周福寶， 李世航， 楊永良

（中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

0 引 言

煤礦粉塵是礦井五大災(zāi)害之一，在煤炭生產(chǎn)過程中，絕大部分作業(yè)工序均可產(chǎn)生粉塵。近年來，隨著煤礦集約化生產(chǎn)強(qiáng)度和機(jī)械化程度的不斷提高，煤礦采掘工作面的粉塵產(chǎn)生量急劇上升［1-2］。調(diào)查顯示，中國大部分煤礦的采掘工作面現(xiàn)場粉塵濃度為200 ～400 mg／m3，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)1 ～2 g／m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家對(duì)煤礦粉塵的要求標(biāo)準(zhǔn)。呼吸性粉塵對(duì)工人健康有極大的危害，作業(yè)人員長期吸入呼吸性粉塵，可引起肺部病變，造成塵肺?。?］。衛(wèi)計(jì)委公布2018 年數(shù)據(jù)［4］顯示，截至2018 年底，我國累計(jì)上報(bào)職業(yè)病約97.5 萬例，其中職業(yè)性塵肺病87.3 萬例，約占上報(bào)職業(yè)病患者總數(shù)的90%。煤炭行業(yè)每年因塵肺病死亡病例已超過生產(chǎn)安全事故死亡人數(shù)的2 倍，造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)80億元。煤礦塵肺病的發(fā)病率極高，給煤礦工人及其家庭帶來了極大的痛苦。對(duì)于塵肺病，以目前的醫(yī)學(xué)水平只可以緩解，無法治愈，長時(shí)間患病會(huì)使患者喪失勞動(dòng)能力［5］。此外，粉塵局部聚集還容易導(dǎo)致粉塵爆炸事故的發(fā)生，在國有重點(diǎn)煤礦中，87.37%的煤礦粉塵具有爆炸危險(xiǎn)性，爆炸可致使大量人員傷亡，造成極其嚴(yán)重的社會(huì)影響。

目前煤礦掘進(jìn)工作面常用的降塵措施主要有噴霧降塵、濕式除塵器、通風(fēng)除塵、泡沫除塵等，但都存在一定的不足與缺陷。水噴霧和濕式除塵器雖然耗費(fèi)成本低，但僅能除去大顆粒的粉塵，對(duì)粒徑較小的呼吸性粉塵的處理效率比較低，且耗水量大，會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染［6-7］。通風(fēng)除塵只能將巷道內(nèi)的粉塵吹散，逸散粉塵隨風(fēng)流向巷道后方擴(kuò)散，會(huì)對(duì)整個(gè)巷道造成污染［8-9］。泡沫技術(shù)可以有效抑制呼吸性粉塵，但覆蓋在產(chǎn)塵源上的泡沫會(huì)遮擋工作人員的視線，發(fā)泡劑的高成本也嚴(yán)重限制了其大規(guī)模應(yīng)用［10-11］。傳統(tǒng)的除塵技術(shù)并不能有效地解決煤礦掘進(jìn)工作面的粉塵污染問題。

干式過濾除塵技術(shù)因其過濾效率高、零耗水、無二次污染等特點(diǎn)，近年來得到了較多的關(guān)注［12］。凈化風(fēng)量、相對(duì)濕度、粉塵的物化特性、清灰參數(shù)等因素均會(huì)影響干式過濾除塵技術(shù)的應(yīng)用效果，這些因素相互制約，形成了較為復(fù)雜的作用體系，相關(guān)技術(shù)人員特別是學(xué)生難以快速準(zhǔn)確的了解其作用機(jī)理。因此，有必要研發(fā)煤礦井下掘進(jìn)工作面干式過濾除塵實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，模擬煤礦掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵以及干式過濾除塵系統(tǒng)運(yùn)行，直觀展示各影響因素對(duì)干式過濾除塵技術(shù)應(yīng)用效果的影響，可有效提高畢業(yè)生及相關(guān)技術(shù)人員在后期工作中對(duì)煤礦井下掘進(jìn)工作面干式過濾除塵技術(shù)的了解程度，推動(dòng)掘進(jìn)工作面的粉塵防治工作。

1 礦用干式過濾除塵原理及影響因素

1.1 工作原理

圖1 除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

干式過濾除塵器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)與功能，除塵器內(nèi)部一般劃分為過濾室、潔凈室與積灰室，除塵器箱體內(nèi)以花板為界，花板下部為過濾室，上部為潔凈室，除塵器底部落灰區(qū)域?yàn)榉e灰室。

除塵器工作時(shí)，含塵氣流通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入過濾室，由于風(fēng)流斷面突然擴(kuò)大導(dǎo)致流速降低，一部分粒徑較大的粉塵在重力的作用下發(fā)生自由沉降，剩余粒徑較小的粉塵受慣性、碰撞、擴(kuò)散、攔截、篩濾、靜電吸引等作用的影響被吸附至濾筒表面形成粉塵層，過濾后的氣體進(jìn)入潔凈室經(jīng)由抽出式風(fēng)機(jī)排出。

隨著過濾的進(jìn)行，沉積在濾筒表面的粉塵層厚度不斷增加，除塵器過濾阻力也隨之增加，當(dāng)其阻力值達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)，需要進(jìn)行噴吹清灰操作。由脈沖控制儀控制脈沖閥的開啟，氣包內(nèi)的壓縮空氣通過噴吹管、噴嘴向?yàn)V筒內(nèi)部噴射高速氣流，同時(shí)產(chǎn)生數(shù)倍于噴射氣流的誘導(dǎo)氣流一同進(jìn)入濾筒內(nèi)部，使濾筒內(nèi)部出現(xiàn)瞬間正壓，沉積在濾筒外壁的粉塵層脫落掉入灰斗內(nèi)，以達(dá)到清灰的目的。

1.2 干式過濾除塵主要影響因素

影響干式過濾除塵效果的影響因素如圖2 所示。

圖2 影響干式過濾除塵效果的主要因素

（1）煤礦井下具體工況環(huán)境。由于煤的變質(zhì)程度以及掘進(jìn)工作面的作業(yè)方式不同，會(huì)產(chǎn)生具有不同粒徑分布的粉塵顆粒，改變?yōu)V料表面沉積粉塵顆粒之間受力狀態(tài)，形成不同的粉塵層沉積狀態(tài)及堆積密度，從而對(duì)過濾阻力產(chǎn)生影響；工作面內(nèi)外噴霧會(huì)改變含塵氣流的相對(duì)濕度，濕度增加會(huì)增大粉塵顆粒之間的毛細(xì)力、粉塵與濾料之間的黏附力，增加清灰難度［13］；井下供風(fēng)正壓風(fēng)筒和除塵器吸塵負(fù)壓風(fēng)筒之間的相對(duì)位置可以影響巷道內(nèi)部風(fēng)流流場分布，從而影響除塵器的集塵效率［14］。

（2）除塵器本體參數(shù)。除塵器的凈化風(fēng)量決定了設(shè)備對(duì)含塵氣流的處理能力，凈化風(fēng)量越大則設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)處理含塵氣流的能力越大；設(shè)備運(yùn)行阻力是表征能耗大小的重要指標(biāo)，與風(fēng)機(jī)所耗功率成正比，運(yùn)行阻力越小，除塵器能耗越??；除塵效率是指相同時(shí)間內(nèi)捕集的粉塵量與進(jìn)入設(shè)備內(nèi)的粉塵量之比，影響最終的排放濃度，是除塵器的重要技術(shù)指標(biāo)之一；漏風(fēng)率表征了除塵器結(jié)構(gòu)密封性，是指設(shè)備運(yùn)行條件下漏風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量的百分比［15］。

（3）清灰系統(tǒng)參數(shù)。除塵器清灰系統(tǒng)中氣包壓力、脈沖時(shí)間、脈沖寬度、清灰策略、噴嘴直徑、噴吹高度等因素均會(huì)影響除塵器脈沖清灰效果［16-17］，從而影響除塵器整體性能。

2 干式過濾除塵實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能

如圖3 所示，干式過濾除塵實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要包括模擬現(xiàn)實(shí)巷道子系統(tǒng)、除塵器本體以及脈沖清灰子系統(tǒng)。

圖3 干式過濾除塵實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)圖

（1）除塵器本體測試子系統(tǒng)。主要包括除塵器殼體、濾筒、花板以及抽出式風(fēng)機(jī)等。風(fēng)機(jī)開啟后，含塵氣流經(jīng)由負(fù)壓風(fēng)筒進(jìn)入除塵器內(nèi)部，粉塵被濾筒捕集，潔凈空氣由抽出式風(fēng)機(jī)排出。該系統(tǒng)模擬了除塵器過濾以及阻力上升過程，可以對(duì)除塵器的凈化風(fēng)量、設(shè)備運(yùn)行阻力、除塵效率、漏風(fēng)率等參數(shù)進(jìn)行測試。

（2）脈沖清灰測試子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要由氣包、脈沖控制儀、脈沖閥、噴吹管等組成，可以通過氣包壓力、脈沖時(shí)間、噴吹高度以及噴吹管類型等參數(shù)的正交組合對(duì)殘余過濾阻力、過濾周期等參數(shù)進(jìn)行測試，用來模擬脈沖噴吹清灰過程并進(jìn)行清灰效果評(píng)定。

（3）模擬現(xiàn)實(shí)巷道測試子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要由掘進(jìn)機(jī)模型、轉(zhuǎn)載機(jī)模型、皮帶輸送機(jī)模型、正壓風(fēng)筒、負(fù)壓風(fēng)筒、定量給粉機(jī)、超聲波霧化器等組成，可以通過調(diào)整正壓、負(fù)壓風(fēng)筒的位置，控制定量給粉機(jī)、超聲波霧化器的啟閉來模擬煤礦井下掘進(jìn)工作面實(shí)際作業(yè)工況。

3 干式過濾除塵實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

由于除塵器內(nèi)部為強(qiáng)負(fù)壓環(huán)境，考慮到耐負(fù)壓強(qiáng)度，選取厚度為4 mm 的Q235 鋼板作為箱體材料；為了避免除塵器內(nèi)部氣體流速過高導(dǎo)致阻力增大，要保證濾筒之間有足夠的間距，潔凈室有足夠的高度；出于安全性考慮，減小粉塵爆炸的危險(xiǎn)性，在除塵器本體下部設(shè)置泄爆膜；在除塵器進(jìn)出口位置布置壓力測孔，利用皮托管測量進(jìn)出口處的動(dòng)壓、靜壓；在除塵器入口處以及出口管道上布置粉塵測孔，利用粉塵傳感器測量粉塵濃度。

為了模擬不同噴吹參數(shù)組合對(duì)于除塵器清灰效果的影響，設(shè)計(jì)活動(dòng)式噴吹管以及花板的組合，便于調(diào)節(jié)噴吹管徑和噴吹距離；通過調(diào)整PLC 可編程式脈沖控制儀參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)自主編程，靈活控制脈沖時(shí)間、脈沖間隔以及清灰順序；在濾筒上、中、下共布置3 個(gè)靜壓傳感器，測量濾筒內(nèi)壁靜壓峰值，用來評(píng)定濾筒的清灰效果。

考慮到現(xiàn)場具體工況環(huán)境對(duì)干式過濾除塵性能存在重大影響，因此遵循幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似以及動(dòng)力相似規(guī)則，求解相似準(zhǔn)則數(shù)，建立模擬巷道；考慮到產(chǎn)塵源位置和粉塵濃度的影響，通過設(shè)置給粉機(jī)在不同位置釋放不同粒徑、不同濃度的粉塵，精準(zhǔn)模擬現(xiàn)實(shí)工況環(huán)境中的粉塵源；為了模擬巷道中不同的空氣濕度，在進(jìn)風(fēng)口處設(shè)計(jì)超聲波霧化器及濕度計(jì)控制進(jìn)風(fēng)流濕度；改變正壓風(fēng)筒、負(fù)壓風(fēng)筒在巷道中的空間分布，測試風(fēng)筒相對(duì)位置對(duì)巷道風(fēng)流場改變以及捕塵效果的影響。

4 實(shí)驗(yàn)過程

（1）除塵器本體參數(shù)測量。開啟抽出式風(fēng)機(jī)，除塵系統(tǒng)正常工作后，利用除塵系統(tǒng)進(jìn)出口管道預(yù)留測壓孔，采用皮托管分別測量進(jìn)、出口動(dòng)壓，同時(shí)測量進(jìn)出口管道內(nèi)徑，計(jì)算得出除塵器進(jìn)口風(fēng)量Q1、出口風(fēng)量Q2，再由Q ＝ （Q1＋Q2）／2 即可求得除塵器凈化風(fēng)量，由φ ＝［（Q1-Q2）／Q］×100%即可得出除塵器漏風(fēng)率；采用皮托管分別測量除塵器進(jìn)口全壓p1以及出口全壓p2，利用公式Δp ＝p1-p2即可得設(shè)備運(yùn)行阻力；利用粉塵濃度傳感器測量除塵器入口氣流含塵濃度c1以及出口處含塵濃度c2，由η ＝ （1 - c2／c1）×100%即可計(jì)算除塵效率。

（2）清灰系統(tǒng)參數(shù)測量。水平安裝噴吹管，使噴吹孔與濾筒的中心線重合，根據(jù)表1 中預(yù)設(shè)的參數(shù)變化調(diào)整不同的噴吹直徑及噴吹距離。打開空氣壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)不同的氣包壓力。連接電磁脈沖閥與脈沖控制儀，通過脈沖控制儀調(diào)整脈沖時(shí)間、脈沖寬度、清灰策略等參數(shù)。連接靜壓傳感器、電荷放大器、信息采集卡，打開高級(jí)測試應(yīng)用程序（VC）軟件，完成采集設(shè)置后，觸發(fā)采集命令，利用脈沖控制儀控制高壓氣體噴吹，數(shù)據(jù)采集后讀取濾筒側(cè)壁各測點(diǎn)壓力數(shù)值，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用濾筒側(cè)壁靜壓峰值來評(píng)定除塵系統(tǒng)清灰性能的優(yōu)劣。

表1 干式過濾除塵系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

（3）模擬巷道除塵參數(shù)測量。打開給粉機(jī)，向其中添加不同粒徑的粉塵，使其與風(fēng)流混合形成含塵氣流。開啟除塵系統(tǒng)、進(jìn)風(fēng)口前端的超聲波霧化器，調(diào)整超聲波霧化器擋位大小控制含塵氣流的濕度；改變正壓風(fēng)筒、負(fù)壓風(fēng)筒的位置，通過測試除塵器進(jìn)口粉塵濃度以及除塵效率來分析上述各參數(shù)對(duì)于干式過濾除塵效果的影響。模擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)測試參數(shù)如表1 所示。

5 結(jié) 語

粉塵是煤礦井下主要災(zāi)害之一，極易對(duì)作業(yè)人員職業(yè)健康造成損害。干式過濾除塵技術(shù)作為目前高效的粉塵治理手段之一，在煤礦領(lǐng)域逐漸推廣應(yīng)用，然而由于煤礦井下特殊的作業(yè)環(huán)境以及多種影響因素的相互制約關(guān)系，無法對(duì)煤礦井下掘進(jìn)工作面干式過濾除塵技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及演示。為進(jìn)一步探究各影響因素綜合作用規(guī)律，直觀展示干式過濾除塵設(shè)備作業(yè)流程，提高安全工程和職業(yè)健康工程專業(yè)畢業(yè)生對(duì)礦用干式過濾除塵技術(shù)的認(rèn)識(shí)，服務(wù)于本科教學(xué)及相關(guān)科研，設(shè)計(jì)并研發(fā)了煤礦井下掘進(jìn)工作面干式過濾除塵實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。利用該模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為本科生進(jìn)行了多次演示實(shí)驗(yàn)，充分提高了學(xué)生對(duì)干式過濾降塵技術(shù)的認(rèn)知水平。