高瓦斯矿井掘进工作面快速除尘系统的应用

2014-07-30荆鸿飞

山西焦煤科技 2014年2期

荆鸿飞

(西山煤电集团钻探分公司，山西太原 030053)

1 课题的背景及意义

粉尘浓度的超限问题是影响煤矿井下安全作业的主要危害之一。随着我国矿井机械化程度的提升，掘进工作面产生的粉尘量也急剧增加。文献［1］表明，掘进工作面在无防治措施下，粉尘浓度通常为1000～3000 mg/m3。西山煤电集团某矿为高瓦斯矿井，22608掘进工作面的设计风量为1300 m3/min、风速为3.75 m/s，这种大风量、高风速的通风设计可以有效降低瓦斯浓度，但也增大了粉尘的分散度。此外，根据实测数据表明，粒径小于7 μm的呼吸性粉尘约占到80% ～85%。因此，高瓦斯矿井掘进工作面的粉尘浓度超限问题，成为制约安全生产的主要因素。

由于各矿井煤层地质条件不同，采用的降尘措拖也不同。主要有煤层注水、冲洗煤壁、喷雾洒水以及个体防护［2，3］等方法。这些方法是实现预防为主、本质治理煤尘的有效途径，但工艺参数通过类比法确定，存在随机性和不确定性。在生产中，考虑掘进工作面开采工艺、技术装备等因素，从尘源到粉尘扩散、飞扬和进入风流的各个环节，选择合理的除尘工艺，因地制宜解决粉尘浓度的超限问题。因此，对22608掘进工作面采用了长压短抽混合通风与密闭湿式除尘装置同步掘进机作业相结合的快速除尘系统，较好地降低了高瓦斯工作面粉尘浓度。

2 长压短抽混合通风防尘工艺

截割头旋转破碎煤岩、煤岩块塌落以及巷道通风是掘进工作面粉尘产生的主要原因。粉尘具有持续时间长、尘粒较细等特点。为了排出掘进工作面粉尘，降低巷道空气的二次污染，通风防尘工艺主要从通风方式、最优排尘风速及掘进面排尘风量3个方面综合分析。

2.1 掘进通风方式

局部通风机通风是掘进通风较为经济、有效的方法。按工作方式分为抽出式、压入式及混合式局部通风机通风。其中，抽出式对风筒到工作面距离要求较高;压入式产生的污风沿巷道排除，污染范围较大;混合式则较好地克服了以上缺点。22608工作面的断面面积较大，高2.5 m、宽4.3 m，掘进距离较长，为1675 m，因此，采用了长压短抽混合式局部通风的方法，通风系统示意图见图1。

矿井主风流作为该系统的新风，通过安装在进风侧的压入式柔性风筒A送入掘进工作面;装有湿式除尘装置C的抽出式带骨架可伸缩风筒B吸入污风，除尘处理后，沿巷道排入矿井主风流。该通风系统在布置时，需考虑以下3个关键参数:

1)抽出式风筒进风口与压入式风筒出风口的距离L1。该距离是保证压入式风筒的有效射程，以避免循环涡流扰动区的产生，计算公式为:

图1 长压短抽混合式通风系统示意图

式中:

k1—射流有效射程系数，取4～5;

S—掘进巷道断面的面积，m2。

2)抽出式风筒进风口与掘进头的相对位置L2。该距离是保证抽出式风筒的有效吸程，避免在有效吸程外粉尘停滞，产生涡流扰动区。若相对位置过大，掘进机附近的粉尘浓度不能有效降低;若相对位置过小，截割煤层引起气流变化，使粉尘未经风筒直接排出，计算公式为:

式中:

k3—循环风流极限系数，取1.5～2。

2.2 最优排尘风速

最优排尘风速vm需综合考虑掘进巷道内粉尘的平均直径、密度及巷道湿度等影响因素，其范围为:

式中:

L2min—最小相对位置，m，取3～5;

kL—射流有效吸程系数，取1.5。

3)安装除尘装置的抽出式风筒出风口与压入式风筒出风口的距离L3。该距离是为避免出现循环风流，计算公式为:

式中:

ks—最低排尘风力系数，取3.1 ～3.3;

vs—粉尘静止状态的沉降速度;

fa—巷道内的摩擦阻力系数;

μd—粉尘密度;

d—粉尘的平均直径;

kb—扬尘风力系数，取 4.5 ～7.5;

g—加速度。

2.3 掘进面排尘风量

掘进面排尘风量是使掘进巷道内的风速处于最优排尘风速。长压短抽混合式通风系统应保证抽出式通风机的风量＜压入式通风机的风量。最优排尘风速应综合考虑瓦斯排放量、粉尘浓度的极限范围，计算公式为:

式中:

kq—瓦斯不均衡系数，取1.5～2;

Qqm—平均瓦斯涌出量，m3/s;

Cpmax—回风瓦斯最高浓度，%;

Ci—进风瓦斯浓度，%;

E—产尘量，mg/s;

Gpmax—允许最高含尘量，mg/m3;

Gi—进风含尘量，mg/m3。

工作中采用了2台通风机联合作业。

3 密闭湿式喷雾除尘工艺

湿式喷雾除尘使水与含尘气体互相接触凝聚，粉尘由于重力作用下沉，从而降低了空气中粉尘浓度。主要包括水流雾化、粉尘凝聚下沉、尘粒过滤脱水等环节。为了降低二次扬尘带来的污染，依据通风要求和巷道断面尺寸，22608掘进工作面采用了KCS－460D密闭湿式除尘装置。该装置包括供水系统、喷雾系统、过滤系统及脱水系统4部分［4］。湿式除尘系统布置图见图2。

图2 湿式除尘系统布置示意图

压入式通风机风筒6采用吊挂方式布置方式;可伸缩式短抽风筒7采用侧面支架固定安装;通风机选用FBDC旋轴流式局部通风机。除尘装置5与皮带输送机配套安装，这种布置实现了除尘与掘进联动作业。污风经由风筒7进入除尘装置5内的除尘箱;在除尘箱内，粉尘与除尘装置喷出的雾状水珠碰撞，粉尘与液滴完成凝聚后脱水过滤，净化后由挡风罩4顶部排出。

4 粉尘浓度测定与分析

1)粉尘浓度测定。

为了检验该系统的除尘效果，以全尘质量浓度、呼尘质量浓度作为评价指标，对该系统完成实际循环测试前后的粉尘量进行采样。测定方法采用滤膜质量浓度法［5］，在粉尘浓度稳定后进行平行样品采样，粉尘浓度Cm计算公式为:

式中:

ma、mb—采样前、后滤膜质量，mg;

qv—采样流量，L/min;

t1，t2—两个平行采样点的采样时间，偏差小于20%的两平行采样点有效，min。

2)除尘效果分析。

选取掘进机作业人员位置、距离掘进机5 m、15 m、25 m、35 m作为测点采样。整理原始数据，得到使用该系统前、后的测定结果，见表1。

由表1可知，全尘浓度在未使用该系统前为161.15 ～ 382.11 mg/m3，使用后降低为 13.98 ～40.50 mg/m3，除尘效率达到 78.76% ～90.03%，这表明掘进巷道的粉尘污染得到改善。呼尘浓度从未使用前的 6.05 ～27.50 mg/m3，降低到 1.15 ～6.78 mg/m3，除尘效率达到74.31% ～82.75%，这表明该除尘系统降低了掘进机作业人员的粉尘吸入。此外，根据现场实际测试，该工作面的可见度也得到显著提高。