彭 涛 吴洁葵

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院；2.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室)

凿岩机排气引射通风除尘技术研究与试验

彭 涛1,2吴洁葵1,2

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院；2.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室)

井下凿岩工作面高尘的一个重要原因是凿岩机排气导致岩浆雾化，研究利用凿岩机排气作为环隙式引射器工作气流，进行凿岩机排气引射通风除尘，对作业面进行抽出式通风。探讨了凿岩机背压对凿岩速度的影响，并据此设计引射器环隙断面积参数，试验表明，凿岩机排气引射通风除尘技术，能够有效降低独头巷道凿岩作业面粉尘浓度。

凿岩作业面 凿岩机排气 环隙式引射器 除尘

井下掘进凿岩工作面是地下矿山通风最困难的区域之一，凿岩产尘量大，而独头巷道或天井掘进很难形成贯穿风流，一般利用局扇进行压入、抽出或压抽混合式通风。为了避免风筒被爆破冲击波、飞石或浮石坠落砸坏，风筒末端距作业面需要保持10 m以上的安全距离，这就不可避免会影响到作业面通风除尘。上世纪70年代，前苏联多座矿山应用VostNIGRI EDV-120型空气引射器进行独头巷道压入通风，获得良好的效果。原冶金部安全技术研究所在上世纪70年代末先后研制了WA-90、WA-150和WA-200等型号的环隙式压气引射器，并在程潮、大冶等矿山得到应用，通风除尘效率在80%左右[1-3]。但引射器压入通风的效果受独头巷道长度和引射器射程影响很大，如果距掌子面距离超过引射器射程，通风效果将大大降低。增加引射器射程的通用方法是增加引射器工作压力(供气压力)，而研究表明，在一定条件下引射器工作压力增大会导致引射系数降低[4]，对通风成本产生不利影响。

气动凿岩机是以高压风、水为动力，在作业过程中凿岩机需要排出废气和油烟气体，具有较大的冲击能量，能将岩孔流出的岩浆雾化形成粉尘。经多次现场测试和一些科学研究表明，气动凿岩时在钻孔中产生的粉尘量不超过工作面上粉尘产生量的10%，即90%以上的粉尘是由凿岩机废气排放导致岩浆雾化引起的二次扬尘[5]。如果能将凿岩机排气导出，作为引射通风除尘的工作气流，不仅能减少凿岩机排气雾化岩浆引起的二次扬尘，还能利用凿岩机排气余能进行抽出式引射通风，与局扇配合形成理想的压抽混合通风模式。引射器工作气流受凿岩机排气孔面积影响，而排气孔面积会影响凿岩机背压，进而影响凿岩速度，因此对凿岩机排气孔面积、背压与凿岩速度的关系进行研究，是实现凿岩机排气余能引射通风除尘技术的关键。

1 凿岩速度与背压关系的研究

凿岩机活塞冲程与背压有关(背压是指凿岩机排气孔排出气流产生的压力)，背压是影响凿岩速度的重要因素。凿岩机气缸排出的气体进入消声器后通过其排气孔排出。为了获得理想的凿岩效果和引射气流，实现加速工作面通风除尘的目的，需要对凿岩机排气孔面积进行调整试验。调整凿岩机气孔面积必然会影响凿岩机背压，因此需要研究凿岩速度与凿岩机背压之间的关系。

1.1 凿岩机排气孔面积与局部阻力关系

凿岩机排气是随活塞往复运动的断续过程，但只要频率足够高，仍可将排气过程视为连续。以常用的YSP-45型向上式高频凿岩机为例，其冲击频率在47 Hz以上，排气量约5 m3/min，可视为连续排气过程。设消声器排气室主体内腔断面积为S1，排气孔断面积为S2，如图1所示。

图1 凿岩机消声器排气示意

排气孔断面缩小，产生的局部阻力：

(1)

式中，Q为凿岩机排气量；ρ为空气密度，根据凿岩机指标确定；ξSS为S1/S2的函数，可由有关表中查得[6]。

表1列出了不同排气孔面积产生的局部阻力计算结果。

从表1可以看出，当排气孔面积S2小于7 cm2时，局部阻力随面积减小而快速增加，当排气孔面积大于7 cm2时，局部阻力随面积变化不大。将排气孔面积S2设定为7 cm2较合适，此时较原来增加的局部阻力只有4 080 Pa。

1.2 凿岩机排气孔面积对凿岩速度的影响

尽管影响凿岩机凿岩速度的因素很多，相互之间的关系也非常复杂，但理论和实践都表明，风压越高，凿岩速度越快，凿岩机背压越大，凿岩速度越慢。在撞击针尾的频率一定时，凿岩速度主要取决于撞击针尾的力度，亦即活塞两端的压差。将凿岩速度与活塞两端压差以线性关系探讨，其数学表达式为：

表1 不同排气孔面积产生的局部阻力

V=α(P-hSS) ，

(2)

式中，V为凿岩速度，m/min；P为凿岩机提供的风压，Pa；hSS为凿岩机背压，Pa；α为比例系数，与岩性、针头锐利程度等因素有关。

通过对某地下矿山采场YSP-45型凿岩机的凿岩速度实测，根据式(1)确定hSS值，在风压为5个大气压的条件下，测得凿岩速度为0.442 6 m/min。代入式(2)计算，得到比例系数α=0.90×10-6m/(min·Pa)。因此，测凿岩机在测试工况下的凿岩速度符合以下公式：

V=0.90×10-6(P-hSS) .

(3)

由此，可得到凿岩速度与消声器排气孔面积的关系曲线见图2。

图2 凿岩速度与消声器排气孔面积的关系

从图2可知，当排气孔面积在5 cm2以上时，随着排气孔面积的变化，凿岩速度变化不大；当排气孔面积小于5 cm2时，凿岩速度随着排气孔面积的减小而显著下降。因此，只要排气孔面积选择适当，利用排气引射气流通风引起的凿岩机背压增加不会对凿岩速度产生大的影响。

2 凿岩机排气引射器性能试验

2.1 环隙引射器

凿岩机排气引射气流通风是将凿岩机排出气体利用胶管接入环隙式引射器，利用引射作用产生引射风流。一般引射器环隙宽度越窄，引射系数就越高，引射效果也就越好[7-8]。但过小的环隙面积会引起凿岩机高背压，进而影响凿岩速度，因此引射器环隙宽度不宜太小。试验用引射器环隙宽度为1.5 mm，环隙直径为150 mm，环隙截面积为7 cm2。其结构如图3。

图3 环隙式引射器示意

2.2 引射器性能现场试验

2.2.1 试验系统

试验系统由YSP-45型凿岩机、环隙式排气引射器、排气导出胶管构成，连接示意见图4。

图4 凿岩机排气引射通风除尘系统示意

2.2.2 试验方法

选择某矿山平巷掘进工作面为试验场地。排气引射器悬挂于巷道侧帮，距离YSP-45型凿岩机2.5 m，用手持式风速仪对引射器吸风口和排风口测定风速，考虑到风速波动影响，试验分两次进行，每次测多个数据，取其平均值。结果见表2。

表2 引射效果试验结果

由测定结果可知，引射器平均排风量为40.8 m3/min，凿岩机平均排气量为5.96 m3/min，引射系数平均为7.4，引射器吸入工作面含尘气流量平均为34.84 m3/min，表明试验系统对凿岩工作面具有明显的降尘效果。

3 通风降尘现场试验

选定一个平巷独头凿岩作业面作为试验场所，采用YSP-45型凿岩机作业。排气引射器悬挂于巷道侧帮，距离凿岩机2.5 m处用矿用粉尘采样器分别对系统接入前后粉尘浓度进行监测。测定结果见表3。

表3 凿岩机排气引射通风系统除尘试验

试验表明，采用凿岩机排气引射通风系统对独头平巷凿岩作业面具有显著地降尘效果。

4 结 论

独头凿岩作业面高尘问题迄今仍是技术难题,利用凿岩机排气引射通风，不仅能有效减少凿岩产生的泥浆雾化现象，提高工作面的能见度，消除安全隐患；更重要的是通过引射作用，快速排出凿岩工作面通风最困难的端部含尘气流，其除尘效率达到70.35%，该技术具有良好的推广应用价值。

[1] 胡子发.用引射器进行独头巷道通风[J].冶金安全,1982(2):63.

[2] 单 铸,唐子沛,秦仁澧,等.WA型环隙式压气引射器[J].工业安全与环保,1982(3):10-15.

[3] 单 铸.国内外几种环隙式压气引射器简介[J].工业安全与环保,1978(4):40,57.

[4] 张 博,沈胜强,李海军,等.二维流动模型的喷射器性能分析研究[J].热科学与技术,2003(2):149-153.

[5] 江西有色冶金研究所YSP凿岩机防尘试验组.YSP45型凿岩机高尘原因及降尘方法探讨[J].江西冶金,1982(2)：54-55，57.

[6] 袁恩熙.工程流体力学[M].北京:石油工业出版社,1986.

[7] 赵静野,孙厚钧,高 军.引射器基本工作原理及其应用[J].北京建筑工程学院学报,2001,17(3):12-15.

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[9] 彭 涛.凿岩工作面高尘原因分析及降尘方法探讨[J].有色金属：矿山部分,2007,59(1):43-44.

Research and Test on the Drilling Machine Exhaust Ejector Ventilation Technology

Peng Tao1,2Wu Jiekui1,2

(1.Hunan Labor Protection Institute of Nonferrous Metals; 2.Hunan Province Key Laboratory of Metal and Non-metal Mine Ventilation and Dust Prevention)

Drilling machine exhaust leading to the magma atomized is one of the important factor of the high concentration of dust in underground rock drilling working face. The dirilling machine exhaust ejector ventilation technology is used to conduct drawer-type ventilation operation. The influence of the drill back pressure to the drilling speed is discussed, besides that, the ejector ring clearance area parameter is designed based on the discussed results. The filed test results show that the drilling machine exhaust ejector ventilation technology can reduce the dust concentration heading working face in the process of drilling operation effectively.

Drilling working face, Exhaust of drilling machine, Ring gap type ejector, Dust removal

2015-04-22)

彭 涛(1970—)，男，高级工程师，410014 湖南省长沙市雨花区香樟路601号。