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巷道凿岩防尘的研究

摘要:对巷道凿岩通风防尘进行了理论探讨和现场试验。试验表明,采用高效除尘器对巷道凿岩工作面进行就地净化循环通风,能使工作面粉尘质量浓度符合国家工业卫生标准。

关键词:凿岩;工作面;防尘;通风 

中图分类号:TD714.43文献标识码:B    文章编号:1001—1277(2002)07—0038—03

1 引言

    巷道掘进是地下矿山开采的主要工序之一。巷道掘进凿岩产尘量大,又不能形成贯穿风流,如不进有效的控制,就会对工作面人员产生极大的危害,引起矽肺病的发生。据有关部门统计,在所有的职业病中矽肺病是最严重的,而在矽肺病患者中,又以凿岩工患病率最高。因此,研究巷道凿岩防尘的有效方法,对降低凿岩工的矽肺病发生率具有十分重要意义。

    传统的巷道凿岩防尘是利用局扇和风筒将新鲜风流送到凿岩工作面对含尘气体进行稀释,并将粉尘 带出工作面,达到防尘的目的。这种方法对凿岩工作面距新鲜风源较近的情况行之有效,但随着工作面的推进,凿岩点距新鲜风源的距离增大,通风则变得困难。当距离大到一定程度时,由于风筒加长,系统的阻力及沿程漏风量随之增大。此时,工作面供风量急剧下降,凿岩产生的粉尘不能及时有效地排出,工作面粉尘质量浓度一般不能达到国家工业卫生标准(2mg∕m³),使凿岩工的作业环境恶化。 

2 净化粉尘循环通风的理论探讨

    由于巷道凿岩局部通风法存在着上述缺点,为此,笔者对凿岩工作面就地净化循环通风法进行了研究。凿岩作业不产生有毒有害气体,采用这种方法可以避免局部通风法的不足。就地净化循环通风法是在不供给或少供给外界新鲜风流的情况下将除尘设备安装在工作面附近,将含有粉尘的风流经除尘器净化后送回到工作面循环使用。因此,这种方法必须采用具有一定处理能力的高效除尘器,才能达到理想的净化效果。本试验采用新型高效SXW 8200型除尘器作为净化装置,其安装及工作方式如图1所示。为了使局扇和除尘器不被放炮抛石打坏,一般应将其布置在距掌子面20m以外为宜。同时为了减少局扇和除尘器的搬运工作量,往往在除尘器出口处接上30~40m的软风筒。 

1—凿岩工作面   2—粉尘采样器  3—净化后的风流  4—软风简  5—sxw 8200型除尘器  6—局扇  7—含尘风流

为了给试验提供理论依据,在试验前对受限射流的有效作用长度、除尘器的处理风量及净化效率、工作面的产尘强度与工作面粉尘质量浓度的关系进行理论探讨是必要的。 

2.1 受限射流的有效作用长度

    就巷道掘进而言,由风筒高速流出的风流实际上是一种受限射流,风流在出风筒运动一段距离后,不能继续向前流动而发生反转。因此,只有在射流能作用到的范围内的粉尘才有可能被风流带走。这范围即所谓的受限射流有效作用长度(L)。

    L=0.5Lk(1+0.5/α)

其中,Lk=4m(试验巷道的宽度);

    α=0.076【1】(圆形射流紊动系数)。

    即:L=0.5×4(1+0.5/0.076)=15m。 

    计算结果说明,风流出口到工作面距离不大于15m时,凿岩产生的粉尘才能被及时稀释和排出。 

2.2 除尘设备性能对工作面粉尘质量浓度的影响 

    若凿岩工作面产尘强度为G(mg/s),除尘器的处理风量为Q(m³/s)、净化效率为η(%),受限射流有效作用长度范围内的巷道体积为V(m³),工作面的平均粉尘质量浓度为C(mg/m³),除尘器入口的粉尘质量浓度为KC(mg/m³)。根据连续性方程,在同一时间 (dt)内,凿岩产尘量与除尘器净化除去的粉尘量之差,等于该空间内粉尘量的变化值,得如下微分方程 :

    Gdt—ηQKCdt= VdC (1)

    Ct=0=Co(Co为工作面初始质量浓度,也称背景质量浓度) 

    微分方程(1)是一可分离变量的微分方程。解此微分方程,并利用初始条件,得此微分方程的特解为:

C = G/(KηQ)+[Co—G/(kηQ)]e-kηQt/V(2)

    公式(2)是工作面粉尘质量浓度C与除尘器处理风量Q、净化效率η、除尘器的有效作用空间和工作时间t的关系式。

    下面对其进行讨论 : 

    (1)随着除尘器工作时间的延长,工作面粉尘质量浓度逐下降,其中[Co—G/(KηQ)]e-kηQt/V→0,工作面粉尘质量浓度趋于一稳定质量浓度值 Cw,

       即Cw=G/(KηQ) (3)

    (2)从(3)式中看出,工作面的稳定质量浓度与除尘器的作用范围、工作面本底质量浓度无关,但据(2)式则显示,达到稳定质量浓度的时间与除尘器的作用范围和本底质量浓度大小有关 。

    (3)工作面的稳定质量浓度Cw与凿岩的产尘强度G成正比,与除尘器的处理风量Q、净化效率η的乘积成反比。由此可见,在工作面产尘强度定的条件下,要使工作面的粉尘质量浓度控制在某一水平以下,选取具有一定处理风量的高效除尘器是十分重要的。除尘器的效率越高,所需处理风量、能耗就越小,除尘器的体积也越小。这对井下作业空间有限的情况是很有利的。

3 SXW 8200除尘器的主要性能参数 

    SXW 8200型除尘器是由强化粉尘碰撞、湿润、凝合、拦截等作用的喷雾系统和纤维栅嵌板及轴流旋风分离器组合而成的多机理高效湿式除尘器。其主要性能参数【2】如下:

    对中粒径d≥5μm粉尘的净化效率:90%~98% :

    除尘器阻力:≤1176Pa;

    液气比:0.03~0.06L/m³(粉尘质量浓度值低时取下限,高时取上限);

    处理风量:8200m³/h。

4 现场试验 

    将SXW 8200除尘器安装于南方某地下矿山掘进巷道,并采用压人式就地净化循环通风的工作方式(见图1)。为了保证试验段巷道既不与外界风流发生联系,又不致于因爆破砸坏除尘器和局扇,将SXW 8200除尘器安装在距分段运输平巷60m以外,距凿岩工作面40~50m处,并与局扇出口直接连接。除尘器出口接Φ500mm的软风筒3~4节,将净化后的洁净风流送至工作面循环使用。根据前面理论计算的受限射流有效作用长度,将风筒出口到工作面的距离控制在lOm左右(即小于15m),以保证凿岩工作面的粉尘及时稀释并带人除尘器。经除尘器净化后的洁净风流清洗工作面后回到除尘器人口,再次净化后又送到工作而使用。如此多次循环。

    现场观察与试验表明,选用SXW 8200除尘器对巷道掘进凿岩进行就地净化防尘循环通风是有效的,能够解决长独头巷道掘进凿岩防尘问题。在3个月的现场试验中,共检测了31个粉尘样品。刚开除尘器时所采集的一二个样品的质量浓度较高,之后的其它样品质量浓度较低。所检测样品的粉尘质量浓度合格率为86.95%,平均粉尘质量浓度1.62mg/m³,低于2mg/m³,符合国家工业卫生标准。

5 试验数据的分析

    从试验数据看,如果工作面本底质量浓度较高,且一开动除尘器就采样,一般情况下开始的一二个样品的粉尘质量浓度较高,难以达到工业卫生标准出现这种情况的原因,主要是由于本底质量浓度的影响。要消除本底质量浓度的影响而得到稳定质量浓度值,需要一定时间。从(2)式可见,工作面的质量浓度由不随时间变化的稳定质量浓度和随时间变化的质量浓度两项构成。从理论上讲,要达到稳定质量浓度需要无限长时间,但实际上只要变化项质量浓度小到一定程度即可认为达到稳定质量浓度。笔者取变化项质量浓度小到其开始时的1/10000,即认为达到稳定质量浓度。根据e,/Q∥=0.0001计算出来的时间即可认为是达到稳定质量浓度所需的时间tw。下面计算tw,根据本试验系统及安装条件,取K=1,η=95%,Q=3m3/s,V=3×4×(40~50)m3,代入e-kηQt/V=0.0001中,解得tw=26~32min。

    上面计算结果说明,对于截面积为3m×4m、巷道长度(包括受限射流作用长度和风筒长度)为40~50m的巷道空间,在除尘器工作0.5h左右,即可基本消除巷道本底质量浓度的影响,而达到稳定质量浓度值。这一实测结果与理论计算值基本吻合。刚开动除尘器后0.5h左右的一二个样品的质量浓度较高(每一个样品采集时间20min),之后其它样品的粉尘质量浓度基本接近稳定质量浓度,并且都在2mg/m³以下,达到国家工业卫生标准。

参考文献

    1 屠大燕.流体力学与流体机械.北京:中国建筑工业出版社,1994.

    2 Yu Xinming.Development & application of a wet Scrubber with iberf oilingr panels.Proceedings of the international mining tech,’98 symposium,Chongqing China,1998.Research on tunneling dust-control

YU Xinming,Wu Xuejun

(Jianghan University)

    Abstract:The theoretical analyses and tests on the spot were conducted on tunneling working face dust—control& ventilation in unde~round mines.The test results show that dust concentrations in tunneling working face can be satisfied with the nationalhealth standard by a high eficientdeduster.

    Keywords:tunneling;workingface;dust-control;ventilation


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