掘进巷道粉尘控制技术的研究
摘要 针对掘进巷道的特点，研制了一种高效实用的自激式水浴水膜除尘器，并对其结构、除尘过程和与掘进机相配套的方式进行了研究分析。还对掘进巷道中的产尘源进行了调查和分析，认为掘进巷道的防尘方法：应先采用掘进机头的内外喷雾，然后采用长压短抽的通风除尘系统和利用除尘器将含尘空气进行净化；对转载点除尘采用简易闭密罩加喷雾；对巷道周壁的粉尘采用喷洒粘尘剂固尘，才能有效地降低整个巷道的粉尘浓度。
关键词 掘进巷道 除尘器 机掘工作面 转载点
1 前言
随着掘进巷道机械化程度的提高，高效、大功率掘进机、运输机和局部通风设备的使用，使掘进巷道内产尘源增多、产尘量增大，巷道内空气中的粉尘浓度大大增加。掘进巷道内主要产尘源有掘进工作面、运输设备的各转载点和巷道周壁粉尘的二次扬尘等。其中，产尘量最大的是掘进工作面，据测定掘进机割煤时，粉尘浓度高达（1000-3000）mg/m3；其次是运输设备的各转载点，粉尘浓度也高达（300-500）mg/m3；如此多的尘源产生的大量粉尘弥散整个工作面和巷道，使掘进巷道内粉尘浓度严重超限。这些高浓度、高分散度的粉尘严重影响矿工的身体健康，威胁着矿井的安全生产。因此，必须采取有效措施，控制掘进巷道内各尘源的产尘量，使巷道内空气中的粉尘浓度达到规定值。为此，笔者将对机掘工作面、转载点和巷道周壁粉尘的控制技术进行探讨。
2 机掘工作面除尘
机掘工作面在安全生产中，突出的问题是产尘量大、分散度高，若采用一般的降尘措施（即掘进机内外喷雾）是难以解决的。据国内外的研究实践表明，机掘工作面的粉尘控制技术必须采取综合降尘措施，即在掘进机内外喷雾的基础上，安装除尘设备进行吸尘净化。目前，国内外研制的除尘器种类很多，除尘原理多种多样，但由于矿山井下掘进巷道空间小、设备移动频繁，故要求所使用的除尘器应具有体积小、重量轻、移动维护方便，且除尘效率高（特别是对呼吸性粉尘）等特点。如果采用一些国内外的大型除尘系统和设备很难达到要求，为此，笔者对煤巷机掘工作面的粉尘状况进行了现场调查和测定，并作了大量的实验研究，研制了一种新型高效的自激式水浴水膜除尘器，经理论论证和实验证明，该种除尘器除尘效率达98%以上，对呼吸性粉尘的除尘效率也达90%。下面对其结构、除尘过程以及与掘进机相配套方式作简要介绍。
2.1 除尘器的结构和除尘原理
除尘器结构如图1所示，主要有上下导流叶片、脱水器、水箱、轴流式风机、排浆阀和注水孔等组成。其除法过程是含尘气体由进风口进入除尘器转弯向下的导流叶片冲击水面，较大的尘粒由于惯性作用落入水箱中，而较小的尘粒随气流以较高速度通过上导流叶片间的弯曲通道时，与激起的大量水滴充分碰撞而被捕获沉降。含尘含水的气流又在离心力的作用下，在除尘器内壁和上下导流叶片上形成一定厚度的水膜，将尘粒捕集下降。再由脱水器除掉气流中的水滴水雾后，经轴流风机（电机外壳需作专门的防水处理）排出到巷道中，其除尘机理主要是气流中的尘粒与液面和雾化液滴之间产生惯性碰撞、载留、扩散等作用。总之，这种除尘器具有水浴、水滴、离心力产生的水膜等三种除尘功能，因而可得到较高的除尘效率。另外，被水滴捕集落入水箱里的粉尘，沉积到水箱底部或随气流冲击不断搅动，当水箱中浓度达到一定值后，通过排浆阀定期排出，并冲洗水箱，由供水管补充新水。
2.2 通风除尘系统的确定
合理的通风除尘系统，应能有效地控制掘进机产生的粉尘，并把含尘空气吸入除尘器中加以净化，以提高除尘效率。为此，采用长压短抽通风除尘系统（如图2所示）。这种除尘系统的管理与维护比较简单，并能有效排除瓦斯的积聚和滞留，实现粉尘的就地净化。工作面风量由压入式局部风机供给，通过配风器调节风量，保证抽入除尘器的风量大于工作面的实际风量，使工作面风流中高浓度的粉尘全部抽入除尘器进行清除。除尘后的净化风流由配套风机排到巷道。
压入式风筒口距机掘工作面的距离的选取：如果，压入式风筒口距机掘工作面的距离过小，掘进工作面产生的粉尘容易被带出工作面；若压入式风筒口距机掘工作面距离过大，则排尘风速过小，不易形成吹吸系统，对收尘不利。根据生产实践压入式风筒口距机掘工作面的距离，宜取L压<=(4-5)S开平方。
除尘器吸尘口距机掘工作面的距离：若除尘器吸尘口距机掘工作面的距离太小，机掘工作面产生的大量粉尘会被风流带出，并且把大量较粗粉尘吸入除尘器内，增大除尘器内水箱污水的清换次数；假若除尘器吸尘口距机掘工和的距离太大，机掘工作面产生的粉尘也经过司机以后，才被吸入除尘器，掘进机司机处的粉尘浓度得不一有效除低，对掘进机司机身体危害极大。因此，一般除尘器吸尘口距机掘工作面的距离选取L压<=1.5S开平方为宜。
2.3 除尘器的安装和使用方法
由于井下工作条件的特殊性，要求除尘设备移动安装拆卸方便，并保证除尘设备与掘进机同步前进，减少工人的劳动强度。本文中采用的除尘器的安装是针对邢台矿业集团东庞煤矿2709工作面（属低瓦斯矿井）的生产作业条件，并在不影响掘进工人工作的情况下，经过反复考虑而采用的如图2所示的除尘系统安装方法。即除尘器和风机安装在桥式皮带两侧，在掘进机两侧悬挂吸风筒，吸尘罩安装在掘进机截割臂上，它们之间分别用钢性和伸缩风筒连接除尘器与风机，这样在掘进机和桥式皮带两侧分别形成两个独立的除尘系统，互不干扰，基本上不影响掘进工人工作。由于一台除尘器的处理风量为（60-70）m3/min，因此，采用两台除尘器并联使用。每套除尘系统的阻力为1300Pa左右，故选用两台JBT-42型防爆轴流通风机，其电机功率为4kW。
在除尘器运行前（或每班开工时），先用软管把除尘器水箱中含尘污水放入巷道水沟中，再向水箱注入清水，由水位指示器显示水箱的注水量。除尘设备运行一定时间后（约一天），再放污水和清水各一次，操作比较简单。除尘设备、掘进机和压入式局部风机的供电线路要有风电闭锁装置。当局部风机一旦因故停止运转或工作面瓦斯超限时，除尘设备和掘进机便能及时断电，停止运转；只有在压入式局部风机正常运转和工作面瓦斯浓度不超限的状态下，除尘设备和掘进机的开关才能启动起来。
3 转载点除尘
在掘进巷道内通常安装多台运输设备，各转载点（例如，掘进机到桥式皮带、从皮带运输机到皮带运输机或刮板运输机）在运煤过程中都会产生大量粉尘。这主要原因是各转载点存在一定的落差，煤炭在下落过程受到空气阻力的作用，使周围空气发生流动，造成煤炭中细小粉尘悬浮起来，飞扬到空气中。根据气体动力学原理，对上述悬浮粉尘进行分析，不难得出以下结果：对这些粉尘若不采取措施，就会长时间地停留在空气中不沉降，由于掘进巷道中空气存在一定流速，就会把微细粉尘带到别的工作地点，致使整个巷道中粉尘浓度增加。目前，控制转载点的粉尘措施主要有降低煤炭的下落高度、喷雾酒水和密闭抽尘。由于井下掘进巷道断面面积较小，运输设备拆卸安装次数较多，不象运输大巷或地面皮带运输机那样，各转载点可安装密闭抽尘除尘器净化系统。为此，在转载点采用喷雾洒水时，为防止粉尘还未被充分湿润就被风流带走，又采用了转载点无风机抽尘的简易密闭罩净化系统，如图3所示。罩内设有喷雾器，密闭罩与皮带接触处采用橡胶板接触，以防止粉尘向外溢出，密闭罩结构尺寸，根据实际需要而定。
4 巷道周壁抑尘
由于掘进巷道周壁聚集大量粉尘，单用洒水湿润，有效抑尘时间短，很麻烦，效果往往不好，冲洗的方法虽较彻底但耗水量很大。为有效防止沉积于巷道周围的粉尘再次飞扬，污染风流，采用在巷道周壁喷酒粘尘剂来抑尘。它的基本原理是将沉积煤尘彻底湿润，并使其失去飞扬性。由于一般水份容易蒸发，所以在粘尘剂中主要添加了吸水性很强的盐类溶液，但是在单独使用这种盐溶液或水时，往往不能充分湿润煤尘，因此在粘尘剂中还添加了表面活性剂物质。这种粘尘剂主要成分是氯化钙和氯化镁等物质。
粘尘剂可以持续湿润由井下空气带来的、不断沉积于巷帮和底板的煤尘，随着粘尘量不断增加，粘尘剂需要不断吸收空气中的水份。但当煤尘过量沉积，致使粘尘剂不能再保持流体状态时，就会失去湿润能力，这样需要重新喷洒粘尘剂。粘尘剂的喷洒方法采用人工喷洒，工艺设备较简单。
5 结语
由于煤矿井下条件的特殊性，掘进巷道的粉尘危害一直没有很好解决。上述除尘方法是笔者多年进行理论探讨和实验研究，并在现场进行了工业性试验，而取得的成果。对掘进巷道的防尘方法：应先采用掘进机头的内外喷雾，将工作面产生的粗尘迅速沉降下来；然后采用长压短抽的通风除尘系统，利用自激式水浴水膜除尘器，将含尘空气进行净化。对转载点除尘采用简易闭密罩加喷雾。对巷道周壁的粉尘采用喷洒粘尘剂固尘。通过这些除（降）尘措施，就能有效地降低机掘工作面和整个掘进巷道的粉尘浓度。
