綜掘工作面高效除塵技術(shù)研究

綜掘工作面高效除塵技術(shù)研究

Summary：煤礦綜掘過(guò)程中產(chǎn)塵量大，危害嚴(yán)重。除塵風(fēng)機(jī)的引入使得除塵效果逐步得到優(yōu)化改善，但傳統(tǒng)的濕式除塵工藝存在除塵效果不佳、生產(chǎn)環(huán)境差等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)綜掘工作面產(chǎn)塵特點(diǎn)及運(yùn)移規(guī)律、除塵風(fēng)機(jī)除塵性能和除塵效率進(jìn)行分析認(rèn)為，除塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況對(duì)綜掘粉塵的除塵效果有較大影響，節(jié)流調(diào)節(jié)可有效提升除塵風(fēng)機(jī)負(fù)壓，有利于塵源點(diǎn)處的定向吸塵。機(jī)械產(chǎn)塵后，粉塵擴(kuò)散是掘進(jìn)迎頭風(fēng)筒風(fēng)流和除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)風(fēng)流聯(lián)合作用的結(jié)果。鑒于此，本文主要分析綜掘工作面高效除塵技術(shù)。Keys：綜掘工作面；高效除塵；技術(shù)：TD714：A1、引言煤礦綜掘工作面以掘進(jìn)機(jī)為主，配套錨桿機(jī)、梭車、帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)煤礦智能化開(kāi)采。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，煤礦綜掘工作面粉塵濃度可達(dá)2000~3500mg/m3，大大超過(guò)國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重危害井下工人身體健康，污染井下工作環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生粉塵爆炸，造成重大煤礦安全生產(chǎn)事故。因此，煤礦綜掘工作面粉塵治理勢(shì)在必行。煤礦綜掘工作面粉塵來(lái)源主要包括：①巷道內(nèi)鑿巖以及鉆孔作業(yè)。②工作面掘進(jìn)機(jī)、錨桿機(jī)等設(shè)備的掘進(jìn)作業(yè)。③風(fēng)鉆、錨桿支護(hù)作業(yè)。④工作面設(shè)備移動(dòng)、運(yùn)輸以及進(jìn)風(fēng)起塵。2、概述近幾十年來(lái)，我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)主要以煤為主，這主要由于石油與天然氣國(guó)內(nèi)資源匱乏、多依賴進(jìn)口。我國(guó)能源中對(duì)于煤的消費(fèi)結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)階段：①2000—2011年的煤高消耗的粗放發(fā)展階段，其中煤炭能源消費(fèi)占比自2000年的68.5%上升至2011年的70.2%；②我國(guó)自2012年步入工業(yè)化后期到2018年我國(guó)能源消費(fèi)也開(kāi)始轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，其中重要指標(biāo)為煤炭，占比降到59%；③第三能源結(jié)構(gòu)變化階段即高質(zhì)量常態(tài)化發(fā)展階段。2020年，我國(guó)進(jìn)入到社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家建設(shè)的新征程，在工業(yè)能源消費(fèi)方面，我國(guó)也將轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量。2012~2018年，我國(guó)的能源消費(fèi)總體呈上升趨勢(shì)，盡管新能源的投入與國(guó)家政策的調(diào)整使我國(guó)的能源消費(fèi)有一定范圍的波動(dòng)，但總體煤炭消費(fèi)仍占能源消費(fèi)總量的60%左右。煤炭作為我國(guó)的能源消耗的最大主體，將會(huì)在未來(lái)幾十年持續(xù)發(fā)揮巨大作用。隨著煤炭生產(chǎn)增長(zhǎng)的同時(shí)，安全生產(chǎn)事故也層出不窮，現(xiàn)有事故死亡率已有很大下降，但距離歐洲許多國(guó)家的安全生產(chǎn)水平仍有很大差距。煤礦的掘進(jìn)工作面粉塵含量由于掘進(jìn)機(jī)械化、自動(dòng)化以及煤炭產(chǎn)量的要求提升而急劇提高。由于掘進(jìn)工作面通風(fēng)條件的特殊性，掘進(jìn)巷道的通風(fēng)狀態(tài)是一個(gè)端口封閉、一端開(kāi)口的獨(dú)頭巷道。當(dāng)風(fēng)流由風(fēng)機(jī)運(yùn)至掘進(jìn)面時(shí)，風(fēng)流受阻折返，帶有大量的煤塵并逐漸擴(kuò)散到整個(gè)掘進(jìn)工作面的其他作業(yè)空間，尤其在掘進(jìn)機(jī)的司機(jī)處。粉塵擴(kuò)散濃度很大時(shí)，整體能見(jiàn)度很低，嚴(yán)重影響掘進(jìn)工作面的安全生產(chǎn)。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，井下的掘進(jìn)面粉塵濃度應(yīng)低于10mg/m3，但是通常掘進(jìn)工作面掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)的粉塵濃度可達(dá)500～1400mg/m3，最高超標(biāo)100多倍。因此，塵肺病發(fā)病率最高的人群是掘進(jìn)工作面尤其是掘進(jìn)機(jī)司機(jī)以及支護(hù)人員。由于掘進(jìn)工作面的通風(fēng)困難性，對(duì)工作人員造成影響的同時(shí)，也會(huì)對(duì)掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生影響，增大損耗。因此，針對(duì)掘進(jìn)工作面特殊的通風(fēng)及生產(chǎn)情況，積極采取有效合理的降塵措施，以期在保證礦井安全生產(chǎn)的前提下，最大限度保障工作面作業(yè)人員的健康與安全。3、綜掘工作面高效除塵技術(shù)3.1、傳統(tǒng)濕式除塵煤礦因采掘活動(dòng)頻繁，產(chǎn)塵量大面廣，一般采用傳統(tǒng)濕式除塵風(fēng)機(jī)在產(chǎn)塵較集中的綜掘迎頭、采掘工作面等作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行除塵。除塵風(fēng)機(jī)的使用，使得含塵氣體得到凈化，作業(yè)環(huán)境持續(xù)改善，達(dá)到工業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)作業(yè)人員身體健康，避免塵毒危害。設(shè)備構(gòu)成主要是除塵風(fēng)機(jī)和濕式除塵器兩部分。除塵風(fēng)機(jī)是防爆抽出式，除塵風(fēng)機(jī)吸入含塵空氣后，濕式除塵器捕獲粉塵、就地凈化并從除塵器風(fēng)口排出。3.2、高效除塵技術(shù)要點(diǎn)要把握主要風(fēng)流場(chǎng)在綜掘工作面的變化規(guī)律，優(yōu)化并設(shè)計(jì)適合綜掘工藝的高效除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)，以提高污塵空氣流的凈化效率，并應(yīng)重視以下問(wèn)題：（1）減少粉塵的二次風(fēng)流影響，及時(shí)控制產(chǎn)塵。（2）降低入風(fēng)口風(fēng)流風(fēng)壓，提高除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口風(fēng)壓。（3）除塵風(fēng)機(jī)選定后，可通過(guò)除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)調(diào)整提升風(fēng)壓。（4）除塵系統(tǒng)由除塵風(fēng)機(jī)本體、環(huán)形內(nèi)凹結(jié)構(gòu)吸風(fēng)口、風(fēng)機(jī)尾部的排污風(fēng)、風(fēng)水聯(lián)動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)、配套的掘進(jìn)巷道分風(fēng)增壓裝置及綜掘機(jī)滾筒側(cè)面煤體潤(rùn)濕孔等部分組成。系統(tǒng)利用分風(fēng)、增壓結(jié)構(gòu)及噴霧降塵系統(tǒng)提升污風(fēng)吸收能力，調(diào)整滾筒出水口位置，利用高壓水、離心力進(jìn)行截割煤體潤(rùn)濕。3.3、水霧聯(lián)動(dòng)噴頭及搖臂徑向控塵噴頭根據(jù)歐美科學(xué)家研究理論，在塵埃與水霧顆粒大小相近時(shí)，塵埃顆粒與水霧顆粒相互作用，碰撞后產(chǎn)生吸附凝結(jié)作用，在重力作用下塵埃團(tuán)降落，形成塵埃過(guò)濾效果。因此，采取風(fēng)水聯(lián)動(dòng)、氣霧降塵方法，10μm以下粉塵可得到有效去除。水霧聯(lián)動(dòng)抑塵裝置，主要是利用綜掘迎頭高壓水、氣系統(tǒng)，將水粉碎，形成微小霧粒，再通過(guò)頭部噴孔噴出。霧滴流場(chǎng)可以有效控制綜掘工作面迎頭粉塵擴(kuò)散，同時(shí)霧滴還可有效吸附，并聚結(jié)粉塵顆粒成團(tuán)，聚集物受重力作用沉降，從而提高噴霧效果。水霧聯(lián)動(dòng)抑塵裝置主要依靠霧化風(fēng)霧場(chǎng)對(duì)綜掘機(jī)的截割部位控塵，霧滴進(jìn)行水霧降塵。該裝置產(chǎn)生霧滴顆粒比較小，對(duì)降低呼吸性粉塵具有較好效果。但因其漂浮性特點(diǎn)，周邊環(huán)境風(fēng)速影響較大。因此，應(yīng)將產(chǎn)塵點(diǎn)附近風(fēng)速控制在2m/s以下，以最大限度實(shí)現(xiàn)控制降塵效果。水霧噴頭數(shù)量計(jì)算：N=S·W/q式中：N為水霧噴頭數(shù)量；S為保護(hù)面積；W為設(shè)計(jì)噴霧強(qiáng)度；q為水霧噴頭設(shè)計(jì)流量。3.4、泡沫除塵技術(shù)泡沫除塵系統(tǒng)通過(guò)氣流輸送以及水力添加持續(xù)產(chǎn)生泡沫，不存在旋轉(zhuǎn)以及機(jī)電設(shè)備，可滿足井下高瓦斯環(huán)境使用需要，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，噴槍可安裝在綜掘機(jī)搖臂上，隨機(jī)移動(dòng)并直接作用到產(chǎn)塵點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)降低時(shí)，僅需調(diào)整水氣聯(lián)動(dòng)控制閥即可調(diào)整水氣混合比以及發(fā)泡率，設(shè)備工作參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單。1）在綜掘機(jī)破煤前在巷道底板以及掘進(jìn)面煤壁上均鋪滿泡沫；對(duì)掘進(jìn)巷道底板以及煤壁等進(jìn)行提前浸潤(rùn)，浸潤(rùn)時(shí)間控制在2分鐘以上。2）在割頂部以及中部煤時(shí)，需同步開(kāi)啟泡沫除塵系統(tǒng)，以便使得泡沫隨著截割滾筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)，使得泡沫可全覆蓋截割滾筒，避免粉塵向外溢散。3）在割底煤以及掃底時(shí)，需先開(kāi)啟泡沫除塵系統(tǒng)，待泡沫對(duì)巷道底板以及底煤全覆蓋后方可進(jìn)行割底煤以及掃底工作。3.5、霧化靜電除塵技術(shù)18世紀(jì)Rose最早提出了靜電霧化現(xiàn)象。19世紀(jì)末，Rayleigh通過(guò)對(duì)霧化靜電機(jī)理進(jìn)行深入的研究，提出了Rayleigh極限，即理論上荷電霧滴能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的最大荷量的臨界條件。霧化是在電場(chǎng)力的作用下，帶電水面受到的靜電作用力垂直于水面向外，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，靜電力逐漸增大，水面穩(wěn)定性逐漸降低，從而形成泰勒錐。由于霧化電暈放電技術(shù)可以增強(qiáng)相應(yīng)的電場(chǎng)力，因此增加了水面的電荷密度，提高了水分子的極化程度，進(jìn)而削弱了水面的表面張力。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)某種強(qiáng)度時(shí)，細(xì)水絲逐漸增多，從而產(chǎn)生了霧化現(xiàn)象，并且極易與顆粒物產(chǎn)生碰撞吸附，凝結(jié)沉降，最終實(shí)現(xiàn)降塵除塵(見(jiàn)圖1)。圖1霧化除塵示意圖在實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)中發(fā)現(xiàn)，靜電除塵器對(duì)于不同特性的粉塵去除效率大有不同，普遍對(duì)于粘性粉塵的去除效率較低。在研究中表明了霧化電暈放電形成等離子體技術(shù)在去除粘性粉塵方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不僅可以提升除塵效率，而且免清洗，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。霧化靜電除塵技術(shù)可以提高粉塵的捕集效率，對(duì)于粘性粉塵的去除也有較好的促進(jìn)作用;還可以隨時(shí)保持電極和集塵板的清潔，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高效的靜電除塵。4、結(jié)束語(yǔ)目前煤礦綜掘工作面控除塵技術(shù)存在的主要問(wèn)題有：噴霧壓力偏小、噴霧流量偏大、系統(tǒng)自動(dòng)化程度低、呼塵沉降效率低等。文章針對(duì)上述問(wèn)題，基于單片機(jī)以及傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)綜掘工作面高效控除塵系統(tǒng)，改善工作面工作環(huán)境。Reference：[1]上官昌培.巖巷綜掘工作面高效除塵系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化,2021(01):69-7