刘玉全：煤矿的防尘与二次降尘设计论文.doc

掘进工作面防尘设计张元亮摘 要：掘进工作面是煤矿最主要的产尘点之一。随着机械化掘进程度的不断提高，巷道断面的不断加大，采用单一的降(除)尘技术和措施越来越不能满足生产的需要。本论文的论题是掘进工作面的综合除尘设计。它主要讲采掘机截割粉尘的成因及控制方法的研究。论文从掘进工作面粉尘的构成入手，确定了掘进工作面粉尘产生的根源-截割产尘.通过对截齿破煤机理,煤层性质, 截齿类型与参数,工作机构结构与参数,掘进机工作方式等方面的研究,以及对大量的尘检测数据的收集,分析,建立了掘进机截割粉尘间的关系。关键词：呼吸性粉尘 浮游矿尘 沉积矿尘 矿尘粒度 矿尘的分散度 矿尘的湿润性 最低排尘风速 最优排尘风速 比表面积1.1 工程概况四矿北二区1316中顺巷于二区2.0米主绞车道交岔点以北20米处开口，开口标高-467m，施工坡度1125。半圆拱形断面，净宽3550mm，净高3000mm，S净=11.4m2，S掘=14.1m2。设计工程量20m，过煤段采用架U36金属棚子支护,棚间距400mm,之后喷浆封闭。1.2 煤层及瓦斯根据地质资料推算，开口位置地面标高+475m，戊9-10煤层底板标高-257m，煤层埋深497m，该范围内的戊9煤层厚度1.3m，戊10煤层厚度2.0 m,中间夹1.2 m厚的泥岩。顶板为细砂岩，底板为泥岩，煤层倾角79，预计穿煤距离15m。根据瓦斯等级划分，在四矿水平地区-350 m以上的戊9-10为低沼煤层，。此次穿过的戊9-10煤层埋藏浅（底板标高-257m），瓦斯含量较低，属低沼煤层。但施工过程中按高沼煤层管理,因此，检修道施工过程中应严格加强瓦斯管理工作。1.3 掘进工作面尘源及粉尘性质分析掘进机截割产尘的机理机掘工作面粉尘的构成1产尘是岩体破碎过程的固有特性,掘进机掘进巷道的作业过程既是一个产尘的过程.掘进工作面粉尘有以下几部分组成;（1） 掘进机掘进过程中煤岩破碎产生的分尘,即原生粉尘,它包括煤岩受到截齿的压碎和摩擦作用产生的粉尘,占掘进工作面粉尘的80%以上.（2） 煤块塌落后与机器和地面碰撞,挡煤板, 运输溜子转载造成的摩擦破碎形成的粉尘.（3） 由于地质作用,煤层发生错位,断裂,在裂隙中存在的粉煤,在掘进过程中暴露出来,形成粉尘.（4） 随着进风流带入机掘工作面的尘粒。对于这个量可以通过认真合理的安排地面设备而使之减到最小值。（5） 工作面上沉积的粉尘在开采作业过程中或通风过程中又被扬起，即次生粉尘。由以上可以看出机掘工作面的粉尘主要是有掘进机截齿截割煤体时产生的，所以有必要分析一下截割过程的产尘机理。2 截割产尘机理当尖锐的截齿截割煤岩时，在接触点处将产生很高的接触应力，随着截割力的增大，接触应力也随之增大到极限值，这样就在接触点处首先产生破碎。由于破碎发生在很小的区域内，破碎颗粒也比较小，并且接触点附近一般处于受三向压应力状态，因此这部分破碎体一般难以排除刀外，随着截齿的前进，这部分破碎体再次遭到破碎，直到形成密实的煤粉核（又叫密实核或压固核），这时截齿的能量才得以通过煤粉核会传递给周围煤岩。在煤粉核与未破碎的煤烟体间的过渡区域是众多微裂纹的集合体，随着截割力的继续增大。某些分布位置有利的裂纹开始失稳扩展，当截齿载荷达到临界值时，裂纹开始失稳扩展，迅速达到自由面，同时剩余能量释放，使得碎块崩出，这就解除了煤粉核的约束状态，煤粉核本身积聚的能量也突然释放出来。 2012年3月10日2012年3月22日随工程进度的测尘的数据如下表所示2012年3月10日2012年3月22日随工程进度的测尘表 地点煤岩别掘进机作业操作掘进机打眼放炮装岩多工序作业平均值打锚杆眼打锚杆砌碹喷浆拌料装卸料四矿北二区1316中顺巷岩1.82.41.81.51.91.41.61.91.40.8四矿北二区1316中顺巷岩1.72.51.91.51.91.51.81.71.60.7四矿北二区1316中顺巷煤8.19.58.38.58.68.27.96.9四矿北二区1316中顺巷煤7.810.59.28.397.88.96.9四矿北二区1316中顺巷煤8.39.87.48.18.48.27.67.3四矿北二区1316中顺巷煤7.99.97.788.48.47.57.7四矿北二区1316中顺巷煤7.89.97.68.38.48.18.56.5四矿北二区1316中顺巷煤9.68.77.68.68.38.87.8四矿北二区1316中顺巷煤10.18.98.59.27.48.37.5四矿北二区1316中顺巷煤128.59.29.98.58.57.4四矿北二区1316中顺巷煤108.58.69.27.98.48.2四矿北二区1316中顺巷煤9.78.48.38.88.59.18.2经分析本次设计就是属于无机尘，具有亲水性，矿尘粒度、分散度大，分散度约为60%80%。1.4 掘进工作面除尘设计 掘进工作面是煤矿最主要的产尘点之一。随着机械化掘进程度的不断提高，巷道断面的不断加大，采用单一的降(除)尘技术和措施越来越不能满足生产的需要。1.4.1 掘进工作面掌子头（3至5米）处的除尘方案。矿井通风排尘是指稀释与排出矿井空气中的粉尘的一种除尘方法。矿内各个产尘点在采取了其他防尘措施后，仍会有一定量的粉尘进人矿井空气中，其中绝大部分是小于10微米则的微细粉尘，如果不及时通风稀释与排出，将由于粉尘的不断积聚而造成矿内空气的严重污染，危害矿工的身心健康。矿井通风排尘是矿井综合防尘的重要一环，要更好地发挥通风排尘的作用，首先需要掌握粉尘在空气中的运动规律。 1.4.1.1 粉尘在空气中的特性尘粒在空气中运动特性的研究属于气固两相流体力学范畴。对于通风排尘产生影响的尘粒运动特性主要有尘粒的沉降、扩散及抛射。粉尘的沉降规律尘粒在静止的空气中靠重力沉降，并受到气体的浮力和阻力的影响；当尘粒由静止状态开始降落时，降落的速度很小，阻力亦很小， 与此同时，沉降过程中尘粒的沉降速度不断增加，尘粒呈加速运动。随着降落速度的增加，阻力亦随之增大，当阻力、浮力、重力平衡时伞粒的沉降速度将达到最大的也是恒定的数值，尘粒即以此数值作等速运动，此时的速度VxVpc，称为尘粒的沉降速度.当尘粒达到沉降速度作等速沉降时，加速度为零。的球形矽尘在静让空气中()的沉降速度。粉尘粒子的扩散由于布朗运动，在某一空间内的微小的粉尘粒子数目将随时变化，这一数量浓度随时间的变化进程，宏观上称作扩散现象。粒子从高浓度区域向低浓度区域扩散，逐渐使浓度均一化。扩散速度的程度用扩散系数Dk表示，见表450在矿井生产中，由于扩散作用将增加宁气中的粉尘浓度，而对降尘措施产生不利影响。扩散系数计算方法如下：x微小尘粒在t秒钟内向一定方向作布朗运动的距离Pm；扩散系数，c计人；波尔兹曼常数：KLR气体常数，8205cm atm(molK)；N阿弗加德罗常数，mol (602)T绝对温度，K.在矿井中，粉尘扩散所受的作用力主要有重力、机械力和风力。与矿井风流力引起的扩散速度相比，微细粉尘靠重力扩散的速度十分小重力作用不能脱离风流的控制。粉尘受到机械力的作用可获得较高的初速度，但速度的衰减亦很快，使矿井粉尘扩散和运动的主要作用力是风流力。按风流力的不同作用，大体可分为以厂两种气流：一次尘化气流一次尘化气流是在产尘过程中产生的气流，是使粉尘飞扬扩散于矿井作业空间的主要动力。它包括惯性运动诱导产生的气流，如车辆运行、大块矿岩屑的飞溅等；爆破冲击波气流以及矿岩下落时与空气产生阻力而引起向四周分散的剪切气流等。从防尘角度讲，应具体分析了解每一生产工艺中产生一次尘化气流的过程，采取相应措施，尽量减小其对粉尘的扩散作用或将气流控制于一定的空间内。二次尘化气流二次尘化气流是由外部进入的气流，主要是矿内气流，其他如凿岩机漏气等亦属于此。二次气流使飞扬于空气中的粉尘向更大范围扩散和运动。控制其造成污染的最好方法是加强通风、排出粉尘。尘粒的抛射粒度不同的尘粒以很大的初速度通过空气抛出，然后由于空气的摩擦阻力，尘粒运动速度减慢，最终由于重力作用而达到沉降。在井下回采时的截割、装运、掘进中的钻进及各种装卸工序中都有尘粒的抛射现象发生。设20，=4.0 ，计算不同时间内的尘粒抛射速度及水平运动距离的数值。1.4.1.2 粉尘在矿井风流中的运动粉尘的悬浮与运动对于紊流运动，风流除了在流动方向上具有速度外，横向上还有脉动速度。粉尘在风流中运动，必须处于悬浮状态。使粉尘处于悬浮状态的风速称为悬浮速度，其值与粉尘的沉降速度相等，方向向反。在平巷中，风流方向与粉尘沉降方向垂直，风流的推力对粉尘的悬浮没有直接的作用，使粉尘悬浮的主要速度，是垂直方向的脉动速度，所以必须是紊流而且要有足够大的风速。在垂直井巷中，风速方向与粉尘沉阵方向平行，只要风速大于粉尘的悬浮速度，粉尘即能随风流一起向上运动。粉尘随风流运动时，由于有风流的横向速度、粉尘的沉降速度以及尘粒形状不规则等因素的影响，其不是作直线运动，而是在作不规则的曲线运动。粉尘颗粒间、尘粒和巷壁之间均存在有摩擦、碰撞以及粘着作用。因此，含尘空气在运动中粉尘浓度将发生变化。最低排尘风速能促使呼吸性粉尘保持悬浮状态，并随风流运动的最低风速，称为最低排尘风速。在平巷中，能够使粉尘悬浮并随风流运动的前提是风流处于紊流状态，并且紊流的横向脉动速度Vm的均方根值要大于尘粒在静止空气中的沉降速度Vpc，即实际工作中，可按下式计算煤矿粉尘的最低排尘风速：式中 a巷道或管路的摩擦阻力，。这就是粉尘保持悬浮状态所要求的风速条件，依式(419)计算的风速即为最低排尘风速.在实验宝和矿井巷道中，对最低排尘风速进行了专门的实验研究，结果认为，巷道平均风速为0.15m/s时，能使57的粉尘在无支护巷道中保持悬状态，并使随风流运动的粉尘，在断面内的分布均匀。因此，煤矿安全规程规定：运输巷、采区进回风道、回采工作面、掘进中的煤巷及半煤岩巷，允许最低风速为0.25m/s；掘进中的岩巷、其他通风人行巷道允许最低风速为0.15m/s。最优排尘风速排尘风速逐渐增大，能使较大的尘粒悬浮并将其带走，同时增强了稀释作用。在连续产尘时，粉尘浓度随着风速的增加而降低，说明增加风量，稀释作用是主要的。当风速增加到一定数值时，粉尘浓度可降低到一个最低值。风速再增大时，粉尘浓度将随之再次增大，说明已沉陷的粉尘被再次吹扬，此时风流造成的吹扬起着主导作用，而稀释作用处于次要地位。一般将能使粉尘达到最低浓度的风速，称作最优徘尘风速。最优诽尘风速在一般干燥巷适中为12m/s2m/5，它也受到一些因素的影响，如工作区有扰动，促使粉尘飞扬，则最优排尘风速值要降低。在潮湿巷道，粉尘不易被吹扬起来，在较高的风速范围(5m/s6m/s以下)，稀释作用为主，粉尘浓度随风速的增加而下降。粉尘的二次飞扬沉积于巷道底板、周壁以及矿岩堆等处的粉尘，当受到较高风速的风流作用时能再次被吹扬起来形成粉尘的二次飞扬。能够使粉尘二次飞扬的风速大小，受到粉尘浓度、密度、形状、湿润程度、附着情况等许多因素的影响。根据试验观测资料一般进风井口必须布置在不受粉尘、灰土、有害或高温气体侵入的地方，尽量减少进风井口的尘源，定期清洗井巷附近的路面、井巷风流的喷雾净化等。井内净化一般采取在进风巷道中安装水幕的方法，这种方法可以达到2560的降尘效果，若在水中添加表面活性剂还可进一步提高净化效果。此外，还可采取静电过滤风源、冷凝过滤等方法进行巷通风流的净化。冷凝法过滤风源的原理是，使蒸汽在粉尘上凝结并遇冷变成尘雾粒沉降，其净化效果较高可达90以上。采用长压短抽式通风系统除尘。（如图）1.4.1.3 长压短抽式通风系统技术要求（1）压、抽风筒口相互位置的关系，包括：长压短抽时：lr5S（S为巷道段面积）；ld2S；lc4m。（2）压、抽风量的配合，包括：长压短抽时：压入式风筒出口风量应比抽出式风筒入口风量大20%30%，以保证工作面不出现循环风。（3）长压局部通风机的安装位置，包括：长压局部通风机应安装在掘进巷道口进风侧，距巷道口的距离大于10m。1.4.1.4 通风系统（1）、通风线路：新鲜风流从地面副井丁戊组石门主斜井中部联巷由风机经600mm风筒进入掘进工作面。（2）、 乏风由联络巷工作面主斜井中部联络巷丁戊组石门串入四矿用风工作面。1.4.1.5 局部通风设计1、风机选型计算与风机选型1）风机选型计算：按工作面最多人数计算Q掘=4NK=4251.15=115m3/min式中:N掘进工作面同时工作的最多人数K风量备用系数取1.15按一次起爆最大炸药用量计算Q掘=KA=7.3725.35=186.8 m3/min式中：Q掘掘进工作面所需风量m3/minK系数，全断面一次爆破取小值，分次放炮取大值K=7.37-9，取7.37A一次爆破最大炸药用量按风速验算V1S掘Q掘V2S掘600.258.98Q掘6048.98134.7Q掘2155.2式中：S掘-揭穿煤时巷道最大掘进断面面积 V1-巷道允许最低风速 V2-巷道允许最大风速2、风机选型根据以上计算，掘进工作面需风量不得小于186.7m3/min，故选型在确保安全的同时考虑经济合理，结合现有设备情况，选用两台215KW对旋轴流式局部通风机（一台工作，一台备用），215KW对旋轴流式局部通风机性能：风量260447m3/min。选用两台210KW对旋轴流式局部通风机（一台工作，一台备用），210KW对旋轴流式局部通风机性能：风量175298m3/min。3局部通风方式采用压入式局部通风方式，安设两台215KW的对旋轴流式局部通风机（一台备用），双风机双电源，自动倒台灵敏可靠；并设风电闭锁，瓦斯电闭锁。4局扇安设在新副井井底大巷，两道防突风门以外的新鲜风流中。5风筒选型风筒选用800mm，长度10m/节的阻燃胶质风筒，接头采用反压边正向接头，风筒末端距工作面不小于5m。1.4.1.6 掘进工作面放炮自动喷雾装置结构主要由喷嘴、放炮喷雾主体、重锤、翻版及控制阀等组成，（如图1）原理是： 当掘进工作面放炮后，爆破冲击波将翻板6掀到图所示的虚线位置，重锤5落下，同时风水管路的阀门3被打开，压风管9和进水管8与喷嘴1联通，高压风与静压水同时进入管内，水在高压风的作用下从喷嘴l喷出水雾，起到消尘作用。为了防止水倒流进入压风管内，在进风管上安设逆止阀4。另外，为了保证风压高于水压在01MPa，进风管和进水管上分别安设了风压调节阀7，进行人工调节风水压力比，以获得满意的效果。1.4.1.7 水幕净化风流水幕是在敷设于巷道顶部或两帮的水管上间隔地安上数个喷雾器喷雾形成的，如图1-5所示。喷雾器的布置应以水幕布满巷道断面为原则，并尽可能靠近尘源，缩小含尘空气的弥散范围。净化水幕应安设在支护完好、壁面平整、无断裂破碎的巷道段内。一般安设位置为： 图5-1 巷道水幕示意图矿井总入风流净化水幕：距井口20100m 1水管；2喷雾器巷道内；采区入风流净化水幕：风流分叉口支流里侧2050m巷道内；采煤回风流净化水幕：距工作面回风口1020m回风巷道内； 掘进回风流净化水幕：距工作面3050m巷道内；巷道中产尘源净化水幕：尘源下风侧510m巷道内。水幕的控制方式可根据巷道条件，选用光电式、触控式或各种机械传动的控制方式。选用的原则是既经济合理又安全可靠。在徐州董庄矿曾做过试验，在距掘进工作面20、40和60 m处各设了一道水幕，工作面含尘风流经第一道水幕后降尘率为5960.5，经第二道水幕后降尘率为78.280，经第三道水幕后，矿尘浓度只有0.78mgm3，降尘率达到98.6。风流净化水幕用水量： （q0.10.15m3/h）风流净化水幕用水量；n水幕喷嘴的个数；q喷嘴喷雾的流量； 1.4.1.8 机掘工作面综合防尘系统掘进工作面的基本情况，综合防尘系统采用了高压外喷雾高效降尘系统、机载液动除尘器抽尘净化系统和光控自动水幕除尘系统，总体安装布置如图1。1高压外喷雾降尘系统2原理及特点喷雾降尘是降低煤矿采掘工作面粉尘浓度的有效措施之一。外喷雾的降尘效果在很大程度上取决于截割滚筒周围是否能形成均匀的喷雾水幕，以阻止粉尘向外扩散并消除尽可能多的粉尘。高压喷雾具有雾粒细、速度高、射程远、水量较小、覆盖面积大、降尘效率高，喷嘴不易堵塞等显著优点，在煤矿防尘中得到广泛应用。3系统组成与配套安装高压外喷雾降尘系统主要由高压喷雾泵站(高压喷雾泵、自动控制水箱、防爆开关)、KI13高压胶管和高压喷嘴组成。高压喷雾泵站安装在桥式转载机靠高帮侧的巷道内。高压喷雾泵站利用KJ13高压胶管与高压喷嘴相连。高压喷雾泵站随着掘进机的不断前进需要每天向前移动一次。根据高压喷嘴的基本性能参数可知：高压喷嘴离截割滚筒太近，高压喷雾水流到达滚筒时没有充分打开，而且喷雾中心速度到达煤壁时的速度过大，不利于喷雾水对粉尘的控制，同时还容易将已割的浮煤重新吹扬起来，造成粉尘的二次飞扬；高压喷嘴过远，又不能在割煤过程中对粉尘产生的瞬间将粉尘控制，当粉尘飞扬起来后，更不容易将粉尘控制。根据掘面的实际情况和试验情况，高压喷嘴离迎头11.5m时喷雾降尘效果比较理想。6个高压喷嘴平均布置在环形喷嘴座上，喷嘴座由40，壁厚5mm的2个半圆圈组成，用M20150mm的螺栓将2个半圆形喷嘴座紧连在摇臂上。高压喷雾的压力越高，雾化效果越好，控尘和降尘效果越显著。但雾粒越细抗吹散能力越低，雾粒会在压人式供风作用下被吹散而弥漫整个巷道，影响掘进机司机的视线。因此在有效降尘的情况下，应尽量减小喷雾压力。经过试验，泵出口压力降到68MPa时，司机能比较清楚的看到截割头，粉尘浓度上升并不明显，因此在实际使用过程中将泵的出口压力调到68MPa比较合适。4机载液动除尘器除尘系统（1）原理及特点机载液动除尘器是由掘进机液压系统高压油直接驱动的掘进机机载除尘净化装置。液动除尘器除具有控制掘进机作业所产生粉尘并实现就地净化的功能外，它对风流的强抽吸作用还能增强掘进机切割头附近风流的流动速度，防止瓦斯在切割头附近积聚，提高了掘进机作业的安全性。除尘器安装在掘进机机身平台上，吸风口直接抽吸掘进机割煤所产生的含尘气流，从而可以很方便地随掘进机一起移动，由掘进机司机直接控制除尘器的运行。通过调节供给液压马达的油量，可实现对风机的无级调速，获得不同的处理风量，以适应不同压人式供风量的要求。除尘器具有体积小、净化粉尘效率高、功耗低、耗水量少、维护简单等特点。（2）配套安装1)将除尘器固定在掘进机机面上靠高帮侧，其吸风口超过操作司机位置前2m；2)除尘器的进风集流器对准粉尘扩散源或含尘风流的扩散通道；3)用适当长度的排污软管将除尘器的排污水引向桥式转载机，实现排污；4)除尘器油路系统利用ELMB一75C型掘进机的振动泵液压系统，将除尘器上标有进、回油及泄油管路与振动泵的进、回油及泄油管路直接对接；5)除尘喷雾用水为掘进机外喷雾用水。5巷道光控净化水幕在掘面除采用高压外喷雾及机载液动除尘器除尘系统外，对于未被沉降处理进入回风流的粉尘，在距迎头15m的位置安装1道光控净化水幕。喷雾架安装在桥式转载机上，可以随机移动，喷雾采用低压水，可实现当人员接近水幕时，自动停止喷雾，人员远离水幕时自动打开喷雾。6压入式风筒口距综掘面迎头的距离压入式风筒口距综掘面迎头的距离直接影响综合防尘的效果。距离过小则工作面产生的粉尘和高压喷雾雾粒极易被强大的风流带出工作面，不利于机载除尘器的收尘。距离过大则排尘风速过小，不易形成吹、吸气流和有效排出瓦斯。根据实际情况和对压人式风筒口距综掘面迎头距离的试验情况，当压人式风筒口距迎头4.5m时使用综合防尘系统的降尘效果达到相对最佳，为保证正常的生产需要和达到比较好的降尘效果，压人式风筒口距综掘面迎头的距离可以