裴卫华

（肥城矿业集团有限责任公司，山东 肥城 271608）

煤矿综掘过程中产尘量大，危害严重。除尘风机的引入使得除尘效果逐步得到优化改善，但传统的湿式除尘工艺存在除尘效果不佳、生产环境差等问题，通过对综掘工作面产尘特点及运移规律、除尘风机除尘性能和除尘效率进行分析认为，除尘风机运行工况对综掘粉尘的除尘效果有较大影响，节流调节可有效提升除尘风机负压，有利于尘源点处的定向吸尘。机械产尘后，粉尘扩散是掘进迎头风筒风流和除尘风机吸风风流联合作用的结果。研究风筒风流及除尘风机吸风口“二次风流”联合作用对粉尘扩散影响规律，设计以除尘风机为主体的高效除尘体系，有效提升除尘风机的除尘效率和效果，对于综掘工作面有效控制掘进产尘，保证良好的工作环境，保护作业人员职业健康，提升综掘速度和效率具有十分重要的意义。

1 含尘气流流场模型

1.1 综掘粉尘特征

综掘工作面粉尘主要是综掘过程中产生的细小颗粒，以及少量顶底板泥页岩、砂岩等截割产生的细小颗粒。综掘过程中能被高速气流吹散的细小颗粒粒径范围在7～200μm 之间。综掘粉尘的产生与粉尘特性关系密切，防尘技术选择也与矿尘的性质密切相关。综掘过程中在机械力的作用下，一次尘化作用于粉尘的能量不足以使粉尘扩散飞扬，尘粒不可能单独在综掘空间内传播，造成局部环境粉尘污染现象。在综掘施工过程中，外部风流致使粉尘扩散，主要有：除尘风机吸风流、除尘喷雾流场、供风风筒风流、综掘摇臂以及滚筒旋转风流，这些风流场对二次扬尘作用越明显，危害越大。

1.2 模型假设

模拟过程中，对综掘粉尘产生和运动规律作如下假设：

（1）巷道空间粉尘运动是二维运动，风筒风流出口及除尘风机吸风口为主要风流场，气流运动过程中无能量损失；

（2）巷道风流及随风流运动的粉尘颗粒为气粒两相流运动；

（3）忽略Soret 效应和Dufour 效应；

（4）粉尘-空气气粒两相流分布为均匀弥散结构；

（5）固体壁面为辐射灰体。

1.3 几何模型

在综掘独头巷道，风流的分布是三维的。为便于对综掘巷道风流分布进行研究，特建立如下综掘独头巷道模型（如图1 所示）：巷道风筒风流出口距综掘迎头5 m，除尘风机距巷道迎头3.5 m。

图1 综掘巷道二维模型

2 风筒及除尘风机流场分析

研究考虑条件假定，设定风筒入口流场压力为100 Pa、200 Pa，除尘风机吸风口负压为-800 Pa、-1000 Pa，流场、压力场对比试验。风速、等压曲线图如图2、图3 所示。

图2 不同进出口风压条件下速度分布图

图3 不同进出口风压条件下等压图线

通过分析三个不同条件风流与压力场可知，风机吸风压力过低可以导致风筒风流与风机吸风流场的相互作用，掘进迎头风流场呈现紊乱状态，二次风流使综掘产尘扩散，加重粉尘污染。如条件保持不变，除尘风机负压适当提升，在综掘迎头将会形成负压区，吸风流和迎头后部进风流之间的压差降低。由此可知，为提高除尘风机工作效率，提升除尘效果，要适度降低风筒进风流风压，提高除尘风机吸风风压。

3 综掘高效除尘系统

3.1 传统湿式除尘

煤矿因采掘活动频繁，产尘量大面广，一般采用传统湿式除尘风机在产尘较集中的综掘迎头、采掘工作面等作业点进行除尘。除尘风机的使用，使得含尘气体得到净化，作业环境持续改善，达到工业卫生标准，保护作业人员身体健康，避免尘毒危害。设备构成主要是除尘风机和湿式除尘器两部分。除尘风机是防爆抽出式，除尘风机吸入含尘空气后，湿式除尘器捕获粉尘、就地净化并从除尘器风口排出。

3.2 高效除尘技术要点

要把握主要风流场在综掘工作面的变化规律，优化并设计适合综掘工艺的高效除尘风机吸风口结构，以提高污尘空气流的净化效率，并应重视以下问题：（1）减少粉尘的二次风流影响，及时控制产尘。（2）降低入风口风流风压，提高除尘风机吸风口风压。

（3）除尘风机选定后，可通过除尘风机吸风口结构调整提升风压。

（4）除尘系统由除尘风机本体、环形内凹结构吸风口、风机尾部的排污风、风水联动喷雾降尘系统、配套的掘进巷道分风增压装置及综掘机滚筒侧面煤体润湿孔等部分组成。系统利用分风、增压结构及喷雾降尘系统提升污风吸收能力，调整滚筒出水口位置，利用高压水、离心力进行截割煤体润湿。

3.3 除尘风机吸风口

吸风口结构是除尘系统设计的重要环节。吸风口是一个敞开结构，吸气时在附近形成负压，当吸气口面积较小时会形成“点汇”。除尘风机吸风口为内凹环形结构，吸风口处与机内壁呈弧形结构，间距在30～50 mm 范围；内凹结构利用内凹腔体提升风机内外压差，弧度角为外切150°。可采用内部大“喇叭口”设计提升吸尘效果。

3.4 水雾联动喷头及摇臂径向控尘喷头

根据欧美科学家研究理论，在尘埃与水雾颗粒大小相近时，尘埃颗粒与水雾颗粒相互作用，碰撞后产生吸附凝结作用，在重力作用下尘埃团降落，形成尘埃过滤效果。因此，采取风水联动、气雾降尘方法，10μm 以下粉尘可得到有效去除。

水雾联动抑尘装置，主要是利用综掘迎头高压水、气系统，将水粉碎，形成微小雾粒，再通过头部喷孔喷出。雾滴流场可以有效控制综掘工作面迎头粉尘扩散，同时雾滴还可有效吸附，并聚结粉尘颗粒成团，聚集物受重力作用沉降，从而提高喷雾效果。

水雾联动抑尘装置主要依靠雾化风雾场对综掘机的截割部位控尘，雾滴进行水雾降尘。该装置产生雾滴颗粒比较小，对降低呼吸性粉尘具有较好效果。但因其漂浮性特点，周边环境风速影响较大。因此，应将产尘点附近风速控制在2 m/s 以下，以最大限度实现控制降尘效果。

水雾喷头数量计算：N=S·W/q

式中：N为水雾喷头数量；S为保护面积；W为设计喷雾强度；q为水雾喷头设计流量。

如图4 所示，摇臂附近水雾联动高压喷嘴设计为长颈喷嘴，用高压水雾对综掘截割部进行产尘控制。喷嘴由入口平面部分A、圆弧曲面B、C 构成入口收缩部分、圆筒形喉部E 和为防止边缘损伤保护槽F 组成。

风水联动控尘风压应控制在0.3～0.5 MPa，水量54～80 L/min。利用风筒分风增压控尘，分风量占总风量的30%～50%。利用综掘机螺旋结构与摇臂交接处高压水润湿煤体以减少产尘。润湿孔口呈正米字型结构，可布置润湿孔8 个，喷口与螺旋机构夹角75°。

本设计综合减尘、控尘、除尘为一体，可有效减少粉尘的产生，在防止粉尘大范围扩散的同时，极大提高除尘风机的除尘效率和效果，具有较好的实用性。

3.5 应用场景

图5 所示，高效除尘风机系统由除尘风机本体及环形内凹增压吸尘结构1、除尘风机增压延长风筒2、巷道内原分风控尘风筒3、综掘设备机体上的煤体润湿孔4、摇臂附近风水联动外喷雾系统5等部分组成。图中显示了综掘巷道与风筒、除尘风机、综掘设备之间的关系。

图5 综掘迎头除尘系统

4 结语

（1）本文从三个不同条件的风流及压力场进行对比，得出以下结论：除尘风机当吸风口的压力过低时，除尘风机吸风流与风筒进风流流场相互作用导致迎头中的风流场紊乱，综掘粉尘随着二次风流进一步扩散，增大了粉尘污染程度。除尘风机适当提升负压后，有利于综掘迎头负压区形成，综掘迎头后部进风流与吸风流压差降低，在粉尘被除尘风机及时吸收的同时，也可最大程度地抑制二次风流造成的综掘迎头产尘扩散。

（2）本文设计的水气联动抑尘装置，利用综掘迎头高压水、气系统产生微小雾粒，再通过头部喷孔喷出雾滴，系统产生的雾滴流场可以有效控制综掘工作面迎头粉尘扩散，同时产生的雾滴可有效地吸附并聚结粉尘颗粒成团，聚集物受重力作用而沉降，提高喷雾效果及效率。

（3）研究成果在煤矿井下现场进行了应用，应用结果表明，风水联动装置喷雾控尘效果较好，除尘风机采用高负压吸尘结构吸尘、喷淋，明显降低了粉尘浓度。