一种综掘工作面成套通风除尘系统的研究及应用

刘润军

（山西新景矿煤业有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

1 现场概况

某矿的井田面积为13.63 km2，年计划生产180万t。平均日产吨煤瓦斯的涌出量为8.8 m3（小于10 m3），因此属于低瓦斯矿井。经测试煤尘的爆炸指数为33.67%（大于15%），因此属于强爆型粉尘。并且该煤矿的煤层具有自燃倾向，发火期小于6个月，记录的最短发火期为26天[1]。

2 产尘机理分析

综掘工作面是煤矿进行回采作业的前期开拓工作面，在正常生产过程中的产尘量仅次于综采工作面，并且期间的工序繁杂、产尘源众多且分散，为井下粉尘重点治理的对象。

截割头截割煤壁的过程也是粉尘产生的过程，旋转的截齿与煤壁接触一方面煤壁施加压力，另一方面施加一个切向的力，因此煤体被剪切破坏产生大量裂隙。随着滚筒的转动，大量煤体被携带抛出。空气中的煤尘不仅受重力作用还有气流的作用，粒径较小的粉尘由于受气流的作用明显，因此不易沉降，随着气流在巷道中扩散。若不对粉尘进行治理，大量的粉尘会被产生并在风流的携带作用下导致综掘工作面上百米的巷道都受到粉尘污染。基于综掘工作面粉尘主要产尘机理的分析，对粉尘的尘源治理是最佳方案，尽可能控制粉尘的浓度和污染范围[2]。

3 喷雾除尘技术分析

根据相关规定，掘进机必须配置内、外喷雾，要求内喷雾的射出水压大于（等于）3 MPa，外喷雾的射出水压大于（等于）1.5 MPa；若内喷雾的水压低于3 MPa时必须使用外喷雾[3]。在实际使用过程中，极易发生喷嘴堵塞和水封损坏等问题，所以掘进机的内喷雾经常被杂质堵塞，无法实现降尘的功能。因此外喷雾是在煤矿井下使用频率最高的设备，但目前外喷雾在使用过程中存在以下不足：

1）耗水量大，雾化粒径过大，喷射距离不足导致出水口附近设备出现锈蚀，巷道容易积水；

2）对供水系统的水压、水量和水质要求过高；

3）喷雾管路易破损漏水，维修影响有效掘进工作时间。

4 综掘工作面除尘系统研究

4.1 综掘工作面除尘系统

目前，综掘工作面的除尘方式分为湿式除尘和干式除尘。采用湿式除尘一方面会阻碍操作人员的视线，影响安全生产；另一方面，对提供的水量和水压要求较高。长压短抽通风系统是目前使用最广泛的干式除尘方式。该系统通过压入通风机将新鲜的风流输送到迎头对粉尘进行稀释，一般压入风筒的出口设置在距迎头10～15 m的位置，依靠抽出风机聚集含尘污风并排出，抽出风筒的吸风口一般设置在距迎头3～5 m的位置，两种通风方式的风机共同对粉尘进行控制。但存在除尘设备体积较大且需频繁移动的缺点，因此需要对目前的长压短抽通风除尘系统进行优化改进。

在压风风筒的出口接一个附壁风筒，由于气体在巷道内具有科恩达效应，将最初压入式通风机输送到迎头的轴向风流变换为吸附在巷道壁上涡流，对巷道整体进行覆盖避免除尘盲点的出现。并且吸尘装置的主体安装在掘进机上，此种布置可以解决除尘设备的跟机移动的问题，减少操作工序。将吸尘装置的吸风口装在掘进机截割臂的顶部，一方面可以尽可能的接近产尘源；另一方面能保证吸尘口始终处于与截割头对准的状态，以提高除尘效率[3]。

新型综掘工作面通风除尘系统在进行掘进作业时采用的是长压短抽的通风方式，此系统的压入风筒的出风口与迎头之间的距离应小于12～15 m[4]。因为若压入风筒的出风口距迎头过近不易形成风墙来控制粉尘，而且反弹回来的风流流速过大易将粉尘携带至巷道深部而不是被吸尘装置的聚集吸收；若压入风筒的出风口距迎头较远能保证形成风墙来控制粉尘，在阻力的作用下，到达迎头的风流已趋于平缓，此种状态有利于吸尘装置进行吸尘。在对工作面进行支护时，转换为压入式通风，此时保证压入风筒的出风口与迎头的距离在5 m以内。为方便不同通风方式转换的同时保证控尘效果，在附壁风筒的出口处安装风门并在侧边开口风口。在进行掘进作业时关闭风门，风流从附壁风筒的侧口流出，有利于形成旋转风流控制粉尘，如图1所示。在进行支护作业时打开风门，使风流沿轴向迎头。

图1 旋转风流示意图

吸尘装置的吸尘口应保证距离迎头4 m以内。若此距离太远，司机位于吸尘口的前方，处于粉尘的污染区内。但此距离若过近，截割头切割煤壁时，由于滚筒的旋转运动对煤尘有抛掷作用，大量的粉尘由于速度过快无法被吸尘装置捕捉，造成巷道深部的粉尘浓度过高。

为了避免迎头出现循环风，应保证压入的风量大于抽出的风量，而且吸尘装置的排风口为附壁风筒的后部5～10 m的区间内。

4.2 附壁风筒

为增强风流的除尘效果，在压入风筒的出风口处安装风流改向装置-附壁风筒。原本方向为轴向的风流通过附壁风筒后变成逐渐向迎头移动的径向风流，可以在掘进机的前部形成一道气幕，将迎头产生的粉尘限制在迎头处，然后依靠位于司机前方的吸尘器吸入含尘风流，吸尘器将含尘风流净化后排出干净的空气。附壁风筒的示意图如图2所示[4]。

4.3 吸尘器

图2 附壁风筒的示意图（单位：mm）

吸尘器选用的是湿式振弦除尘器，依靠其对吸入的含尘气流进行除尘净化。柔性的涂覆布负压风筒进行长距离送风会因为风阻和接头处漏风的存在导致供风量不足，因此在结合工作面断面和供风量的要求，设计了适合在本矿综掘面使用的吸尘器。吸尘器示意图如图3所示。

图3 吸尘器示意图

5 现场使用概况

该成套通风除尘系统在该矿的7269溜子道进行了31个工作日的现场试验，试验期间共掘进350 m，经过多次测量粉尘的降尘效率达到80%～84%。通过在现场分别对采用不同除尘方式后巷道内的粉尘浓度测试结果进行对比，发现新研发的成套通风除尘系统技术先进，除尘效果明显，有效改善了掘进工作面的作业环境。具体试验数据如表1所示。

表1 现场浓度测定

6 结论

经过现场应用表明，本文研究的这种新型成套通风除尘系统的降尘效率达到80%～84%，使用范围为巷道断面为12～18 m2的煤巷或半煤巷，与综掘工作面的机组和通风设备配套使用可取得更佳的除尘效果。该成套除尘系统可以有效降低综掘工作面的粉尘浓度，减小工人患呼吸道疾病的概率，有利于推进综掘工作的机械化，产生了较大的经济效益与社会效益。