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赵国彦 1 ，姚金蕊 2 ，简万国 2 ，杨俊华 2
(1. 中南大学资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083 ；
2. 贵州开磷集团矿业总公司 , 贵州 贵阳 550030)
摘要 : 分析了掘进机产尘特点 , 提出了局扇抽出式通风辅以高效除尘风机的半循环通风新方法 , 并对风量配比、除尘效率、产尘量、与工作面粉尘浓度等进行了综合分析， 试验证明，半循环抽出式通风方法可解决长距离、大产尘量巷道施工的通风与防尘问题。
关键词： 抽出式通风；循环通风；巷道掘进机；除尘机
中国分类号： TD724 文献标识码： A
文章编号： 1005-2763 （ 2006 ） S2-0109-02
为加快巷道掘进速度， 贵州开磷集团在岩性较软的红页岩中引进了悬臂式巷道掘进机 。悬臂式掘进机具有掘进速度快、对围岩破坏小、成巷质量高、作业连续等优点。但由于采用以碾压、切割为主的掘进方式， 工作面产尘量特别大，常规通风方法难以有效地抑制粉尘 ，克服粉尘危害，结果导致工人视距小，掘进机作业断断续续，严重影响掘进机效率的发挥。 为此，采用了高效率湿式振弦式除尘风机，形成局部循环通风。实践证明，局部循环通风方法能有效地解决长距离巷道掘进机施工中的通风除尘问题，适合大产尘量作业面的通风除尘。
1 . 掘进机产尘量与通风方法选择
1.1 掘进机产尘量与产尘特点
悬臂式掘进机依靠前端大臂上的柱齿碾压、切割破碎岩石，尽管四周设置有喷雾器抑尘，但产尘量远远大于国家环境卫生标准。据有关文献记载，掘进机工作时产尘量达到 1000 ～ 3000mg/m 3 ，粉尘粒级范围 0 ～ 100 μ m ，其中 2 ～ 5 μ m 呼吸性粉尘占 80% ～ 85% 。现场观察发现，引起粉尘浓度变化和产尘量多少的主要原因是岩石的性质、悬臂的位置、切割头力学参数、切割头距底板工作高度、喷雾洒水强度等。大量的粉尘在工作面呈不均匀分布，以注射状和气浪状，弥漫到空气中并很快充斥工作面。在无外部风流情况下，掘进机作业时产生的含尘空气，以 0.5 ～ 1.0m /s 的速度向外涌出，若无有效的风流压制，则掘进机司机将淹没在高浓度含尘空气中，导致人员窒息，设备无法操纵，严重影响掘进机正常工作。
1.2 掘进机作业通风方法选择
针对掘进机作业时粉尘产生特点，采用传统的压入式通风方法，风机直接将新鲜气流引入工作面，并形成对操作司机的罩射，虽然解决了操作司机的通风防尘问题，但大量的含尘空气完全依靠新风的稀释与粉尘的自然沉降，对巷道通风防尘效果甚微，不能解决后续工作人员的防尘要求，生产难以继续。表 1 为压入式通风时其巷道现场的粉尘浓度。
表 1 掘进机工作面粉尘浓度
测点距作业面距离（ m ） |
5 |
15 |
30 |
呼吸性粉尘（ mg/ m 3 ） |
7.5 |
6.5 |
5.0 |
粉尘下降量（ % ） |
0.0 |
-13.3 |
-33.3 |
总尘（ mg/ m 3 ） |
173.0 |
67.0 |
52.0 |
粉尘下降量（ % ） |
0.0 |
-61.3 |
-69.9 |
从表 1 可知，巷道内无论是呼吸性粉尘浓度还是全尘浓度，均大大超过国家规定的矿山粉尘标准（ 2mg/m 3 和 10mg/m 3 ）。必须选择新的通风防尘方法。
在参照矿山同类巷道掘进通风防尘方法基础上，研究选用了抽出式通风方式辅以高效除尘机的局部循环通风方法。该方法借助大风量高效除尘风机，在工作面产生高速风流，形同空气幕，形成对高浓度含尘空气的有效压制，防止粉尘涌出，并以巷道作进风道，沿巷空气新鲜，质量好。
2. 掘进机可控半循环通风方法
当掘进机作业时，抽出式风机风量为 Q 1 ，带走的粉尘浓度即为循环除尘风机的出口粉尘浓度，用 C 表示，除尘风机风量为 Q 。则沿巷道进入工作面的新鲜风量为 Q 1 ，新风中粉尘浓度为 C 1 。依照半循环通风模型，得单位时间进入巷道的粉尘量为：
Gdt+Q 1 C 1 dt （ 1 ）
式中： G ——掘进机单位时间内进入掘进工作面的粉尘量， mg/t ；
dt ——时间变量。
单位时间从巷道中排出或除去的粉尘量（不计粉尘自净导致粉尘浓度的减少）：
K η
 Q 1 Cdt+ QCdt （ 2 ）
1- η
式中： C ——除尘器出口处的空气中粉尘浓度， mg/ m 3 ；
K ——紊流系数；
η ——除尘器效率， % 。
则有巷道中除尘风机出口粉尘浓度 C 用下式表示：
K η
 Vdc=Gdt+Q 1 C 1 dt-Q 1 Cdt- QCdt （ 3 ）
1- η
式中 V 为掘进巷道端部的体积， m 3 。
积分得：
 （ 4 ）
式中 A 为积分常数。
当 t=0 时， C=C 1
G （ 1- η）
则： A=-
Q 1 （ 1- η） +K η· Q
当 t= ∞时，由（ 4 ）得：
（ G+Q 1 C 1 ）（ 1- η）
C ≈ （ 5 ）
Q 1 （ 1- η） + K η· Q
在巷道半循环通风时，设循环风机 Q 与抽出式风机的风量比为 m ， m=Q/Q 1 。
从式（ 5 ）得：
（ G+Q 1 C 1 ）（ 1- η）
 C ≈ （ 6 ）
Q 1 （ 1- η） + K η mQ 1
当进风的粉尘浓度 C 1 为完全新鲜风时， C 1 =0 ，则从式（ 6 ）得：
G （ 1- η）
C ≈ （ 7 ）
Q 1 （ 1- η） + K η mQ 1
当 Q 1 、 K 、 m 、η一定时， C 与产尘强度 G 的关系见图 1 ；
图 1 掘进机产尘量改变时除尘风机出口粉尘浓度
当 G 、 K 、 Q 1 、 Q 一定时， C 与除尘效率η的关系见图 2 ； 
图 2 除尘效率与除尘风机出口处粉尘浓度的关系
当 G 、 K 、 Q 1 、η 一定时， C 与除尘风机风量的关系见图 3 。 
图 3 作业面除尘风机出口处粉尘浓度与风机风量的关系
设 G=1500mg/s ，除尘效率η =90% ， K=0.9 ， m=6.8/2.2=3.1
从图 1 ～图 3 中不难发现，掘进机产尘量不断增加时，其工作面除尘风机出口的粉尘浓度呈直线增加，反之，呈直线下降；除尘风机的除尘效率增加，则出口处的粉尘浓度呈加速下降；另外，在其他条件不变情况下，除尘风机的风量加大，其粉尘浓度呈现明显下降态势。提高除尘风机的降尘效率与加大循环风量，有利于工作面的快速通风。 为此，在掘进机工作时，选择使用大风量湿式高效除尘风机，风机功率 37KW ，理论除尘效率 90% ～ 98% ，风量 6.8m 3 /s 。经多次测试，除尘风机出口处的粉尘浓度约为 4mg/m 3 ，掘进机司机处风流经新风稀释后，粉尘浓度达到 2.71mg/m 3 ，经个体防护后，粉尘浓度达到安全要求。
3. 结语
随着资源需求量的日益增加，连续型掘进与采矿设备广泛应用于矿山开采中。类似开磷集团首次在红页岩中采用悬臂式掘进机进行快速掘进，机械化程度高，人员作业集中，但一次粉尘产生量大，因而常规通风防尘难以有效解决工作面大产尘量的通风与防尘要求，需要有新的大风量、高效防尘除尘手段与措施。
试验通过改压入式通风为抽出式通风，在巷道中安装抽出式局扇风机，额定功率 11KW ，风筒直径 400mm ；为降低工作面的风机噪声，将风机置于距掘进面相当距离，前端为柔性风管，后端为刚性风管；在掘进机上安装除尘风机。新鲜风流从进风井沿巷道流入，硬质风管直接伸入掘进工作面且紧靠除尘风机出口；抽出风机抽走除尘风机出口处的相对高污染风流，司机处于巷道新鲜风流与除尘风机循环风流混合风流侧，且佩戴高效防尘口罩，司机呼入空气的呼吸性粉尘浓度低于 2mg/m 3 国家标准。掘进机后续工种人员处于新鲜风流下作业，其粉尘浓度达到安全要求。掘进工作面高浓度污风被循环风机产生的准清洁高速风流完全压制，掘进头附近空气清洁度较高，工人视线清楚，生产不受影响。
可见，采用局扇抽出式通风方法辅以高效除尘风机的半循环通风，不仅解决了巷道掘进机在非煤矿山快速掘进时产尘量大的问题，而且对未来连续采矿设备的通风防尘具有重要参考意义。
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