综掘工作面粉尘危害及除尘系统研究

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摘要：掘进机是煤矿井下巷道的掘进设备，其在掘进巷道时，会产生大量的粉尘，带来的严重后果是煤尘爆炸隐患增大和煤炭行业尘肺病人数的增多。HCN系列湿式除尘系统能够高效的清除掘进机截割时产生的粉尘。本文对HCN系列湿式除尘系统进行了详细介绍，同时也为我国除尘系统的设计与改进提供了可靠依据。

关键词：掘进机；粉尘；尘肺病；湿式除尘系统

中图分类号：TD714文献标识码：B文章编号：1009-9166（2011）017(C)-0232-02

引言：掘进机作为煤矿巷道掘进的主要设备，其在巷道掘进时会产生大量的粉尘，且掘进工作面工序繁杂，产生粉尘的地点位置多变。随着综采、综掘技术的迅猛发展，我国煤矿粉尘污染问题日趋严重。如综掘工作面在只采取内外喷雾时，司机处粉尘浓度高达300―1000mg/m3，而且呼吸性粉尘占全尘浓度的30%左右，无论是全尘浓度还是呼吸性粉尘浓度均严重超标，带来的严重后果是煤尘爆炸隐患增大和煤炭行业尘肺病人数的增多。据统计，目前我国煤矿约有矽肺病人40万人，每年死于矽肺病约2500人，每年新增矽肺病人约8000人。近几年我国煤矿安全形势更是严峻，发生瓦斯煤尘爆炸多次，伤亡惨重，造成了巨大的经济损失。数量众多的职业矽肺病患者，要花费大量的人力和物力来进行治疗，不仅经济损失巨大，也给患者及家属带来了很大的痛苦。控制矽肺病的发生和防止煤尘爆炸已成为煤炭行业头等重要的事情，而最有效的措施就是大幅度降低作业场所空气中的粉尘浓度。之前国内煤矿使用的掘进机一般都配有外喷雾和内喷雾装置，但在使用时易出现喷嘴堵塞，水封损坏等问题，外喷雾勉强使用，内喷雾一直没有很好发挥作用，多数掘进机的内喷雾弃置不用，而除尘设备使用的也较少，已使用除尘设备的掘进工作面，除尘效果也不很理想。由煤科总院太原研究院研制的HCN系列湿式除尘系统在经过大量的研究、改进及实践中取得了良好的除尘效果，极为有效地改善了工人工作环境，并避免了许多井下安全隐患。

一、粉尘的危害

粉尘的危害主要有矿尘的自燃性、煤尘爆炸及尘肺病。

1、矿尘的自燃性

矿尘的自燃原因在于：由于过小的尘粒使自由表面增加，从而提高了其化学活性和氧化产热能力。当氧化反应产生的热量不能及时散发，使氧化反应自动加速，最终导致燃烧的发生。

根据自燃温度可将可燃性粉尘分为两大类：第一类粉尘的自燃温度高于周围环境的温度，只有在加热时才能引起燃烧；另一类粉尘的自燃温度低于周围环境的温度，即使不加热也会引起自燃，这种粉尘极易形成火灾。

2、煤尘爆炸

煤尘爆炸只有在一定的浓度范围内才会发生，煤尘爆炸范围和煤的成分，尤其是挥发性成分及其含量、煤尘粒度等因素有关，通常把这个范围叫做爆炸极限。资料表明，煤尘浓度为30―50g/m3是煤尘爆炸的下限，煤尘浓度为1000―2000g/m3是煤尘爆炸的上限，煤尘浓度为300―400g/m3时，爆炸力最强。

煤尘爆炸引起的后果涉及很广，如人员伤害，设备毁坏和火灾。同时爆炸时产生的高温、高压和冲击波对矿井的影响也是非常大。

3、尘肺病与矿尘的关系

尘肺病是矿工最常见的职业病之一。它是由于工人长期吸入作业环境中悬浮粉尘而引起的肺部组织纤维性病变的总称。对粉尘的评价主要是粉尘的成分和粉尘的分散度。

粉尘中游离二氧化硅含量的多少一直是评价粉尘的主要标志，一般认为，粉尘中游离二氧化硅的含量越高，越容易导致矽肺病的发生，为此，我国煤矿安全规程（2005）第七百三十九条对作业场所空气中粉尘浓度作出了具体规定，总粉尘和呼吸性粉尘的最高允许浓度应该符合表1的规定要求。

表1煤矿安全规程（2005）第七百三十九条的规定

降低作业场所空气中的粉尘浓度是控制尘肺病发生的最有效的措施，目前已成为煤炭行业非常重要的事情。煤尘对人体呼吸系统的影响很大，尤其是粉尘粒径≤5μm时，它可以避开呼吸系统的各种保护，随空气直接流入人体的肺部。根据统计数字，几乎所有在3年以上工龄的矿工都有不同程度的尘肺病，并且不同工种的工人患病的几率有所不同。资料表明，井巷掘进工人的患病率为4.22%，采煤工的患病率为2.35%。由这些数据可以看出，粉尘污染对煤矿工人的身体健康影响很大。

二、综掘工作面产尘机理分析

煤矿井下掘进工作面作为综采工作的前期开拓工作面，它的产尘量在井下总产尘量中所占的比例仅次于综采工作面，而且井巷的掘进又以其工序多、尘源分散、粉尘分散度高等特点，成为防尘的重点。这是由于掘进机在切割、装载、转运过程中要产生大量的煤尘。煤尘的曼延，给煤矿的井下工作埋下隐患。据统计，煤矿矽肺病患者中85%以上发生在岩巷掘进工作面，煤巷和半煤岩巷道的煤尘瓦斯爆炸事故发生率也占很大的比重。

综掘工作面粉尘来源主要来自截割过程。截齿靠近煤壁与煤壁接触后煤体受到挤压，截齿深入煤体，煤体进而承受剪切力作用，当截齿离开煤壁时，煤体破碎而成粉末状掉落下来形成煤尘。如果降落的煤尘随着截割滚筒的旋转而飞扬起来，就使煤尘进入运动的气流中扩散。另外，工作面通风、截割头旋转以及煤下落形成的风流作用也会产生粉尘，这些粉尘呈悬浮状态并随着工作面风流扩散，如果不在产尘源时及时灭尘，则会使煤尘允斥整个巷道，这样在整个掘进工作面上百米巷道中造成很严重的煤尘污染。浓度很高的煤尘不但影响矿工的身体健康，同时还容易引起煤尘爆炸的事故。所以，掘进工作面的防尘工作一直是井下防尘的重点。从掘进机的产尘机理分析中可以看出，最好的防尘技术措施应针对粉尘的形成处，即在截割煤炭时，减少粉尘的形成，其次是尽可能地把粉尘控制在一定空间内收集降尘。

三、HCN系列湿式除尘系统

1、HCN系列湿式除尘系统组成及除尘器工作原理

（1）HCN系列湿式除尘系统组成

图1HCN系列湿式除尘系统

如图1所示，HCN系列湿式除尘系统主要由负压风筒、湿式除尘器、除尘器移动装置、附壁风筒等组成。

（2）HCN系列湿式除尘器工作原理

图3除尘器结构原理图

高效湿式除尘器主要由进风口、粉尘捕集区、水滴分离区和出风口等组成，如图3所示。除尘器的除尘主要有捕集、脱水两个环节，含尘空气经过风筒进入除尘器后首先进入粉尘捕集区，与从喷嘴喷出的水雾以较高的相对速度接触，接着尘粒表面附着的气膜被冲破，尘粒被水湿润，发生激烈的凝聚，凝聚形成的含尘水滴在经过水滴分离区被捕捉、聚集，然后形成污水排出。最后从水滴分离区中排出的空气是清洁空气。

2、水滴捕尘机理

水滴捕集灰尘主要是通过惯性碰撞、扩散作用、凝聚作用三种作用实现。

（1）惯性碰撞。尘粒和水滴之间的惯性碰撞是湿式除尘的最基本的除尘作用。直径为 的水滴与含尘气流具有相对速度 ，气流在运动过程中如果遇到水滴会改变气流方向，绕过物体进行运动，运动轨迹由直线变为曲线，其中细小的尘粒随气流一起绕流，粒径较大和质量较大的尘粒具有较大的惯性，便脱离气流的流线保持直线运动，从而与水滴相撞。由于尘粒的密度较大，因惯性作用而将保持其运动方向，在一定粒径范围的尘粒由于惯性与水滴碰撞并黏附于水滴上。相对速度 越大，所能捕获的尘粒粒径范围越大，1 以上的尘粒，主要是靠惯性碰撞作用捕获。

（2）扩散作用。通常尘粒粒径0.3 以下的粉尘，由于质量很小，随风流而运动，在气体分子的撞击下，微粒像气体分子一样，做复杂的布朗运动。但其扩散运动能力较强。在扩散运动过程中，可与水滴相接触而被捕获。

（3）凝集作用。凝聚有两种情况，一种是以微小尘粒为凝结核，由于水蒸气的凝结使微小尘粒凝聚增大；另一种是由于扩散漂移的综合作用，使尘粒向液滴移动凝聚增大，增大后的尘粒通过惯性的作用加以捕集。另外水滴与尘粒的荷电性也促进尘粒的凝集。

四、HCN系列湿式除尘系统实际应用效果

该系统于2006年10月开始井下工业性试验。截至2007年3月，累计共试验139个工作日，共掘进进尺1200m，试验期间，由矿上通风队进行工作面测尘。其中司机位粉尘浓度由使用前的438mg/m3降至66mg/m3，降尘率达到85%；割煤时掘进机后4―5m处，粉尘浓度由使用前的386mg/m3降至38mg/m3，降尘率达到90%；吸尘风筒入风口粉尘浓度为388mg/m3，除尘风机出风口粉尘浓度为66mg/m3，除尘器除尘效率为83%，取得了良好的除尘效果。

结论：掘进机截割时产生大量的灰尘，对井下工人的身体健康造成严重危害。随着煤炭产业的快速发展，除尘设备的研制、改进变得越来越迫切。由煤科总院太原研究院新研制的HCN系列湿式除尘系统在经过大量的研究、改进及实践中取得了良好的除尘效果，值得推广应用。

作者单位：国投新集能源股份有限公司新集一矿

作者简介：苏玉明（1969― ），大专学历，现在国投新集能源股份有限公司新集一矿从事机电技术管理工作。

参考文献：

[1]浑宝炬,郭立稳.矿井通风与除尘[M].北京:冶金工业出版社,2007.

[2]吴中立.矿井通风与安全[M].徐州:中国矿业大学出版社,1989.

[3]黄元平.矿井通风[M].徐州:中国矿业大学出版社,1990.

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