王 威

(1.中國(guó)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(guó)家“十三五”規(guī)劃對(duì)于煤炭產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，近年來(lái)煤炭生產(chǎn)集約化、規(guī)?；斤@著提升，各大礦務(wù)局紛紛開(kāi)始進(jìn)行資產(chǎn)重組和企業(yè)兼并，同時(shí)對(duì)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(shí)兼顧現(xiàn)場(chǎng)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(huì)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(dòng)環(huán)境和降低職業(yè)病危害，在各個(gè)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(guò)程中控制掘進(jìn)工作面內(nèi)粉塵濃度的要求，以下主要對(duì)掘進(jìn)機(jī)的機(jī)載除塵系統(tǒng)進(jìn)行分析研究和測(cè)試，并對(duì)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(guò)模擬巷道對(duì)除塵效果進(jìn)行測(cè)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(duì)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(guò)程中，需要先開(kāi)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(kāi)啟工作時(shí)將布置在巷道右側(cè)的附壁風(fēng)筒的風(fēng)門(mén)關(guān)閉，通過(guò)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(mén)進(jìn)行改向，此時(shí)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(guò)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(gè)掘進(jìn)循環(huán)完成后，附壁風(fēng)筒將打開(kāi)其風(fēng)門(mén)，通過(guò)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(guò)風(fēng)流轉(zhuǎn)運(yùn)至外部進(jìn)行處理。

2 綜掘機(jī)粉塵的擴(kuò)散機(jī)理

對(duì)掘進(jìn)機(jī)在截割過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)計(jì)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(gè)區(qū)域。其中最前端截割頭在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，此處稱(chēng)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(chēng)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(huì)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(chǎng)其余操作人員的方向移動(dòng)，產(chǎn)生的粉塵大量擴(kuò)散至巷道中，此處稱(chēng)為粉塵擴(kuò)撒區(qū)，一般降塵措施也在這個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。井下實(shí)際掘進(jìn)過(guò)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(wú)法將多余的粉塵通過(guò)粉塵除塵器進(jìn)行處理，此時(shí)多余的粉塵將會(huì)跨過(guò)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(wú)法處理掘進(jìn)過(guò)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(cè)試

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)首先開(kāi)啟供風(fēng)風(fēng)機(jī)，運(yùn)行1 min 后關(guān)閉右側(cè)巷道上方的附壁風(fēng)筒風(fēng)門(mén)，掘進(jìn)機(jī)開(kāi)始掘進(jìn)的同時(shí)開(kāi)啟機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)，運(yùn)行5 min 后開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量。

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

在試驗(yàn)過(guò)程中選取其中8 個(gè)測(cè)量風(fēng)速點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 吸風(fēng)口測(cè)量點(diǎn)風(fēng)速

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

在掘進(jìn)除塵系統(tǒng)中，選取15 個(gè)風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)合表1 的測(cè)量點(diǎn)風(fēng)速，整套掘進(jìn)除塵系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速相對(duì)均勻，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)初期的設(shè)計(jì)要求。

3.3 掘進(jìn)工作面粉塵濃度測(cè)量

風(fēng)速測(cè)量的試驗(yàn)完成之后，將除塵風(fēng)機(jī)和供風(fēng)風(fēng)機(jī)關(guān)閉，同時(shí)對(duì)整套除塵系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行檢查和恢復(fù)，待一切準(zhǔn)備完成后同時(shí)安排掘進(jìn)機(jī)司機(jī)進(jìn)入駕駛位置開(kāi)始模擬，此時(shí)粉塵測(cè)試人員進(jìn)入測(cè)試區(qū)域開(kāi)始進(jìn)行粉塵濃度測(cè)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(jiàn)，除塵器測(cè)點(diǎn)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(cè)試點(diǎn)粉塵濃度相對(duì)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(mǎn)足粉塵的控制要求。同時(shí)通過(guò)布置在掘進(jìn)機(jī)左側(cè)和除塵出風(fēng)口的測(cè)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(guò)濾，基本滿(mǎn)足掘進(jìn)巷道的掘進(jìn)需求，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的粉塵處理。

表2 掘進(jìn)巷道內(nèi)測(cè)量點(diǎn)粉塵濃度 mg/m3

4 機(jī)載除塵系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

通過(guò)計(jì)算可知除塵器風(fēng)量損失較大，需對(duì)除塵器進(jìn)行流體分析進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)機(jī)載除塵系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，由于氣流的不穩(wěn)定性，分析時(shí)需借用流體分析軟件對(duì)風(fēng)流進(jìn)行分析，建立模擬氣流分析模型，同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。流速云圖如圖1 所示。

由圖1 可見(jiàn)，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(gè)除塵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎處流場(chǎng)相對(duì)較復(fù)雜，此處的流速也相對(duì)較高，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)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(xiàng)參數(shù)，在模擬巷道中對(duì)各個(gè)除塵系統(tǒng)進(jìn)行分析測(cè)試。同時(shí)對(duì)掘進(jìn)工作面在截割過(guò)程中的粉塵進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證其計(jì)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。