèi)阻產(chǎn)生很大程度的影響，因此改進(jìn)主要從這兩個(gè)部分著手。

前噴霧的主要作用是保證水霧與粉塵有較大接觸面積，原來的降塵系統(tǒng)采用螺旋狀噴頭，這種噴頭不僅噴霧空間不合理，同時(shí)耗水量也相對(duì)較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明G型噴嘴相對(duì)于原有的螺旋噴嘴能夠使水霧分散的效果更好，有效增加水霧與粉塵的接觸面積，在降低內(nèi)阻的前提下提高了降塵效率，改進(jìn)后除塵器的內(nèi)阻降低了95 Pa，噴霧流量降低了21 L/m3，但整體的除塵效率并未降低。

除塵器后端的過濾網(wǎng)會(huì)對(duì)整個(gè)除塵器的除塵效果產(chǎn)生影響，原有除塵器后端的濾網(wǎng)共設(shè)置有4層，為有效降低工作阻力，分別研究了3層及2層條件下的內(nèi)阻及工作效率。其中，3層過濾網(wǎng)相對(duì)于4層網(wǎng)來說，整個(gè)系統(tǒng)工作阻力降低110 Pa，降塵效率降低0.5%；2層濾網(wǎng)相對(duì)于4層濾網(wǎng)工作阻力降低400 Pa，但除塵效率降低3%。3層過濾網(wǎng)在降低工作阻力的同時(shí)除塵效率變化較小，因此，將原有的4層改為3層。

改進(jìn)之后的除塵器，內(nèi)阻降低了205 Pa，由原來的喘振區(qū)過渡至正常工作區(qū)，根據(jù)理論計(jì)算，將除塵器改進(jìn)后系統(tǒng)風(fēng)量可達(dá)508 m3/min，能夠滿足此掘進(jìn)工作面的降塵需求。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

為驗(yàn)證除塵器經(jīng)改進(jìn)后的除塵效果，將改進(jìn)后的除塵器在選定工作面進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，并對(duì)現(xiàn)場的風(fēng)量及粉塵濃度進(jìn)行了實(shí)測。結(jié)果表明，改進(jìn)后的除塵器風(fēng)量提高至500 m3/min，能夠有效滿足工作面的通風(fēng)除塵要求。各工作區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度測試結(jié)果如下頁表2所示?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果顯示，改進(jìn)后除塵器抽風(fēng)量增加120 m3/min，工作面降塵效率提高11.9%，呼吸性粉塵降塵率增加15.6%，降塵效果顯著。

5 結(jié)語

基于某礦掘進(jìn)工作面的降塵現(xiàn)狀，結(jié)合理論分析與實(shí)際應(yīng)用，從除塵器本身入手，提出了適合工作面生產(chǎn)情況的降阻方案，改變了除塵器的噴霧架及濾網(wǎng)。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測，改進(jìn)后除塵器內(nèi)阻降低205 Pa，同時(shí)整個(gè)風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)量增加了120 m3/min，總粉塵去除率達(dá)到93.8%，其中呼吸性粉塵去除率可達(dá)86.5%，可見改進(jìn)后的除塵器降塵效果顯著。

表2 現(xiàn)場粉塵濃度檢測結(jié)果