韓 路

(山西高河能源有限公司,山西 長治 047100)

粉塵危害是礦井五大危害之一,煤礦粉塵不僅會阻擋視線、加速機器磨損、引發(fā)粉塵爆炸,還是導致煤礦工人患上塵肺病的元兇[1-3]。據(jù)調(diào)查,我國50%的塵肺病患者來自煤礦,其中掘進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和難點[4-6]。

為降低掘進工作面粉塵質(zhì)量濃度,改善掘進工人作業(yè)環(huán)境,目前常用的治理措施有掘進機內(nèi)外噴霧、全斷面凈化水幕以及通風除塵等,這些技術(shù)措施在掘進工作面粉塵防治中發(fā)揮了重要作用,但同時存在諸多不足之處[7-9]。掘進機內(nèi)外噴霧產(chǎn)生的水霧能夠?qū)Ψ蹓m起到潤濕作用,加速空氣中粉塵的沉降,但是掘進過程中產(chǎn)塵量大,粉塵蔓延速度快,導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的粉塵,阻斷粉塵擴散,但在使用過程中存在耗水量大,易產(chǎn)生巷道積水,影響掘進工作的正常進行等問題;通風除塵利用新鮮風流稀釋掘進工作面的粉塵,按通風方式不同可分為壓入式通風、抽出式通風和混合式通風,在現(xiàn)場應(yīng)用過程中,壓入式通風容易導致粉塵逸散,污染整條巷道;抽出式通風由于作用范圍有限可能導致瓦斯積聚,且抽出式通風在長距離通風條件下存在抽風量不足的現(xiàn)象;混合式通風常因壓入風量和抽出風量不匹配導致除塵效果不理想[10-13]。

本文針對掘進工作面粉塵治理過程中存在的問題,結(jié)合高河能源有限公司w3306高抽巷的現(xiàn)場情況,設(shè)計出一套掘進工作面干式過濾除塵系統(tǒng),并在w3306高抽巷掘進工作面進行現(xiàn)場應(yīng)用。

1 現(xiàn)場基本概況

高河能源有限公司w3306高抽巷設(shè)計長度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°,掘進工作面最小需風量為576 m3/min.w3306高抽巷掘進時產(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)場實際測量,掘進機司機位置處平均總塵質(zhì)量濃度高達1 869.67 mg/m3,同位置平均呼吸性粉塵質(zhì)量濃度可達525.50 mg/m3,嚴重危害了掘進面工人的身體健康。該巷道掘進工作面的主要降塵手段為掘進機內(nèi)外噴霧、全斷面凈化水幕以及防塵網(wǎng),但掘進時,粉塵擴散速度快,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,造成掘進機移動困難。

2 除塵系統(tǒng)的設(shè)計與安裝

2.1 除塵系統(tǒng)組成與主要技術(shù)參數(shù)

針對w3306高抽巷掘進工作面現(xiàn)有粉塵治理問題,研發(fā)了一套便捷移動礦用干式過濾除塵系統(tǒng),該除塵系統(tǒng)由控風風筒、抽風風筒、干式過濾除塵器、抽出式風機以及單軌吊組成,其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 干式過濾除塵系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

除塵系統(tǒng)控風風筒為一段側(cè)壁設(shè)有若干條狹縫的特制風筒,該風筒安裝在壓風風筒上,用于調(diào)節(jié)進入掘進工作面迎頭的風量和從控風風筒狹縫射出的風量。抽風風筒為柔性骨架風筒,其進氣端連接吸塵罩,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型抽出式風機使用。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)能夠跟隨掘進工作面的推進快速移動,通過單軌吊將抽風風筒、除塵器和抽出式風機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,含塵氣流在抽出式風機的作用下經(jīng)抽風風筒進入除塵器內(nèi),進入除塵器內(nèi)部的含塵氣流經(jīng)濾筒過濾后轉(zhuǎn)化為潔凈氣流,最后經(jīng)過抽出式風機流向巷道后方。由于掘進工作面最小需風量為576 m3/min,而除塵系統(tǒng)的處理風量為500 m3/min,小于工作面的最小需風量,故在不采取任何措施的情況下,超出處理風量的部分氣流會攜帶大量粉塵向巷道后方擴散。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)使用控風風筒對風流進行調(diào)節(jié),通過在壓風風筒上安裝控風風筒,將本應(yīng)進入掘進工作面迎頭的部分風流提前經(jīng)控風風筒狹縫射出,以此降低迎頭的進風量,使得迎頭的進風量與除塵系統(tǒng)的處理風量相匹配,避免因迎頭進風量過大致使粉塵被吹向巷道后方,并且經(jīng)狹縫射出的風流會形成平行于巷道截面的風幕,由控風風筒形成的風幕能對粉塵起到攔截作用,進一步防止了粉塵向巷道后方擴散。

2.3 除塵系統(tǒng)現(xiàn)場安裝布置

除塵系統(tǒng)現(xiàn)場布置方式如圖1所示,除塵系統(tǒng)主體通過單軌吊懸掛于巷道頂板下方,能夠隨掘進工作面的推進向前移動,為防止除塵系統(tǒng)妨礙掘進機正常工作,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)場布置圖

通過掘進工作面產(chǎn)塵狀況現(xiàn)場調(diào)研分析,發(fā)現(xiàn)掘進機司機位置粉塵污染嚴重,當將吸塵罩的進風口設(shè)置在司機位置后方時,掘進產(chǎn)生的大量粉塵在進入吸塵罩前擴散至司機位置,威脅司機職業(yè)健康。為此,將吸塵罩設(shè)置在司機位置前方,保持吸塵罩與迎頭之間的距離在3 m左右。通過現(xiàn)場驗證,該布置方式能夠有效降低司機位置的粉塵質(zhì)量濃度,大部分粉塵在運移至司機位置前便被吸入吸塵罩內(nèi),保持司機位置及其后方空氣清新。

為提升除塵風機抽塵能力,防止掘進過程中產(chǎn)生的粉塵擴散至巷道后方,還需要控制好進入掘進工作面迎頭的風量,在不產(chǎn)生瓦斯積聚的前提下降低迎頭進風量,綜合采取以下兩種措施:①將壓風風筒出風口與掘進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風筒上安裝控風風筒。采取上述措施后掘進工作面的氣流分布如圖2所示,壓風風筒中部分氣流從控風風筒的狹縫中射出,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移的兩部分氣流,剩余部分氣流經(jīng)壓風風筒出口流向掘進工作面迎頭。在壓差的作用下,大部分從控風風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,因此掘進工作面迎頭依然能夠流入足量的新鮮風流,不會出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象。

圖2 掘進工作面風流示意

3 現(xiàn)場測試

3.1 測試內(nèi)容及方案

為了檢驗礦用干式過濾除塵系統(tǒng)的除塵效果,分別測試除塵風機開啟前后的粉塵質(zhì)量濃度,根據(jù)現(xiàn)場實際情況分別在司機位置(位于掘進機司機旁)和二運機尾位置(距離迎頭30 m處)布置測點,測試高度為人呼吸帶位置(1.5 m),采用稱重法測試,每次測試時間3 min,測試流量20 L/min,測試儀器選用如圖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)運行過程中降低了掘進工作面迎頭風量,為確保掘進工作面有充足的新鮮風流,避免出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象,需要在除塵系統(tǒng)運行過程中監(jiān)測迎頭甲烷體積分數(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數(shù)數(shù)據(jù)驗證除塵系統(tǒng)是否影響掘進工作面通風安全。

3.2 測試步驟

采樣前處理:對采樣用的濾膜進行檢查,選取結(jié)構(gòu)完整的濾膜置于干燥箱中2 h,用萬分之一天平對干燥后的濾膜進行稱重,稱重結(jié)果記作m0;粉塵采樣:設(shè)置采樣時長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)測試流量Q=20 L/min,調(diào)節(jié)好測試流量后將濾膜更換為經(jīng)過干燥處理的濾膜,接著將采樣器置于測點進行采樣,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,按上述步驟對呼塵進行采樣。采樣順序按照先總塵后呼塵,先司機位置后二運位置,先開啟除塵系統(tǒng)后關(guān)閉除塵系統(tǒng)的順序進行。

采樣后處理:將采樣后的濾膜置于干燥箱中干燥2 h,用萬分之一天平稱量干燥后濾膜重量,稱重結(jié)果記作m1.

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

粉塵濃度計算公式如式(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為測試流量,L/min;t為測試時間,min.

降塵率計算公式如式(2)所示:

(2)

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

3.3 測試結(jié)果與分析

除塵系統(tǒng)開啟前后的各測點粉塵質(zhì)量濃度如表2所示。由表2測試數(shù)據(jù)可知,除塵系統(tǒng)開啟前司機位置的平均總塵、呼塵質(zhì)量濃度分別為736.33 mg/m3和358.83 mg/m3,除塵系統(tǒng)開啟后司機位置的平均總塵、呼塵質(zhì)量濃度分別為17.17 mg/m3和9.83 mg/m3,司機位置總塵、呼塵降塵率分別為97.67%和97.26%,除塵系統(tǒng)開啟后掘進機司機處粉塵質(zhì)量濃度顯著降低,掘進過程中產(chǎn)生的大部分粉塵在運移至司機位置前便被吸入抽風風筒內(nèi)。除塵系統(tǒng)開啟后掘進工作面迎頭環(huán)境如圖4所示,粉塵聚集在掘進工作面迎頭與抽風風筒進風口之間,司機位置處幾乎沒有人眼可見的粉塵。

圖4 除塵系統(tǒng)開啟后掘進工作面迎頭環(huán)境

表2 除塵系統(tǒng)開啟前后粉塵質(zhì)量濃度測試結(jié)果

除塵系統(tǒng)開啟前二運機尾位置的平均總塵、呼塵質(zhì)量濃度分別為562.67 mg/m3和275.17 mg/m3,除塵系統(tǒng)開啟后二運機尾位置的平均總塵、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)顯著降低了二運位置粉塵質(zhì)量濃度,通過減少迎頭的進風量以及控風風筒所生成風幕對粉塵的阻隔,有效防止了迎頭粉塵向后方蔓延擴散。

掘進工作面迎頭甲烷體積分數(shù)如表3所示。由表3可知,掘進工作面迎頭位置的甲烷體積分數(shù)最大監(jiān)測值為0.28%,遠低于報警值0.80%,表明除塵系統(tǒng)運行時,迎頭依然能夠流入足夠的新鮮風流,并不影響掘進工作面的通風安全,與前文的分析一致。

表3 掘進工作面甲烷體積分數(shù)測試結(jié)果

4 結(jié) 語

1) 設(shè)計了基于掘進工作面長壓短抽通風方式的干式過濾除塵系統(tǒng),利用控風風筒對掘進工作面風量進行了合理分配,通過單軌吊將除塵系統(tǒng)整體懸掛于巷道頂板下方,實現(xiàn)了除塵系統(tǒng)隨掘進工作面推進的便捷移動。與傳統(tǒng)除塵方式相比,干式過濾除塵系統(tǒng)具有除塵效率高、不消耗水資源以及對現(xiàn)場環(huán)境污染小等優(yōu)點。

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

3) 通過在壓風風筒上安裝控風風筒,降低了直接流向掘進工作面迎頭的風量,實現(xiàn)了掘進工作面迎頭風量和控風風筒狹縫射出風量的自主調(diào)節(jié),二運機尾位置的總塵、呼塵降塵率分別可達98.05%和97.58%,有效阻止了掘進粉塵污染巷道后方環(huán)境。