随着快速掘进技术的应用，粉尘治理问题越来越突出，掘进工作面产尘量激增，粉尘浓度可达2 000 mg/m3 以上。矿尘危害体现在恶化作业环境、产生爆炸危险性、减少仪器寿据统计，2000—2015年全国共发生煤尘爆炸事故14起，死亡483人。此外，仅2014 年全国报告职业病29 972例，其中煤炭等工业行业占52.73%，而大多数的矿工尘肺病是在掘进作业中造成的。因此，有必要对快速掘进过程中产生的粉尘进行有效治理。
小断面巷道由于空间限制，干式除尘器难以应用，常采用湿式除尘技术进行防尘治理。因此就要求湿式除尘技术既要适应小断面的空间限制，又要满足巷道粉尘治理的需要，还要满足巷道快速掘进的系统化、一体化要求，基于此，笔者对湿式除尘技术在小断面巷道快速掘进系统中的应用进行了研究。
小断面快掘系统湿式除尘的布置与要求
总体布置
小断面快速掘进系统主要由矮型掘进机、自移式超前支护支架、锚杆钻车、桥式转载机、湿式除尘系统等组成，满足在宽度5 m、高度2.8 m的半煤岩巷道中使用。
湿式除尘器（图1）骑跨于可伸缩皮带机机尾轨道上，除尘风筒经转载机延伸至掘进机机身上，湿式除尘器及除尘风筒随桥式转载机移动。湿式除尘器可实现远程一键顺序启停及本地控制，控尘装置通过风筒滑轨预吊挂接续，跟随自移式超前支护支架移动，满足通风的要求。
1—供风风筒 ；2—PLC控制箱；3—除尘设备；4—控尘装置；5—锚杆机；6—超前支护支架；7—掘进机
图1 过滤式湿式除尘器
湿式除尘设备主要技术要求
湿式除尘设备主要技术要求如下：
高效湿式除尘技术
湿式除尘器的研制
我国煤矿现行湿式除尘方式主要包括水喷雾、泡沫除尘以及除尘器除尘。研究表明，喷雾降尘在水压较低的情况下除尘效率并不理想，且喷雾降尘易受外界干扰，还容易造成工作面湿滑，影响工人作业。泡沫除尘相比较于喷雾降尘的效果更理想，被广泛应用于掘进工作面，但作为技术难点的发泡剂的复配以及高效发泡装置未能被解决。湿式除尘器由于可机载于掘进设备也可布置于巷道指定地方以及除尘效率高等优点，在煤矿井下被广泛使用。
目前，国内湿式除尘技术已经非常成熟，蒋仲安等根据掘进巷道特点研制了一种新型高效的自激式水浴水膜除尘器,该除尘器除尘效率达98%以上,对呼吸性粉尘的除尘效率也达90%，吴志荣等设计了湿式共振弦栅过滤除尘器，应用结果表明多级湿式共振弦栅过滤除尘器的除尘效果良好。邱乾胜设计了金属网除尘器的不同模型，通过试验发现湿式金属网除尘器的阻力受风速影响较大，喷水量影响较小等结论。姜玉婷在对湿式金属网除尘机理研究基础上，通过实际测试找出了除尘器阻力、效率与影响因素间的关系，优化出了最佳滤速与喷水量。
笔者研制的过滤式湿式除尘器（图2）由于巷道高度限制，除尘器主机采用矮型扁平化设计，主机高度由普通型的1 500 mm降为1 271 mm，宽度则由普通型的1 192 mm变为1 492 mm。主机核心部件为喷雾组件（图3）、除雾垫层（图4）、脱水装置，经检测该除尘器总粉尘除尘效率≥99%，呼吸性粉尘除尘效率≥90%，液气比≤0.1，远低于矿用除尘器标准的液气比≤0.4的要求。
图2 湿式除尘器主机外形
图3 喷雾组件、图4 除雾垫层
1）喷雾组件的核心部件空心锥形喷嘴。采用独特的旋流腔设计，形成130°环形打击区域，雾化效果较好，大孔径流通通道减少了杂质的堵塞，使得在较低压力下也能形成较好的雾化效果，产生良好的液滴撞击捕集效果。
2）除雾垫层。采用特有的波浪式除雾垫层捕尘技术，滤网层由多层细丝网紧密压制而成，使得喷嘴喷出的水雾在金属网表面形成1层水膜，并且在金属网层间形成大量的水滴和气泡，波浪式设计增大了含尘气流与金属滤网的接触面积，降低了气流通过滤网的瞬间速度，使得含尘气流与水膜充分接触，在保证除尘效率的同时，降低了除尘器的用水量，液气比≤0.1。含尘气流在撞击水膜、绕过气泡、水滴以及金属丝的过程中，由于截留、惯性碰撞及扩散效应，较大的尘粒由于截留和惯性碰撞效应被捕获，而较小的尘粒则由于扩散效应被捕获，被捕获的粉尘随着水流被带走。
3）脱水装置（图5）。导叶片采用特有的流线型二通道带钩气液分离技术，由于叶片带钩，除雾效率和二次夹带的临界速度都得到很大的提高，试验证明大多数液滴在倒钩附近及通道转弯处被捕集，气体中的小粒径液滴以及部分较大粒径的液滴由于夹带作用会随着气体从两叶片间带倒钩的相对侧出口处逃逸，为此对脱水装置所采用的流线型二通道带钩叶片进行了优化设计，在叶片倒钩另一侧也设计了L型沟槽，提高了液滴的捕集效率，使得净化后的气流中几乎不含任何液滴。原流线型和改进流线型二通道叶片如图6所示。
图5 脱水装置、图6 原流线型和改进流线型二通道叶片
1—压风筒；2—湿式除尘主机；3—矿用防爆抽出轴流通风机；4—支撑移动装置；5—控制系统；6—进水电动球阀；7—排污电动球阀
图7 湿式除尘系统布置
湿式除尘系统的布置与控制
湿式除尘系统（图7）主要包含湿式除尘主机、矿用防爆抽出轴流通风机、支撑移动装置、负压吸风风筒以及控制系统等。湿式除尘主机和矿用防爆抽出轴流通风机通过支撑移动装置跨骑在带式转载机上，跟随掘进机移动。支撑移动装置采用浮动轮设计，通过十字铰接耳与一运转载小车连接，形成“机拖式”结构，很好地解决了带式转载机不平导致的移动装置“掉道”现象。
湿式除尘系统的控制采用掘进机远程控制及PLC控制箱本地控制，PLC控制箱采用先进的矿用本安型嵌入式工业控制计算机，具有完善的抗干扰能力，可适应井下恶劣的生产环境，其突出特点之一是自由口通信功能，支持多种通信模式，现场易编程、易扩展，基本免维护，自动检测系统故障等功能。控制系统原理如图8所示。I/O模块采用可拆卸端子排,预留有工业以太网光纤接口，可与矿井综合自动化系统通信，实现远程集中控制。掘进机电控箱处设有远程一键启动按钮，可以实现除尘器的轴流通风机、电动球阀（供水）、电动球阀（排污）的一键顺序启停，启动顺序为：排水-供水-轴流通风机，关停顺序为：轴流通风机-供水-排水，简化了操作过程，提高了作业人员的效率。
控尘技术
合理的通风除尘系统应能有效地控制掘进机产生的粉尘，并把含尘空气吸入除尘器中加以净化，以提高巷道除尘效率。实践证明长压短抽通风除尘系统是综掘面较有效的粉尘治理手段，而实际应用过程中出现的粉尘治理效果不佳的情况主要原因是除尘系统无法有效将含尘气流捕捉，导致粉尘随气流向巷道后方扩散。控尘系统主要采用附壁风筒、涡流控尘装置、空气幕等手段，其中附壁风筒由于结构简便、操作方便等原因被普遍采用，其按材质可分为刚性和柔性。附壁风筒的控尘原理为在风筒的侧壁面开设出风口，将原压入风筒供给综掘工作面的轴向气流变为吹向巷道壁的气流，并以一定的旋转速度沿巷道断面吹向掘进工作面；在掘进工作面除尘器产生的负压作用下，气流在掘进机司机前侧形成一堵风墙，阻挡掘进机工作时产生的粉尘向后扩散，提高了除尘器的吸尘能力，从而提高了掘进巷道的除尘效率。
许多技术人员和现场人员对附壁风筒的控尘方式和现场应用进行了研究和改进，研制了径向出风、螺旋出风等多种形式的附壁风筒，材质包括钢制、柔性、高分子合成材料等。蒋仲安等通过对掘进巷道粉尘控制技术研究得出：如果压入式风筒口距机掘工作面的距离过小,掘进工作面产生的粉尘容易被带出工作面；若压入式风筒口距机掘工作面距离过大,则排尘风速过小，不易形成吹吸系统,对收尘不利。压入式风筒口距机掘工作面的距离L宜取≤ (4 ～ 5)（S为巷道断面面积），一般除尘器吸尘口距机掘工作面的距离L宜取≤1.5。聂文对综掘工作面采用单一和附壁风筒压抽混合式通风系统的风流场及粉尘流场进行数值模拟,得出附壁风筒形成的可封闭巷道整个断面的旋转风幕能有效地将粉尘封闭在综掘机司机前方的空间内，控制粉尘向其他区域扩散，抽出风筒抽出粉尘的能力提高了1.21倍。李晓芳等结合实际巷道粉尘分布情况，对不同压抽比的粉尘分布进行数值模拟，得出在试验巷道的压抽比1.1为最佳压抽比，此时粉尘浓度已降低到较低水平并趋于稳定。荔军通过对井下干式除尘器的初始使用情况和长期使用情况进行调研，发现控尘技术在巷道粉尘治理中起着重要作用，配置有控尘技术的巷道，其总除尘效率可达96% ～ 98%，呼吸性粉尘除尘效率可达93% ～ 95%; 而在未配置控尘技术的巷道，其总除尘效率降至76%，呼吸性粉尘除尘效率降至71%。陆新晓等研究表明，附壁风筒可将高浓度粉尘控制在掘进工作面前狭小空间，最高粉尘浓度可达常规风筒的5. 65倍，附壁风筒在风筒出口附近控尘率最高，进风侧自上而下控尘率逐渐降低，回风侧控尘率呈现相反规律。蒋仲安等利用实验模型，对掘进工作面的流场和粉尘场的空间分布规律进行了研究。结果表明：附壁风筒配合长压短抽的通风方式，能够在巷道端头形成一种有效防治粉尘扩散、旋转前进的屏蔽流场，而压抽比与抽风风筒位置则是影响附壁风筒流场屏蔽效果的关键。荔军等研制了基于风筒材料的风量可调附壁风筒。王宽等研制了长度为5m的柔性附壁风筒，得出柔性附壁风筒的应用是一种有效的辅助降尘措施,且此风筒更适于在供风量较大的地点应用,如高瓦斯矿的煤巷或低瓦斯矿高瓦斯区域煤巷等掘进工作面,不仅可以对降尘措施起到辅助作用,而且有利于驱散角落积聚的高浓度瓦斯。王昊等为明确附壁风筒径向流量所占压风总量的比例及抽风筒的抽尘距离对综掘区域隔尘风幕形成及隔尘效的影响，以蒋庄煤矿综掘工作面为研究对象，对附壁风筒不同径向流量比例、不同抽尘距离条件下的风流运移及粉尘逸散情况进行数值模拟分析。结果显示，径向流量比例的增加、抽尘距离的降低，有利于在综掘区域形成有效隔尘风幕。陈明军利用压风分流控尘理论解决了长压短抽除尘系统在小断面全岩综掘巷道粉尘治理时出现的有害气体和粉尘在端头长时间、大量聚集的现象。
实践和理论研究表明合理的使用附壁风筒对于提高巷道的综合除尘效率具有重要的意义，控尘技术的应用大幅度提高了巷道的综合除尘效率。笔者结合小断面快掘系统的具体设计要求，研制了1套高效的控尘系统，根据理论研究结合现场情况，将控尘装置布置在距离掘进工作面约17 m处，通过改变附璧风筒的侧向出风量及巷道的压抽比实现了最佳的控尘效果，巷道总粉尘综合除尘效率达到了90%。控尘系统（图9）主要由柔性附壁风筒（图10）、轻型吊挂移动装置、负压风筒以及控尘装置（图11）等组成，其中柔性附壁风筒设有快开式径向出风口，可以快速打开和关闭。轻型吊挂移动装置安装在锚杆或锚网上，结构较轻，便于拆装。负压风筒储存在风筒储存器内且通过柔性连接器与超前支护支架连接，随着超前支架的前移而延伸。控尘装置主要包含悬挂体、风筒储存器、附壁风门等部件，风筒储存器设计可储存10～15 m负压风筒，可满足1个工作循环的使用，附壁风门可根据现场具体情况开启不同角度，满足不同压抽比的要求。
图8 控制系统原理
1—柔性附壁风筒；2—控尘装置；3—轻型吊挂移动装置；4—负压风筒；5—柔性连接器；6—自移式超前支架
图9 控尘系统
图10 柔性附壁风筒、图11 控尘装置
结论
1）湿式除尘器采用独有波浪式滤网以及特殊设计的流线型二通道叶片，大幅提高了湿式除尘器的除尘效率、湿式除尘器液气比低至0.1、减少了净化气体中的液滴含量，满足了巷道粉尘治理要求，避免了净化气体中的液滴对周边作业环境的影响。
2）湿式除尘系统通过远程一键启停功能、预留的工业以太网光纤接口可与矿井综合自动化系统通信，实现远程集中控制，提高了湿式除尘系统的自动化程度。
3）支撑移动装置通过浮动轮结构很好地解决了“掉道”问题，控尘装置的随动设计、湿式除尘器的跟机移动，很好地满足了小断面巷道快速掘进系统的设计要求。
4）由于巷道较小，同时控尘装置只与超前支护支架发生关系，因此笔者研制的控尘装置附壁风门采用手动开启，储存风筒只能由自移式超前支架拖动延伸，无法自动收缩，存在自动化程度较低的问题。后期需要研制自动化程度较高的控尘装置，实现风门的开启和附璧风筒径向分风量的电动或气动可调以及储存风筒的自动伸缩，以及控尘装置的远程控制等。
