綜采工作面司機處粉塵隔離技術(shù)的研究及實踐

摘　要：根據(jù)流體力學(xué)中空氣射流理論，從理論和實驗上研究了空氣幕隔離綜采工作面司機處呼吸性粉塵的原理及其方法.空氣幕在采煤機司機工作區(qū)與煤壁間形成了一道“無形透明的屏障”，阻隔采煤機截煤過程中粉塵向司機處擴散，應(yīng)用于現(xiàn)場效果明顯，平均隔離呼吸性粉塵效率達(dá)82.34%.
關(guān)鍵詞：綜采工作面；空氣幕；隔離；粉塵；隔塵效率
中圖分類號：TD714⁺.43　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：0253-9993(2000)02-0176-05

Research and application of dust isolation technology at drivers position in fully-mechanized coal face

WANG Hai-qiao　SHI Shi-liang　LIU Rong-hua　LIU He-qing
（Xiangtan Engineering Institute University, Xiangtan　411201, China）

Abstract：Based on the theory of air jet in the hydraulic mechanics, the principles and methods of respiration-dust isolation with air curtain at drivers position in the fully-mechanized coal face are studied theoretically and experimentally. The air curtain formed a “immateriality and transparent obstacle" between the drivers working area and the coal wall to prevent the dust from moving towards the machine driver. The effect of the technology applied in the working site is good, and the average efficiency of isolating breathing-dust is 82.3%.
Key words：fully-mechanized coal face; air curtain; isolation; dust; efficiency of isolation dust

　　在煤炭生產(chǎn)過程中，有大量的粉塵產(chǎn)生，尤其是綜采工作面采煤機截煤過程產(chǎn)生的粉塵占工作面總粉塵的60%～85%以上.目前，國內(nèi)外機械化采煤工作面的降塵措施主要是采用通風(fēng)排塵、噴霧降塵、濕潤煤體降塵等.但采用這些措施后仍然有大量的粉塵，特別是呼吸性粉塵擴散到采煤機司機工作區(qū)，使得采煤機司機長期處于高濃度粉塵存在的惡劣作業(yè)環(huán)境中，對司機的身心健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅和損害.空氣幕隔塵技術(shù)是在結(jié)合其它降塵措施的基礎(chǔ)上，采用一種無形透明屏障——空氣幕，將未降落的粉塵，特別是呼吸性粉塵隔離在采煤機司機工作區(qū)以外，降低粉塵對采煤機司機的危害.實踐證明，空氣幕隔塵效果明顯，尤其是對呼吸性粉塵有較高的隔塵效率.

1　空氣幕隔塵理論

1.1　空氣幕隔塵原理
　　空氣幕是使空氣以一定的風(fēng)速從條縫風(fēng)口吹出而形成的隔斷氣簾.空氣幕隔塵就是利用噴射氣流的射流原理使污染源散發(fā)出來的污染物與周圍空氣隔離，以保證工作區(qū)的衛(wèi)生條件.采煤工作面空氣幕的作用在于使?jié)L筒截煤時向采煤機司機擴散的微塵折轉(zhuǎn)向上，并攜帶周圍的空氣沖向頂板，氣流同時向兩側(cè)分散，微塵被阻隔在煤壁側(cè)，同時煤壁側(cè)的粉塵被工作面風(fēng)流帶走.
　　空氣幕在采煤工作面司機與煤壁之間形成一道“無形透明屏障”，其隔塵作用相當(dāng)于在采煤司機與煤壁間增加一個附加阻力層，以阻止粉塵從煤壁側(cè)向司機處擴散.空氣幕的隔離作用并不是像固體壁一樣阻擋塵粒的穿透，而是由空氣幕不斷卷吸煤壁側(cè)的含塵空氣，稀釋和帶走卷吸進(jìn)來的含塵空氣，使得塵粒不能穿透空氣幕，只有少數(shù)塵?？赡苡捎跉饬鞯臋M向脈動進(jìn)入空氣幕的中心區(qū)，一部分穿透空氣幕射流的塵粒又進(jìn)入司機側(cè)的空氣幕卷吸流中而隨空氣幕氣流運動上升擴散帶到司機的非呼吸帶，從而保證司機呼吸帶空氣的清潔，達(dá)到隔塵的目的，如圖1所示.

圖1　空氣幕隔塵
Fig.1　The district of the working face with the isolating-dust air curtain

1.2　綜采工作面空氣幕隔塵理論計算
　　空氣幕射流不斷卷吸兩側(cè)氣流并與空氣幕出口氣流混合后射向頂板，然后向兩側(cè)擴散.同時，空氣幕還有抵抗橫向氣流的作用而阻止粉塵穿透空氣幕.在分析空氣幕隔塵效果時，忽略橫向氣流的作用，并且僅考慮空氣幕隔離呼吸性粉塵，因為呼吸性粉塵的粒徑小，完全隨風(fēng)流運動，即使獲得了運動初速度，根據(jù)文獻(xiàn)［1］，其運動距離也非常小，對粉塵的運動影響很小.
　　綜采工作面空氣幕沿工作面縱向布置在采煤機上，工作面風(fēng)流在氣幕處如圖2所示被分成兩條風(fēng)路：①靠煤壁側(cè)為污染區(qū)；②靠司機側(cè)(行人側(cè))為控制區(qū).假定采煤機滾筒產(chǎn)塵是連續(xù)的，污染區(qū)的粉塵濃度均勻分布，空氣幕風(fēng)量較工作面風(fēng)量小得多，可忽略空氣幕風(fēng)量對工作面風(fēng)流的影響，則空氣幕卷吸風(fēng)量^［2］為

圖2　綜采工作面空氣幕平面布置
Fig.2　Plane layout of air curtain in working face
N_a，N_b——空氣幕煤壁側(cè)(污染區(qū))、司機側(cè)(控制區(qū))的呼吸性粉塵濃度，mg/m³；N₀——空氣幕上風(fēng)流中的粉塵濃度，mg/m³；q_a，q_b——空氣幕煤壁側(cè)(污染區(qū))、司機側(cè)(控制區(qū))的風(fēng)量，m³/s；G——空氣幕煤壁側(cè)產(chǎn)塵量，mg/s；V_a，V_b——空氣幕煤壁側(cè)、司機側(cè)的空間體積，m³；q₀——空氣幕的出口風(fēng)量，m³/s

式中，b₀為空氣幕出口半寬度，m；h為空氣幕出口到頂板的高度，m；α為平面射流的紊流系數(shù)，一般取α=1.2.
　　由于空氣幕卷吸了煤壁側(cè)的粉塵，在空氣幕射流中混合后射向頂板并向兩側(cè)擴散，因此煤壁側(cè)的呼吸性粉塵由空氣幕射流卷吸擴散，少部分被帶到了司機側(cè).此后，空氣幕仍不斷卷吸兩側(cè)空氣，并不斷向兩側(cè)擴散.根據(jù)質(zhì)量守恒原理，進(jìn)入控制區(qū)或污染區(qū)的總粉塵量應(yīng)等于從控制區(qū)或污染區(qū)排出的總粉塵量.由于工作面不斷通風(fēng)，經(jīng)過一定時間后，其兩側(cè)濃度達(dá)到穩(wěn)定值^［3］.
　　在煤壁側(cè)(污染區(qū))，進(jìn)入的粉塵有采煤機滾筒截煤時的產(chǎn)塵及空氣幕上風(fēng)流中所含有的粉塵；排出的粉塵有空氣幕卷吸并混合后一部分?jǐn)U散到司機側(cè)的粉塵及煤壁側(cè)通風(fēng)排塵帶走的粉塵.
　　在司機側(cè)(控制區(qū))，進(jìn)入的粉塵有空氣幕上風(fēng)流中所含有的粉塵及空氣幕卷吸煤壁側(cè)的粉塵后擴散到司機側(cè)的一部分粉塵；排出的粉塵有空氣幕行人側(cè)通風(fēng)排塵帶走的粉塵.
　　根據(jù)上述分析，控制區(qū)和污染區(qū)瞬時粉塵濃度變化可表示為

(1)

(2)

　　用微分算子法求解方程(1)，(2).當(dāng)t→∞，濃度達(dá)到穩(wěn)定后的解為

(3)

(4)

　　為了考察空氣幕的隔塵效果，不計空氣幕上風(fēng)流工作面通風(fēng)風(fēng)流中的粉塵含量，即N₀=0，則

(5)

(6)

2　空氣幕隔塵效果模擬實驗分析

2.1　空氣幕隔塵效果
　　根據(jù)式(5)，(6)，可計算空氣幕兩側(cè)濃度比為

N_b/N_a=(q′/4)/(q′/4+q_b).

(7)

　　式(7)表明，隔塵空氣幕兩側(cè)濃度比與控制區(qū)(司機側(cè))的風(fēng)量及空氣幕的卷吸風(fēng)量有關(guān).當(dāng)控制區(qū)的風(fēng)量大時，空氣幕兩側(cè)濃度比降低，這主要是風(fēng)量的增大提高了控制區(qū)的稀釋能力.q_b的大小與空氣幕的安裝位置有關(guān)，但根據(jù)工作面的實際情況，空氣幕只能安裝在采煤機機身上，在采煤工作面斷面和通風(fēng)量一定的情況下，q_b是一個定值.從式(7)還可看出，q′越小，空氣幕隔塵效率越高.對于平面射流空氣幕來說，只要空氣幕有平面射流形成，則q′>0.因此要提高空氣幕的隔塵效率，就要提高空氣幕射流特性使空氣幕的卷吸風(fēng)量盡量小.q′的大小與空氣幕的主要設(shè)計特性參數(shù)，即出口風(fēng)速和出口寬度有關(guān).
2.2　空氣幕隔塵模擬實驗分析
　　為進(jìn)一步定量分析空氣幕出口風(fēng)速和出口寬度對隔塵效果的影響，在實驗室的模擬風(fēng)道進(jìn)行了模擬實驗.根據(jù)幾何相似、運動相似和動力相似原則，設(shè)計的模擬風(fēng)道為550 mm×600 mm×6 000 mm(高×寬×長)，并設(shè)計了4種不同出口寬度的條縫形空氣幕.在模擬采煤機滾筒產(chǎn)塵的情況下，對4種不同寬度的空氣幕在不同出口風(fēng)速條件下的隔塵效果進(jìn)行了測定,其結(jié)果如圖3所示.

圖3　空氣幕隔塵效果與其出口寬度、出口風(fēng)速之間的關(guān)系
Fig.3　The relation between the isolating dust with the wideth and the air speed of the outlet
1～4——出口寬度分別為10，15，20，25 mm

　　實驗結(jié)果表明：空氣幕出口寬度越大，空氣幕兩側(cè)的粉塵濃度比越小，說明空氣幕的隔塵效果越好.但隔塵效率并非隨空氣幕出口寬度的增大而呈線性增大.當(dāng)出口寬度達(dá)到20 mm后，再繼續(xù)增大，空氣幕的隔塵效果提高不很明顯.而且，空氣幕出口寬度的增大，空氣幕風(fēng)量增大，對工作面流場有一定的影響，因此，空氣幕的出口寬度設(shè)計為20 mm比較合理.由于只有當(dāng)空氣幕射流到達(dá)頂板才有隔塵作用，因此為了抵抗工作面風(fēng)流的影響，空氣幕射流的末端風(fēng)速必須大于工作面平均風(fēng)速.

3　隔塵空氣幕的應(yīng)用

　　根據(jù)邢臺礦業(yè)(集團(tuán)）有限責(zé)任公司葛泉煤礦1326綜采工作面MPX-240W雙滾筒采煤機的實際條件及模擬實驗結(jié)論設(shè)計了隔塵空氣幕，其單臺空氣幕參數(shù)：q₀=0.138 m³/s，出風(fēng)口寬度2b₀=20 mm，長度l=1.5 m，出口初速度v₀=4.6 m/s.采用159×4.5無縫鋼管作為空氣幕的主體風(fēng)筒，在主體風(fēng)筒側(cè)沿切線方向切縫制作條縫出風(fēng)噴口，其有效寬度為20 mm.為了提高空氣幕出口射流特性，在條縫出風(fēng)噴口上每隔30 mm設(shè)置一個導(dǎo)風(fēng)片，空氣幕風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置圓錐形斜面阻體以實現(xiàn)均勻送風(fēng).空氣幕軸流風(fēng)機安裝在空氣幕的一端.在采煤機機身上安裝了2臺空氣幕，如圖4所示.

圖4　安裝在采煤機上的空氣幕
Fig.4　The isolating-dust air curtain mounted on the coal mining machine

　　在1326綜采工作面兩種不同風(fēng)量的條件下，用5臺ACH-1型呼吸性粉塵測定儀在采煤機上風(fēng)流沒有其它工序影響的情況下，分順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤分別同時測定司機處測點的呼吸性粉塵濃度.從1997-09-26至1997-10-16，共進(jìn)行了23個采煤作業(yè)班的粉塵測定，測得數(shù)據(jù)484組.根據(jù)測塵結(jié)果，空氣幕在1326綜采工作面司機處對呼吸性粉塵隔塵效率見表1.

表1　1326綜采工作面空氣幕對司機處呼吸性粉塵的隔塵效率
Table 1　The isolating-dust efficiency with air curtain at driver's position in 1326 face

注：表中呼塵即為呼吸性粉塵.

　　從表1測量統(tǒng)計的數(shù)據(jù)看，在兩種割煤方向和兩種通風(fēng)量條件下，空氣幕在司機處對呼吸性粉塵的隔塵效率可達(dá)79.30%～85.83%，平均為82.34%，說明空氣幕對呼吸性粉塵有較好的隔塵效果；從絕對隔塵量看，逆風(fēng)割煤絕隔塵量高于順風(fēng)割煤，這主要是由于采煤機逆風(fēng)割煤時粉塵向司機工作區(qū)擴散量高于順風(fēng)割煤.

4　結(jié)　　論

　　(1) 空氣幕是一種較好的隔塵裝置，其作用相當(dāng)于在采煤工作面司機與煤壁側(cè)中間形成一道“無形透明屏障”，以阻止工作面截煤過程中粉塵，尤其是阻止粒徑小于5 μm呼吸性粉塵向司機處的擴散，從而保證了采煤機司機工作區(qū)空氣的新鮮，給綜采工作面司機創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境.
　　(2) 空氣幕隔塵技術(shù)盡管不是直接降塵，但大量的粉塵被阻隔在靠煤壁側(cè)，有利于提高噴霧捕塵降塵的效率，從而降低整個工作面的粉塵濃度.
　　(3) 現(xiàn)場應(yīng)用證明，空氣幕隔塵效果非常明顯，隔離呼吸性粉塵效率均在80%以上，與其它防塵措施相比，具有體積小，不影響司機的視線和操作，簡單方便，投資少，功率小，不影響工作面通風(fēng)風(fēng)流等特點.但對于不同采高的工作面，需設(shè)計不同特性參數(shù)的隔塵空氣幕.

基金項目：原煤炭工業(yè)部發(fā)展計劃項目(96-360)
作者簡介：王海橋(1962-），男，湖北人，副教授，1983年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院.現(xiàn)從事通風(fēng)與安全的教學(xué)與科研工作，發(fā)表論文近30篇，出版專著1部，主持國家自然科學(xué)基金項目1項，主持或參與的省部級課題3項.
　　施式亮(1962-），男，浙江人，副教授，1988年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學(xué)院，獲碩士學(xué)位，1996年考入中南工業(yè)大學(xué)攻讀博士學(xué)位.現(xiàn)從事安全技術(shù)及工程的教學(xué)與科研工作，主持或參與省部級課題4項，發(fā)表論文近20篇.
作者單位：王海橋（湘潭工學(xué)院 資源工程系，湖南 湘潭　411201）　
施式亮（湘潭工學(xué)院 資源工程系，湖南 湘潭　411201）　
劉榮華（湘潭工學(xué)院 資源工程系，湖南 湘潭　411201）　
劉何清（湘潭工學(xué)院 資源工程系，湖南 湘潭　411201）

參考文獻(xiàn)：

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［2］周謨?nèi)? 流體力學(xué)泵與風(fēng)機［M］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1985
［3］許鐘麟.空氣潔凈技術(shù)原理［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，1998