综采工作面司机处粉尘隔离技术的研究及实践文档格式.docx

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文章编号：

0253-9993（2000）02-0176-05

Researchandapplicationofdustisolationtechnologyatdriverspositioninfully-mechanizedcoalface

WANGHai-qiao　SHIShi-liang　LIURong-hua　LIUHe-qing

（XiangtanEngineeringInstituteUniversity,Xiangtan　411201,China）

Abstract：

Basedonthetheoryofairjetinthehydraulicmechanics,theprinciplesandmethodsofrespiration-dustisolationwithaircurtainatdriverspositioninthefully-mechanizedcoalfacearestudiedtheoreticallyandexperimentally.Theaircurtainformeda“immaterialityandtransparentobstacle"

betweenthedriversworkingareaandthecoalwalltopreventthedustfrommovingtowardsthemachinedriver.Theeffectofthetechnologyappliedintheworkingsiteisgood,andtheaverageefficiencyofisolatingbreathing-dustis82.3%.

Keywords：

fully-mechanizedcoalface;

aircurtain;

isolation;

dust;

efficiencyofisolationdust

　　在煤炭生产过程中，有大量的粉尘产生，尤其是综采工作面采煤机截煤过程产生的粉尘占工作面总粉尘的60%～85%以上.目前，国内外机械化采煤工作面的降尘措施主要是采用通风排尘、喷雾降尘、湿润煤体降尘等.但采用这些措施后仍然有大量的粉尘，特别是呼吸性粉尘扩散到采煤机司机工作区，使得采煤机司机长期处于高浓度粉尘存在的恶劣作业环境中，对司机的身心健康构成了严重威胁和损害.空气幕隔尘技术是在结合其它降尘措施的基础上，采用一种无形透明屏障——空气幕，将未降落的粉尘，特别是呼吸性粉尘隔离在采煤机司机工作区以外，降低粉尘对采煤机司机的危害.实践证明，空气幕隔尘效果明显，尤其是对呼吸性粉尘有较高的隔尘效率.

1　空气幕隔尘理论

1.1　空气幕隔尘原理

　　空气幕是使空气以一定的风速从条缝风口吹出而形成的隔断气帘.空气幕隔尘就是利用喷射气流的射流原理使污染源散发出来的污染物与周围空气隔离，以保证工作区的卫生条件.采煤工作面空气幕的作用在于使滚筒截煤时向采煤机司机扩散的微尘折转向上，并携带周围的空气冲向顶板，气流同时向两侧分散，微尘被阻隔在煤壁侧，同时煤壁侧的粉尘被工作面风流带走.

　　空气幕在采煤工作面司机与煤壁之间形成一道“无形透明屏障”，其隔尘作用相当于在采煤司机与煤壁间增加一个附加阻力层，以阻止粉尘从煤壁侧向司机处扩散.空气幕的隔离作用并不是像固体壁一样阻挡尘粒的穿透，而是由空气幕不断卷吸煤壁侧的含尘空气，稀释和带走卷吸进来的含尘空气，使得尘粒不能穿透空气幕，只有少数尘粒可能由于气流的横向脉动进入空气幕的中心区，一部分穿透空气幕射流的尘粒又进入司机侧的空气幕卷吸流中而随空气幕气流运动上升扩散带到司机的非呼吸带，从而保证司机呼吸带空气的清洁，达到隔尘的目的，如图1所示.

图1　空气幕隔尘

Fig.1　Thedistrictoftheworkingfacewiththeisolating-dustaircurtain

1.2　综采工作面空气幕隔尘理论计算

　　空气幕射流不断卷吸两侧气流并与空气幕出口气流混合后射向顶板，然后向两侧扩散.同时，空气幕还有抵抗横向气流的作用而阻止粉尘穿透空气幕.在分析空气幕隔尘效果时，忽略横向气流的作用，并且仅考虑空气幕隔离呼吸性粉尘，因为呼吸性粉尘的粒径小，完全随风流运动，即使获得了运动初速度，根据文献［1］，其运动距离也非常小，对粉尘的运动[换行]影响很小.

　　综采工作面空气幕沿工作面纵向布置在采煤机上，工作面风流在气幕处如图2所示被分成两条风路：

①靠煤壁侧为污染区；

②靠司机侧（行人侧）为控制区.假定采煤机滚筒产尘是连续的，污染区的粉尘浓度均匀分布，空气幕风量较工作面风量小得多，可忽略空气幕风量对工作面风流的影响，则空气幕卷吸风量［2］为

图2　综采工作面空气幕平面布置

Fig.2　Planelayoutofaircurtaininworkingface

Na，Nb——空气幕煤壁侧（污染区）、司机侧（控制区）的呼吸性粉尘浓度，mg/m3；

N0——空气幕上风流中的粉尘浓度，mg/m3；

qa，qb——空气幕煤壁侧（污染区）、司机侧（控制区）的风量，m3/s；

G——空气幕煤壁侧产尘量，mg/s；

Va，Vb——空气幕煤壁侧、司机侧的空间体积，m3；

q0——空气幕的出口风量，m3/s

式中，b0为空气幕出口半宽度，m；

h为空气幕出口到顶板的高度，m；

α为平面射流的紊流系数，一般取α=1.2.

　　由于空气幕卷吸了煤壁侧的粉尘，在空气幕射流中混合后射向顶板并向两侧扩散，因此煤壁侧的呼吸性粉尘由空气幕射流卷吸扩散，少部分被带到了司机侧.此后，空气幕仍不断卷吸两侧空气，并不断向两侧扩散.根据质量守恒原理，进入控制区或污染区的总粉尘量应等于从控制区或污染区排出的总粉尘量.由于工作面不断通风，经过一定时间后，其两侧浓度达到稳定值［3］.

　　在煤壁侧（污染区），进入的粉尘有采煤机滚筒截煤时的产尘及空气幕上风流中所含有的粉尘；

排出的粉尘有空气幕卷吸并混合后一部分扩散到司机侧的粉尘及煤壁侧通风排尘带走的粉尘.

　　在司机侧（控制区），进入的粉尘有空气幕上风流中所含有的粉尘及空气幕卷吸煤壁侧的粉尘后扩散到司机侧的一部分粉尘；

排出的粉尘有空气幕行人侧通风排尘带走的粉尘.

　　根据上述分析，控制区和污染区瞬时粉尘浓度变化可表示为

（1）

（2）

　　用微分算子法求解方程

（1），

（2）.当t→∞，浓度达到稳定后的解为

（3）

（4）

　　为了考察空气幕的隔尘效果，不计空气幕上风流工作面通风风流中的粉尘含量，即N0=0，则

（5）

（6）

2　空气幕隔尘效果模拟实验[换行]分析

2.1　空气幕隔尘效果

　　根据式（5），（6），可计算空气幕两侧浓度比为

Nb/Na=（q′/4）/（q′/4+qb）.

（7）

　　式（7）表明，隔尘空气幕两侧浓度比与控制区（司机侧）的风量及空气幕的卷吸风量有关.当控制区的风量大时，空气幕两侧浓度比降低，这主要是风量的增大提高了控制区的稀释能力.qb的大小与空气幕的安装位置有关，但根据工作面的实际情况，空气幕只能安装在采煤机机身上，在采煤工作面断面和通风量一定的情况下，qb是一个定值.从式（7）还可看出，q′越小，空气幕隔尘效率越高.对于平面射流空气幕来说，只要空气幕有平面射流形成，则q′>

0.因此要提高空气幕的隔尘效率，就要提高空气幕射流特性使空气幕的卷吸风量尽量小.q′的大小与空气幕的主要设计特性参数，即出口风速和出口宽度有关.

2.2　空气幕隔尘模拟实验分析

　　为进一步定量分析空气幕出口风速和出口宽度对隔尘效果的影响，在实验室的模拟风道进行了模拟实验.根据几何相似、运动相似和动力相似原则，设计的模拟风道为550mm×

600mm×

6000mm（高×

宽×

长），并设计了4种不同出口宽度的条缝形空气幕.在模拟采煤机滚筒产尘的情况下，对4种不同宽度的空气幕在不同出口风速条件下的隔尘效果进行了测定,其结果如图3所示.

图3　空气幕隔尘效果与其出口宽度、出口风速之间的关系

Fig.3　Therelationbetweentheisolatingdustwiththewidethandtheairspeedoftheoutlet

1～4——出口宽度分别为10，15，20，25mm

　　实验结果表明：

空气幕出口宽度越大，空气幕两侧的粉尘浓度比越小，说明空气幕的隔尘效果越好.但隔尘效率并非随空气幕出口宽度的增大而呈线性增大.当出口宽度达到20mm后，再继续增大，空气幕的隔尘效果提高不很明显.而且，空气幕出口宽度的增大，空气幕风量增大，对工作面流场有一定的影响，因此，空气幕的出口宽度设计为20mm比较合理.由于只有当空气幕射流到达顶板才有隔尘作用，因此为了抵抗工作面风流的影响，空气幕射流的末端风速必须大于工作面平均风速.

3　隔尘空气幕的应用

　　根据邢台矿业（集团）有限责任公司葛泉煤矿1326综采工作面MPX-240W双滚筒采煤机的实际条件及模拟实验结论设计了隔尘空气幕，其单台空气幕参数：

q0=0.138m3/s，出风口宽度2b0=20mm，长度l=1.5m，出口初速度v0=4.6m/s.采用159×

4.5无缝钢管作为空气幕的主体风筒，在主体风筒侧沿切线方向切缝制作条缝出风喷口，其有效宽度为20mm.为了提高空气幕出口射流特性，在条缝出风喷口上每隔30mm设置一个导风片，空气幕风筒内设置圆锥形斜面阻体以实现均匀送风.空气幕轴流风机安装在空气幕的一端.在采煤机机身上安装了2台空气幕，如图4所示.

图4　安装在采煤机上的空气幕

Fig.4　Theisolating-dustaircurtainmountedonthecoalminingmachine

　　在1326综采工作面两种不同风量的条件下，用5台ACH-1型呼吸性粉尘测定仪在采煤机上风流没有其它工序影响的情况下，分顺风割煤和逆风割煤分别同时测定司机处测点的呼吸性粉尘浓度.从1997-09-26至1997-10-16，共进行了23个采煤作业班的粉尘测定，测得数据484组.根据测尘结果，空气幕在1326综采工作面司机处对呼吸性粉尘隔尘效率见表1.

表1　1326综采工作面空气幕对司机处呼吸性粉尘的隔尘效率

Table1　Theisolating-dustefficiencywithaircurtainatdriver'

spositionin1326face参　　数采煤机顺风割煤采煤机逆风割煤工作面风量

205m3/min工作面风量

334m3/min工作面风量

[换行]205m3/min工作面风量

334m3/min不开空气幕司机处呼尘平均浓度/mg.m-3

19.682

12.262

28.546

16.708开空气幕司机处呼尘平均浓度/mg.m-34.0603.1085.0064.116上风流含呼尘平均浓度/mg.m-31.1200.8301.1200.830开空气幕后呼尘绝对降尘量/mg.m-315.6229.15423.54012.592开空气幕后呼尘相对降尘率/％84.1680.0785.8379.30呼尘平均相对降尘率/％82.34

注：

表中呼尘即为呼吸性粉尘.

　　从表1测量统计的数据看，在两种割煤方向和两种通风量条件下，空气幕在司机处对呼吸性粉尘的隔尘效率可达79.30%～85.83%，平均为82.34%，说明空气幕对呼吸性粉尘有较好的隔尘效果；

从绝对隔尘量看，逆风割煤绝隔尘量高于顺风割煤，这主要是由于采煤机逆风割煤时粉尘向司机工作区扩散量高于顺风割煤.

4　结　　论

（1）空气幕是一种较好的隔尘装置，其作用相当于在采煤工作面司机与煤壁侧中间形成一道“无形透明屏障”，以阻止工作面截煤过程中粉尘，尤其是阻止粒径小于5μm呼吸性粉尘向司机处的扩散，从而保证了采煤机司机工作区空气的新鲜，给综采工作面司机创造了良好的工作环境.

（2）空气幕隔尘技术尽管不是直接降尘，但大量的粉尘被阻隔在靠煤壁侧，有利于提高喷雾捕尘降尘的效率，从而降低整个工作面的粉尘浓度.

　　（3）现场应用证明，空气幕隔尘效果非常明显，隔离呼吸性粉尘效率均在80%以上，与其它防尘措施相比，具有体积小，不影响司机的视线和操作，简单方便，投资少，功率小，不影响工作面通风风流等特点.但对于不同采高的工作面，需设计不同特性参数的隔尘空气幕.

基金项目：

原煤炭工业部发展计划项目（96-360）

作者简介：

王海桥（1962-），男，湖北人，副教授，1983年毕业于阜新矿业学院.现从事通风与安全的教学与科研工作，发表论文近30篇，出版专著1部，主持国家自然科学基金项目1项，主持或参与的省部级课题3项.

　　施式亮（1962-），男，浙江人，副教授，1988年毕业于淮南矿业学院，获硕士学位，1996年考入中南工业大学攻读博士学位.现从事安全技术及工程的教学与科研工作，主持或参与省部级课题4项，发表论文近20篇.

作者单位：

王海桥（湘潭工学院资源工程系，湖南湘潭　411201）　

施式亮（湘潭工学院资源工程系，湖南湘潭　411201）　

刘荣华（湘潭工学院资源工程系，湖南湘潭　411201）　

刘何清（湘潭工学院资源工程系，湖南湘潭　411201）

参考文献：

［1］谭天佑，粱凤珍.工业通风除尘技术［M］.北京：

中国建筑工业出版社，1984

［2］周谟仁.流体力学泵与风机［M］.北京：

中国建筑工业出版社，1985

［3］许钟麟.空气洁净技术原理［M］.上海：

同济大学出版社，1998