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半煤岩快掘工作面机载除尘系统优化与应用
摘要：为了解决原机载除尘系统烧电机等问题，采用现场调研的方法，对机载除尘器、压缩风筒进行了优化设计。根据掘锚机截割工艺，得出除尘器可利用的安装空间；针对岩性粉尘的作业环境，采用了负压除尘的方式；采用新结构形式的过滤网，进一步提高呼尘的除尘效率；采用成熟结构参数的波纹板并优化脱水段外形，提高了脱水效率。现场应用表明：优化后的机载除尘系统全尘、呼尘降尘效率分别提升1.7%、3.7%，除尘器总体运行平稳、正常，使用过程中未出现烧电机情况。
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智能快速掘进是一项巷道掘进新技术，是提高掘进速度、保障采掘接替、提高机械化水平的重要手段，也是煤矿智能化建设的一个重要内容。近年来，随着快速掘进技术和装备的不断发展，高产高效矿井已逐步进行了推广应用，半煤岩巷平均月进尺提高至800 m以上，极大地提升了巷道的掘进效率。但同时掘进产生的粉尘也急剧增加，工作面瞬时总粉尘浓度甚至高达1 000 mg/m3以上，另外半煤岩巷掘进产尘中呼吸性粉尘占比达到40%以上，高浓度粉尘严重危害了作业人员的身心健康和矿井的安全生产，制约了快速掘进技术的进一步发展，亟待进行治理。
长压短抽通风除尘技术是解决掘进工作面粉尘超标问题的有效措施。为了解决半煤岩巷快掘工作面的粉尘问题，小保当二号煤矿采用了由外喷雾装置、除尘器、附壁风筒等组成的机载除尘系统，但在应用中发现存在除尘器电机易烧毁等问题，亟需进行优化。
1、工作面概况
小保当二号煤矿132205胶运顺槽快掘工作面使用山特维克MB670-1型掘锚机，与液压锚杆钻车配合完成掘支作业和出煤转载。循环进尺1.0 m，循环数40次，进尺40 m/d，月进尺1 120 m。沿煤层底板掘进，工作面可采煤层厚度1.83～2.88 m，平均厚度2.54 m，含1层夹矸，多以炭质泥岩为主。掘进巷道断面形状为矩形，巷道宽6.5 m、高3.7 m。工作面使用FBDY№8.0/2×75 k W局扇供风，供风风筒直径为φ1 m，工作面设计供风量为454 m3/min。
2、原机载除尘系统问题分析
原机载除尘系统在半煤岩巷快掘工作面的应用中发现存在如下几个问题，导致系统适应性很差。
(1）岩性粉尘的含尘气流因先经过风机，尘雾混合物易在风机叶片、内壁等位置形成黏附物，影响风机动平衡，堵塞流道，造成风机启动瞬间电流大等问题，导致风机的电机烧毁，风机的使用寿命仅有30 d左右；
(2）除尘器风机直径与脱水段宽度之比接近1∶2，与其高度之比接近2∶1，风量分布不均匀，脱水效果不理想；
(3）顶板落矸易进入吸尘风筒，并在内部集聚，造成过风断面减小；同时橡胶风筒因长期伸缩易造成钢圈疲劳、风筒变形。
3、机载除尘系统优化设计
(1）除尘器外形设计
机载式除尘器布置在掘锚机上，其布置空间与掘锚机截割工艺密切相关。掘锚机截割循环如图1所示，掘锚机截割时首先抬起大臂，升起截割滚筒，进行扫顶；然后掏槽油缸推动大臂带动截割滚筒截割煤（岩）体，掏槽油缸行程达到500 mm时带动刮板输送机前移；行程到1 000 mm时达到本循环的截割深度，截割滚筒开始由上往下截割煤（岩）体，并拉底完成本次循环。132205胶运顺槽快掘工作面设计高度3.7 m，为提高支护效率，掘锚机上锚网的数量需保持在30张以上，总高度约0.5 m，因此除尘器的最高点为3.2 m。通过对MB670-1型掘锚机的现场调研，机载除尘器只能安装在护盾两支撑杆之间，根据以上限制条件，机载除尘器可利用的空间如图2所示。该空间为不规则形状，最大长度3.8 m，最大高度1.3 m。
图1掘锚机截割循环图
图2机载除尘器布置空间示意图
(2）除尘方式选择
煤矿常用的除尘器根据处理粉尘的原理不同可分为干式除尘器和湿式除尘器，干式除尘器除尘效率高、体积大，湿式除尘器相比干式除尘器除尘效率略低、体积小。机载除尘器的布置空间有限，因此，综合考虑选择体积更小的湿式除尘器，其主要结构由过滤单元、脱水单元、抽出式轴流局部通风机（以下简称风机）、降噪单元等组成，常见的湿式除尘器各单元的布置如图3所示。含尘空气进入风机后，与喷雾装置产生的雾滴结合，并经风机高速搅拌后，形成尘、水、气的混合物。此混合物在气流的作用下被输送至过滤单元，在过滤网的作用下，尘、水混合物在此被拦截，在自身的重力作用下沉降至除尘段底部，最后经排污管排出。剩下的气、水混合物在气流的夹带下行至脱水单元，水雾被脱水单元搜集并形成水滴，在自身重力的作用下沉降至脱水箱底部，并经排污管排出，最后剩下的洁净空气从其尾部排出。
图3正压除尘方式除尘器各单元布置示意图
以上为正压除尘方式，雾滴与粉尘接触时间长，且经风机高速搅拌后，雾滴与尘粒充分结合，除尘效率相对更高。132205胶运顺槽为半煤岩巷，负压除尘方式可克服正压除尘时岩尘在风机叶轮、内壁结块的情况。因此，机载除尘器采用负压除尘方式，如图4所示，从进风口到出风口依次布置喷雾装置、过滤单元、脱水单元、风机、降噪单元。
图4负压除尘方式除尘器各单元布置示意图
(3）过滤单元优化设计
过滤单元是湿式除尘器的核心部件，其主要作用是拦截大部分尘雾混合物凝结成水滴排出除尘器，同时将小粒径雾滴凝结成大粒径雾滴，提高脱水单元的脱水效率。不锈钢丝网是是湿式除尘器常用的过滤材质。对单层丝网而言，其目数越低，过滤效果越好，但同时阻力越大。单层丝网强度较低，在粉尘颗粒及风流的长期作用下易损坏。常采用多层丝网组合的形式，以低目数的丝网作为过滤单元的骨架，前后采用相同目数或不同目数的丝网，通过铆钉固定在强度较高的过滤网框架上。目前，常采用的丝网有4目、20目和50目。132205胶运顺槽的岩尘占比大，呼吸性粉尘较高，为了提高呼尘的除尘效率，对比研究了结构1(20×3+4×1+20×3）、结构2(20×3+4×1+50×1+20×2）、结构3(20×2+50×1+4×1+50×1+20×2）、结构4(20×3+4×1+50×2+20×1）、结构5(20×3+4×1+50×3）五种形式的过滤网的风速、阻力和除尘效率，如表1所示。
表1不同形式滤网的性能参数
由表1可知：随着50目丝网替换20目丝网及50目丝网数量的增加，过滤网的阻力不断增大，通过过滤网的风速不断降低，因除尘器外形有限制，导致除尘器处理风量降低；同时，呼尘除尘效率小幅上升。结构3、结构4对比说明，50目丝网设置在骨架层前、后差别不大。综合考虑风速、阻力、呼尘除尘效率，选择结构3形式的过滤网。
(4）脱水单元设计
脱水单元的作用是将气水混合物中的大颗粒液滴进一步凝结并变成水流流出除尘器，一部分粉尘随水流变为尘水，脱水单元也是最后一道降尘环节。目前，常见的脱水单元有旋流脱水和波纹板脱水。旋流脱水结构的阻力和外形尺寸都较大，波纹板脱水结构具有高脱水效率和小尺寸的特性，机载除尘器安装空间有限，因此，除尘器选择波纹板脱水形式。
波纹板脱水的机理为惯性碰撞，含水滴的气流流经波纹板时，由于流线偏折，在惯性力的作用下撞击到波纹板表面被捕捉下来，从而实现气液分离。波纹板脱水器的结构类型包括折线型、流线型、带倒钩和不带倒钩等。132205胶运顺槽为半煤岩巷，湿式除尘器在井下使用条件比较恶劣，波纹板容易产生结垢、堵塞等问题，因此设计不带倒钩的流线型波纹板结构。同时由于除尘器尺寸限制，采用成熟结构参数的波纹板，此波纹板叶片弯折个数为3，间距为20 mm，长度0.35 m，波纹板的临界风速为5.7 m/s，临界风速的阻力为210 Pa。同时，风机直径与脱水段宽度、高度之比接近1∶1，风量分布均匀，额定处理风量下脱水效率达98%。
(5）风机选择
风机是除尘器的动力源，其选择需要考虑以下原则：
(1)风机处理风量与工作面供风量匹配。132205胶运顺槽供风量为454 m3/min，为了提高除尘效率，除尘器的处理风量应不小于工作面供风量的80%，即363 m3/min;
(2)风机在额定处理风量时的静压需要克服吸尘风筒、过滤单元、脱水单元、降噪单元等的阻力，并需要有一定的富余。吸尘风筒阻力约200 Pa、过滤单元阻力2 540 Pa、脱水单元阻力210 Pa、降噪单元阻力约100 Pa，合计约3 050 Pa。
根据以上原则，结合是否有煤矿安全标志证书，以及外形尺寸的限制，选择型号为FBC№7.5/45（Ⅱ）的单轴双叶轮的防爆抽出式轴流局部通风机，实测的静压风量曲线如图5所示。
图5风机静压风量曲线
(6）吸尘风筒优化
掘锚机截割滚筒升刀及扫顶的过程中，大臂与护盾间的空间缩小，因此，吸尘风筒设计成可压缩的形式。同时，为防止顶板落矸进入风筒，在风筒吸尘口设置3 cm网孔的不锈钢绳网。除尘器设置刚性进风口与压缩风筒出风口直接联接，去除橡胶风筒。
优化设计后的机载除尘系统如图6所示。
图6优化后的机载除尘系统
4、现场应用
对采用优化前后机载除尘系统的掘锚机，在其回风侧5 m位置依据GBZ/T 192.1-2007、GBZ/T 192.2-2007对粉尘浓度进行了检测，结果如表2所示。
表2机载除尘系统优化前后效果对比
由表2可知，优化前机载除尘系统全尘、呼尘降尘效率分别为90.6%、85.4%，优化后机载除尘系统全尘、呼尘降尘效率分别为92.4%、89.2%，全尘、呼尘降尘效率分别提升1.7%、3.7%。这主要是因为将吸尘风筒、除尘器内部结构进行优化设计，系统阻力降低，除尘器处理风量增加。
同时，采用GF100F(A)型风流压力传感器（分辨率0.1 k Pa）对除尘器运行状态进行了连续监测，取每周生产日当天的最大负压值，如图7所示。通过对监测数值进行分析，除尘器在生产后由于粉尘堵塞过滤网造成阻力小幅上升，风机负压增大，但增大到一定数值后，风机的负压保持不变。对过滤网进行冲洗后，风机的负压出现一定下降。随着使用时间的增加，过滤网堵塞面积增大，风机的最大负压出现缓慢、小幅上升，更换过滤网后，风机的负压下降。风机总体运行平稳、正常。
图7除尘器负压监测值
5、结语
(1）针对原机载除尘系统存在的问题，对机载除尘器进行防电机烧毁的优化设计，对压缩风筒进行防风筒进矸的优化设计；
(2）根据掘锚机的截割工艺，得出除尘器可利用的安装空间；针对岩性粉尘的作业环境，采用了负压除尘的方式，并采用新结构形式的过滤网，进一步提高了呼尘的除尘效率；采用成熟结构参数的波纹板，并优化脱水段外形，使其宽、高与风机直径比值接近1∶1，风量分布更均匀，提高了脱水效率；
(3）优化后的机载除尘系统全尘、呼尘降尘效率分别提升1.7%、3.7%，除尘器运行平稳、正常，使用过程中未出现烧电机情况。
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文章来源:杨俊磊.半煤岩快掘工作面机载除尘系统优化与应用[J].煤矿机械,2024,45(01):132-135.
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期刊名称：煤矿机械
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2024-01-11
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