綜采工作麵司機處粉塵隔離技術的研究及實踐

摘　要：根據流體力學中空氣射流理論，從理論和實驗上研究了空氣幕隔離綜采工作麵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，應用於現場效果明顯，平均隔離呼吸性粉塵效率達82.34%.
關鍵詞：綜采工作麵；空氣幕；隔離；粉塵；隔塵效率
中圖分類號：TD714⁺.43　　　文獻標識碼：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

　　在煤炭生產過程中，有大量的粉塵產生，尤其是綜采工作麵采煤機截煤過程產生的粉塵占工作麵總粉塵的60%～85%以上.目前，國內外機械化采煤工作麵的降塵措施主要是采用通風排塵、噴霧降塵、濕潤煤體降塵等.但采用這些措施後仍然有大量的粉塵，特別是呼吸性粉塵擴散到采煤機司機工作區，使得采煤機司機長期處於高濃度粉塵存在的惡劣作業環境中，對司機的身心健康構成了嚴重威脅和損害.空氣幕隔塵技術是在結合其它降塵措施的基礎上，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速從條縫風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汙染源散發出來的汙染物與周圍空氣隔離，以保證工作區的衛生條件.采煤工作麵空氣幕的作用在於使滾筒截煤時向采煤機司機擴散的微塵折轉向上，並攜帶周圍的空氣衝向頂板，氣流同時向兩側分散，微塵被阻隔在煤壁側，同時煤壁側的粉塵被工作麵風流帶走.
　　空氣幕在采煤工作麵司機與煤壁之間形成一道“無形透明屏障”，其隔塵作用相當於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向司機處擴散.空氣幕的隔離作用並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的含塵空氣，稀釋和帶走卷吸進來的含塵空氣，使得塵粒不能穿透空氣幕，隻有少數塵粒可能由於氣流的橫向脈動進入空氣幕的中心區，一部分穿透空氣幕射流的塵粒又進入司機側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　綜采工作麵空氣幕隔塵理論計算
　　空氣幕射流不斷卷吸兩側氣流並與空氣幕出口氣流混合後射向頂板，然後向兩側擴散.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03manbetx 空氣幕隔塵效果時，忽略橫向氣流的作用，並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，完全隨風流運動，即使獲得了運動初速度，根據文獻［1］，其運動距離也非常小，對粉塵的運動影響很小.
　　綜采工作麵空氣幕沿工作麵縱向布置在采煤機上，工作麵風流在氣幕處如圖2所示被分成兩條風路：①靠煤壁側為汙染區；②靠司機側(行人側)為控製區.假定采煤機滾筒產塵是連續的，汙染區的粉塵濃度均勻分布，空氣幕風量較工作麵風量小得多，可忽略空氣幕風量對工作麵風流的影響，則空氣幕卷吸風量^［2］為

圖2　綜采工作麵空氣幕平麵布置
Fig.2　Plane layout of air curtain in working face
N_a，N_b——空氣幕煤壁側(汙染區)、司機側(控製區)的呼吸性粉塵濃度，mg/m³；N₀——空氣幕上風流中的粉塵濃度，mg/m³；q_a，q_b——空氣幕煤壁側(汙染區)、司機側(控製區)的風量，m³/s；G——空氣幕煤壁側產塵量，mg/s；V_a，V_b——空氣幕煤壁側、司機側的空間體積，m³；q₀——空氣幕的出口風量，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為平麵射流的紊流係數，一般取α=1.2.
　　由於空氣幕卷吸了煤壁側的粉塵，在空氣幕射流中混合後射向頂板並向兩側擴散，因此煤壁側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.此後，空氣幕仍不斷卷吸兩側空氣，並不斷向兩側擴散.根據質量守恒原理，進入控製區或汙染區的總粉塵量應等於從控製區或汙染區排出的總粉塵量.由於工作麵不斷通風，經過一定時間後，其兩側濃度達到穩定值^［3］.
　　在煤壁側(汙染區)，進入的粉塵有采煤機滾筒截煤時的產塵及空氣幕上風流中所含有的粉塵；排出的粉塵有空氣幕卷吸並混合後一部分擴散到司機側的粉塵及煤壁側通風排塵帶走的粉塵.
　　在司機側(控製區)，進入的粉塵有空氣幕上風流中所含有的粉塵及空氣幕卷吸煤壁側的粉塵後擴散到司機側的一部分粉塵；排出的粉塵有空氣幕行人側通風排塵帶走的粉塵.
　　根據上述03manbetx ，控製區和汙染區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t→∞，濃度達到穩定後的解為

(3)

(4)

　　為了考察空氣幕的隔塵效果，不計空氣幕上風流工作麵通風風流中的粉塵含量，即N₀=0，則

(5)

(6)

2　空氣幕隔塵效果模擬實驗03manbetx

2.1　空氣幕隔塵效果
　　根據式(5)，(6)，可計算空氣幕兩側濃度比為

N_b/N_a=(q′/4)/(q′/4+q_b).

(7)

　　式(7)表明，隔塵空氣幕兩側濃度比與控製區(司機側)的風量及空氣幕的卷吸風量有關.當控製區的風量大時，空氣幕兩側濃度比降低，這主要是風量的增大提高了控製區的稀釋能力.q_b的大小與空氣幕的安裝位置有關，但根據工作麵的實際情況，空氣幕隻能安裝在采煤機機身上，在采煤工作麵斷麵和通風量一定的情況下，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.對於平麵射流空氣幕來說，隻要空氣幕有平麵射流形成，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量盡量小.q′的大小與空氣幕的主要設計特性參數，即出口風速和出口寬度有關.
2.2　空氣幕隔塵模擬實驗03manbetx
　　為進一步定量分析空氣幕出口風速和出口寬度對隔塵效果的影響，在實驗室的模擬風道進行了模擬實驗.根據幾何相似、運動相似和動力相似原則，設計的模擬風道為550 mm×600 mm×6 000 mm(高×寬×長)，並設計了4種不同出口寬度的條縫形空氣幕.在模擬采煤機滾筒產塵的情況下，對4種不同寬度的空氣幕在不同出口風速條件下的隔塵效果進行了測定,其結果如圖3所示.

圖3　空氣幕隔塵效果與其出口寬度、出口風速之間的關係
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

　　實驗結果表明：空氣幕出口寬度越大，空氣幕兩側的粉塵濃度比越小，說明空氣幕的隔塵效果越好.但隔塵效率並非隨空氣幕出口寬度的增大而呈線性增大.當出口寬度達到20 mm後，再繼續增大，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，空氣幕風量增大，對工作麵流場有一定的影響，因此，空氣幕的出口寬度設計為20 mm比較合理.由於隻有當空氣幕射流到達頂板才有隔塵作用，因此為了抵抗工作麵風流的影響，空氣幕射流的末端風速必須大於工作麵平均風速.

3　隔塵空氣幕的應用

　　根據邢台礦業(集團）有限責任公司葛泉煤礦1326綜采工作麵MPX-240W雙滾筒采煤機的實際條件及模擬實驗結論設計了隔塵空氣幕，其單台空氣幕參數：q₀=0.138 m³/s，出風口寬度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筒，在主體風筒側沿切線方向切縫製作條縫出風噴口，其有效寬度為20 mm.為了提高空氣幕出口射流特性，在條縫出風噴口上每隔30 mm設置一個導風片，空氣幕風筒內設置圓錐形斜麵阻體以實現均勻送風.空氣幕軸流風機安裝在空氣幕的一端.在采煤機機身上安裝了2台空氣幕，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綜采工作麵兩種不同風量的條件下，用5台ACH-1型呼吸性粉塵測定儀在采煤機上風流沒有其它工序影響的情況下，分順風割煤和逆風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，共進行了23個采煤作業班的粉塵測定，測得數據484組.根據測塵結果，空氣幕在1326綜采工作麵司機處對呼吸性粉塵隔塵效率見表1.

表1　1326綜采工作麵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

參　　數 采 煤 機 順 風 割 煤 采 煤 機 逆 風 割 煤 工作麵風量
205 m ³/min 工作麵風量
334 m ³/min 工作麵風量
205 m ³/min 工作麵風量
334 m ³/min 不開空氣幕司機處呼塵平均濃度/mg ^.m ^-3

19.682

12.262

28.546

16.708

開空氣幕司機處呼塵平均濃度/mg ^.m ^-34.060 3.108 5.006 4.116 上風流含呼塵平均濃度/mg ^.m ^-31.120 0.830 1.120 0.830 開空氣幕後呼塵絕對降塵量/mg ^.m ^-315.622 9.154 23.540 12.592 開空氣幕後呼塵相對降塵率/％ 84.16 80.07 85.83 79.30 呼塵平均相對降塵率/％ 82.34

注：表中呼塵即為呼吸性粉塵.

　　從表1測量統計的數據看，在兩種割煤方向和兩種通風量條件下，空氣幕在司機處對呼吸性粉塵的隔塵效率可達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，逆風割煤絕隔塵量高於順風割煤，這主要是由於采煤機逆風割煤時粉塵向司機工作區擴散量高於順風割煤.

4　結　　論

　　(1) 空氣幕是一種較好的隔塵裝置，其作用相當於在采煤工作麵司機與煤壁側中間形成一道“無形透明屏障”，以阻止工作麵截煤過程中粉塵，尤其是阻止粒徑小於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空氣的新鮮，給綜采工作麵司機創造了良好的工作環境.
　　(2) 空氣幕隔塵技術盡管不是直接降塵，但大量的粉塵被阻隔在靠煤壁側，有利於提高噴霧捕塵降塵的效率，從而降低整個工作麵的粉塵濃度.
　　(3) 現場應用證明，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，不影響工作麵通風風流等特點.但對於不同采高的工作麵，需設計不同特性參數的隔塵空氣幕.

基金項目：原煤炭工業部發展計劃項目(96-360)
作者簡介：王海橋(1962-），男，湖北人，副教授，1983年畢業於阜新礦業學院.現從事通風與安全的教學與科研工作，發表論文近30篇，出版專著1部，主持國家自然科學基金項目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年畢業於淮南礦業學院，獲碩士學位，1996年考入中南工業大學攻讀博士學位.現從事安全技術及工程的教學與科研工作，主持或參與省部級課題4項，發表論文近20篇.
作者單位：王海橋（湘潭工學院 資源工程係，湖南 湘潭　411201）　
施式亮（湘潭工學院 資源工程係，湖南 湘潭　411201）　
劉榮華（湘潭工學院 資源工程係，湖南 湘潭　411201）　
劉何清（湘潭工學院 資源工程係，湖南 湘潭　411201）

參考文獻：

［1］譚天佑，粱鳳珍.工業通風除塵技術［M］.北京：中國建築工業出版社，1984
［2］周謨仁. 流體力學泵與風機［M］. 北京：中國建築工業出版社，1985
［3］許鍾麟.空氣潔淨技術原理［M］.上海：同濟大學出版社，1998