巷道掘进工作面降温除尘控制装置及方法

技术领域

本发明属于巷道掘进工作面降温除尘技术领域，具体涉及一种巷道掘进工作面降温除尘控制装置及方法。

背景技术

随着我国浅部矿产资源逐渐开采耗尽以及开采技术和开采装置逐渐增强，矿井开采水平逐渐向深部转移，深部开采将是我国未来资源开发的重要形式且开发潜力巨大。此外，向地球深部进军也是我国战略科技需求。高温热害问题是矿井深部开采无法回避的重要难题，高温环境不仅会降低设备的工作性能，缩减使用寿命，还会对井下工作人员的生理健康造成巨大的伤害。高温环境下容易引起使人体的疲劳度增加、记忆力下降、注意力不集中、反应略为迟钝等生理不良反应，从而造成生产事故发生率显著增加。《金属非金属地下矿山安全规程》中规定“人员连续作业场所的湿球温度不得高于27℃，当湿球温度超过30℃时，应停止作业”。据统计，目前开采深度超过700m的矿井，其岩温大都已经超过35℃，最高温度接近50℃。而随着矿井开采深度逐渐增加，矿井内空气压缩、围岩传热、作业机械放热等因素的放热强度随之逐渐增加。在深部矿井的掘进巷道处，初始岩温较高且通风不良，因此巷道掘进头高温热害问题最为突出。

在以往的热害治理方法中，往往是通过加强通风进行改善工作面环境，布置风路，利用自然风或机械通风，形成散热通道，降低巷道内的温度。但这种方法具有明显的缺陷：1、附加的风路与原本矿井的通风网络相互约束，会对矿井原本的通风起到不良影响；2、采掘工作面内存在大量粉尘，用于处理热害的通风会导致二次扬尘；3、空气比热较小，通过空气进行的降温容易受到周围因素影响而发生剧烈的温度变化，与刚掘进形成的巷道岩壁发生对流换热，导致释放的新鲜风流温度快速升高，从而导致巷道掘进工作面附近风流温度较高，形成局部高温区域；4、通风系统大多均是围岩进行降温操作，而忽略了由于正常通风回流产生热量带来的影响；5、增添新的通风设备将增加工程的额外成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种巷道掘进工作面降温除尘控制装置，其设计新颖合理，通过可移动式移动的移动防护棚，减少巷道围岩向掘进工作面释放热量，并能防止岩顶冒落砸伤人和机械设备，在移动防护棚上布置换热水管，利用冷水对工作面风流和围岩降温的同时，采集围岩释放的热量回收利用，倾斜设置空气幕，使风流倾斜吹向采掘工作面，一方面有利于风流流入采掘工作面，另一方面可以增大空气幕对采掘工作面回风流的阻抗力度，减少采掘工作面回风流反流至移动防护棚，迫使交换风流流入回风间隙，同时增加了巷道壁面风流速度，促进巷道壁面围岩放热降温，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：巷道掘进工作面降温除尘控制装置，其特征在于：包括随采掘工作面掘进且在巷道内移动的移动防护棚和向移动防护棚内输送风流的局部风筒，以及设置在移动防护棚靠近采掘工作面一端内壁顶部的风压管和雾化喷头，风压管横向设置在移动防护棚靠近采掘工作面一端内壁顶部，雾化喷头位于风压管和采掘工作面之间且其喷射方向朝向采掘工作面；

移动防护棚包括隔热棚体、设置在隔热棚体内侧面上的降温层和设置在隔热棚体外侧面上的吸热层，吸热层与巷道的围岩之间存在回风间隙，局部风筒靠近一侧降温层设置，风压管靠近局部风筒的一端远离采掘工作面设置在移动防护棚一端内壁顶部，风压管远离局部风筒的另一端靠近采掘工作面设置在移动防护棚另一端内壁顶部，风压管底部朝向采掘工作面的一侧开始有一排风压孔，进风井通过风压传输管向风压管传输高压空气，高压空气经一排风压孔形成向下倾斜的空气幕，空气幕的底部靠近采掘工作面；

降温层和吸热层均包括热交换壳体和盘绕设置在所述热交换壳体内的换热水管，降温层内换热水管远离采掘工作面的一端与冷水箱连通，降温层内换热水管靠近采掘工作面的一端与吸热层内换热水管靠近采掘工作面的一端通过连接管连通，吸热层内换热水管远离采掘工作面的一端与余热收集水箱连通，雾化喷头由降温层内换热水管靠近采掘工作面的一端供水。

上述的巷道掘进工作面降温除尘控制装置，其特征在于：所述进风井通过风泵向局部风筒传输新鲜风流，新鲜风流未穿过空气幕的风流在移动防护棚内流动给密集工作区内矿工提供干净气源，新鲜风流穿过空气幕的风流与采掘工作面上风流交换后形成交换风流，交换风流经回风间隙从回风井排出。

上述的巷道掘进工作面降温除尘控制装置，其特征在于：所述移动防护棚的底部设置有多个滚轮。

上述的巷道掘进工作面降温除尘控制装置，其特征在于：所述热交换壳体的外表面设置有多个换热翅片。

上述的巷道掘进工作面降温除尘控制装置，其特征在于：所述降温层和吸热层均由多个换热单元拼装而成，所述换热单元包括钢壳体和设置在钢壳体内的U形换热水管，钢壳体的边缘开设有用于配合连接的企口，相拼接的两个换热单元通过固定栓连接，相拼接的两个换热单元内的U形换热水管相连通。

上述的巷道掘进工作面降温除尘控制装置，其特征在于：所述风压管位于地面的投影线与巷道横断面的夹角为10°～15°，空气幕所在平面与巷道横断面的夹角为15°～20°。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可进行巷道掘进工作面降温除尘控制的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、根据公式

步骤二、测量确定巷道主换热区：利用风速传感器采集巷道壁面风流速度，当风速传感器采集巷道壁面风流速度大于

步骤三、确定移动防护棚的长度：根据公式L＝L

步骤四、移动防护棚的拼装：根据移动防护棚的长度计算值确定隔热棚体的长度，采用多个换热单元在隔热棚体内外拼装与隔热棚体等长的降温层和吸热层，并将移动防护棚推移至采掘工作面；

步骤五、降温除尘控制装置的组装，过程如下：

步骤501、将局部风筒伸向移动防护棚内，在移动防护棚靠近采掘工作面一端内壁顶部安装风压管和雾化喷头，雾化喷头与降温层内换热水管连通；

步骤502、降温层内换热水管远离采掘工作面的一端与冷水箱连通，吸热层内换热水管远离采掘工作面的一端与余热收集水箱连通；

步骤503、进风井通过风压传输管向风压管传输高压空气，高压空气经一排风压孔形成向下倾斜的空气幕，进风井通过风泵向局部风筒传输新鲜风流；

步骤六、掘进工作面降温除尘：冷水在降温层内换热水管内流动时降低降温层的热交换壳体温度，而风流与降温层的热交换壳体之间发生对流换热，使风流温度降低，从而降低掘进工作面区域温度；

降温层内换热水管内冷水在吸收风流热量后，流入布置在吸热层内换热水管，吸热层内换热水管吸收来周围环境中的热量，加速巷道围岩的冷却，冷水吸热升温后形成的温水可通过余热收集水箱回收利用；

雾化喷头由降温层内换热水管靠近采掘工作面的一端供水，雾化喷头朝向采掘工作面喷射水雾，吸附尘埃降尘；

空气幕阻隔采掘工作面和移动防护棚内的风流流动，新鲜风流从局部风筒内释放后，一部分新鲜风流穿过空气幕射流采掘工作面，在撞击采掘工作面后风流回转流向回风间隙，此时，在空气幕的阻隔作用下，与采掘工作面接触后的带有尘埃的交换风流难以再流入移动防护棚内，同时增加了巷道壁面风流速度，促进巷道壁面围岩放热降温；另一部分新鲜风流未穿过空气幕，新鲜风流在移动防护棚内流动给密集工作区内矿工提供干净气源。

上述的方法，其特征在于：所述风压管位于地面的投影线与巷道横断面的夹角为10°～15°，空气幕所在平面与巷道横断面的夹角为15°～20°。

上述的方法，其特征在于：步骤六中，风压管位于地面的投影线与巷道横断面的夹角为10°，防止了移动防护棚远离局部风筒侧空气幕形成局部负压，阻隔返风流流入移动防护棚内，且在空气幕的作用下，迫使交换风流流入回风间隙；

空气幕所在平面与巷道横断面的夹角为15°，即风流倾斜吹向采掘工作面，一方面有利于风流流入采掘工作面，另一方面可以增大空气幕对采掘工作面回风流的阻抗力度，减少采掘工作面回风流反流至移动防护棚。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的装置，通过设置可移动式移动的移动防护棚，减少巷道围岩向掘进工作面释放热量，并能防止岩顶冒落砸伤人和机械设备，在移动防护棚的内外表面布置换热水管，冷水流经移动防护棚的内表面上换热水管，形成降温层，冷水循环升温流经移动防护棚的外表面上换热水管，形成吸热层，利用冷水对工作面风流和围岩降温的同时，采集围岩释放的热量回收利用；移动防护棚在靠近掘进工作面的一端安装雾化喷头，对工作面进行除尘，并降低新掘进岩层的温度。

2、本发明采用的装置，通过局部风筒向移动防护棚内输送风流，在雾化喷头后方设计有一道具有一定角度的空气幕，能迫使从工作面回流的污风流入移动防护棚与围岩之间的回风间隙，倾斜设置的空气幕，使风流倾斜吹向采掘工作面，一方面有利于风流流入采掘工作面，另一方面可以增大空气幕对采掘工作面回风流的阻抗力度，减少采掘工作面回风流反流至移动防护棚，迫使交换风流流入回风间隙，同时增加了巷道壁面风流速度，促进巷道壁面围岩放热降温，在增强岩壁与风流换热的同时，改善了防护装置内工人活动区域的工作环境，便于推广使用。

3、本发明采用的方法，步骤简单，利用测量壁面风流速度的方法来判断掘进巷道壁面主放热区域，主要对该区域进行隔热降温防护，据此可计算出移动防护棚最小安装长度，根据实际矿井参数装配适应的移动防护棚，利用冷水对工作面风流和围岩降温的同时，采集围岩释放的热量回收利用，利用雾化喷头、风流和空气幕的配合除尘降温，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，通过可移动式移动的移动防护棚，减少巷道围岩向掘进工作面释放热量，并能防止岩顶冒落砸伤人和机械设备，在移动防护棚上布置换热水管，利用冷水对工作面风流和围岩降温的同时，采集围岩释放的热量回收利用，倾斜设置空气幕，使风流倾斜吹向采掘工作面，一方面有利于风流流入采掘工作面，另一方面可以增大空气幕对采掘工作面回风流的阻抗力度，减少采掘工作面回风流反流至移动防护棚，迫使交换风流流入回风间隙，同时增加了巷道壁面风流速度，促进巷道壁面围岩放热降温，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的装置的风流流向原理图。

图2为本发明采用的装置的结构示意图。

图3为本发明采用的装置中新鲜风流、空气幕和交换风流的流向原理图。

图4为本发明换热单元的结构示意图。

图5为本发明两个换热单元的连接关系示意图。

图6为本发明方法的流程框图。

附图标记说明:

1—采掘工作面； 2—隔热棚体； 3—降温层；

4—吸热层； 5—空气幕； 6—雾化喷头；

7—回风间隙； 8—密集工作区； 9—围岩；

10—进风井； 11—回风井； 12—局部风筒；

13—风泵； 14—钢壳体； 15—U形换热水管；

16—企口； 17—固定栓； 18—风压管；

19—连接管； 20—滚轮； 21—换热翅片；

22—移动防护棚； 23—新鲜风流； 24—交换风流。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明所述的巷道掘进工作面降温除尘控制装置，包括随采掘工作面1掘进且在巷道内移动的移动防护棚22和向移动防护棚22内输送风流的局部风筒12，以及设置在移动防护棚22靠近采掘工作面1一端内壁顶部的风压管18和雾化喷头6，风压管18横向设置在移动防护棚22靠近采掘工作面1一端内壁顶部，雾化喷头6位于风压管18和采掘工作面1之间且其喷射方向朝向采掘工作面1；

移动防护棚22包括隔热棚体2、设置在隔热棚体2内侧面上的降温层3和设置在隔热棚体2外侧面上的吸热层4，吸热层4与巷道的围岩9之间存在回风间隙7，局部风筒12靠近一侧降温层3设置，风压管18靠近局部风筒12的一端远离采掘工作面1设置在移动防护棚22一端内壁顶部，风压管18远离局部风筒12的另一端靠近采掘工作面1设置在移动防护棚22另一端内壁顶部，风压管18底部朝向采掘工作面1的一侧开始有一排风压孔，进风井10通过风压传输管向风压管18传输高压空气，高压空气经一排风压孔形成向下倾斜的空气幕5，空气幕5的底部靠近采掘工作面1；

降温层3和吸热层4均包括热交换壳体和盘绕设置在所述热交换壳体内的换热水管，降温层3内换热水管远离采掘工作面1的一端与冷水箱连通，降温层3内换热水管靠近采掘工作面1的一端与吸热层4内换热水管靠近采掘工作面1的一端通过连接管19连通，吸热层4内换热水管远离采掘工作面1的一端与余热收集水箱连通，雾化喷头6由降温层3内换热水管靠近采掘工作面1的一端供水。

需要说明的是，通过设置可移动式移动的移动防护棚，减少巷道围岩向掘进工作面释放热量，并能防止岩顶冒落砸伤人和机械设备，在移动防护棚的内外表面布置换热水管，冷水流经移动防护棚的内表面上换热水管，形成降温层，冷水循环升温流经移动防护棚的外表面上换热水管，形成吸热层，利用冷水对工作面风流和围岩降温的同时，采集围岩释放的热量回收利用；移动防护棚在靠近掘进工作面的一端安装雾化喷头，对工作面进行除尘，并降低新掘进岩层的温度；通过局部风筒向移动防护棚内输送风流，在雾化喷头后方设计有一道具有一定角度的空气幕，能迫使从工作面回流的污风流入移动防护棚与围岩之间的回风间隙，倾斜设置的空气幕，使风流倾斜吹向采掘工作面，一方面有利于风流流入采掘工作面，另一方面可以增大空气幕对采掘工作面回风流的阻抗力度，减少采掘工作面回风流反流至移动防护棚，迫使交换风流流入回风间隙，同时增加了巷道壁面风流速度，促进巷道壁面围岩放热降温，在增强岩壁与风流换热的同时，改善了防护装置内工人活动区域的工作环境。

本实施例中，所述进风井10通过风泵13向局部风筒12传输新鲜风流23，新鲜风流23未穿过空气幕5的风流在移动防护棚22内流动给密集工作区8内矿工提供干净气源，新鲜风流23穿过空气幕5的风流与采掘工作面1上风流交换后形成交换风流24，交换风流24经回风间隙7从回风井11排出。

本实施例中，所述移动防护棚22的底部设置有多个滚轮20。

需要说明的是，移动防护棚22的底部设置有多个滚轮20，便于移动防护棚22在巷道内移动，省力快捷。

本实施例中，所述热交换壳体的外表面设置有多个换热翅片21。

需要说明的是，热交换壳体的外表面设置有多个换热翅片21，可减速热交换过程，实现降温层3对风流的快速降温，吸热层4对围岩温度快速的吸热。

本实施例中，所述降温层3和吸热层4均由多个换热单元拼装而成，所述换热单元包括钢壳体14和设置在钢壳体14内的U形换热水管15，钢壳体14的边缘开设有用于配合连接的企口16，相拼接的两个换热单元通过固定栓17连接，相拼接的两个换热单元内的U形换热水管15相连通。

本实施例中，所述风压管18位于地面的投影线与巷道横断面的夹角为10°～15°，空气幕5所在平面与巷道横断面的夹角为15°～20°。

如图6所示的一种巷道掘进工作面降温除尘控制的方法，包括以下步骤：

步骤一、根据公式

步骤二、测量确定巷道主换热区：利用风速传感器采集巷道壁面风流速度，当风速传感器采集巷道壁面风流速度大于

步骤三、确定移动防护棚的长度：根据公式L＝L

步骤四、移动防护棚的拼装：根据移动防护棚的长度计算值确定隔热棚体2的长度，采用多个换热单元在隔热棚体2内外拼装与隔热棚体2等长的降温层3和吸热层4，并将移动防护棚推移至采掘工作面1；

步骤五、降温除尘控制装置的组装，过程如下：

步骤501、将局部风筒12伸向移动防护棚22内，在移动防护棚22靠近采掘工作面1一端内壁顶部安装风压管18和雾化喷头6，雾化喷头6与降温层3内换热水管连通；

步骤502、降温层3内换热水管远离采掘工作面1的一端与冷水箱连通，吸热层4内换热水管远离采掘工作面1的一端与余热收集水箱连通；

步骤503、进风井10通过风压传输管向风压管18传输高压空气，高压空气经一排风压孔形成向下倾斜的空气幕5，进风井10通过风泵13向局部风筒12传输新鲜风流23；

步骤六、掘进工作面降温除尘：冷水在降温层3内换热水管内流动时降低降温层3的热交换壳体温度，而风流与降温层3的热交换壳体之间发生对流换热，使风流温度降低，从而降低掘进工作面区域温度；

降温层3内换热水管内冷水在吸收风流热量后，流入布置在吸热层4内换热水管，吸热层4内换热水管吸收来周围环境中的热量，加速巷道围岩的冷却，冷水吸热升温后形成的温水可通过余热收集水箱回收利用；

雾化喷头6由降温层3内换热水管靠近采掘工作面1的一端供水，雾化喷头6朝向采掘工作面1喷射水雾，吸附尘埃降尘；

空气幕5阻隔采掘工作面1和移动防护棚22内的风流流动，新鲜风流23从局部风筒12内释放后，一部分新鲜风流23穿过空气幕5射流采掘工作面1，在撞击采掘工作面1后风流回转流向回风间隙7，此时，在空气幕5的阻隔作用下，与采掘工作面1接触后的带有尘埃的交换风流24难以再流入移动防护棚22内，同时增加了巷道壁面风流速度，促进巷道壁面围岩放热降温；另一部分新鲜风流23未穿过空气幕5，新鲜风流23在移动防护棚22内流动给密集工作区8内矿工提供干净气源。

本实施例中，步骤六中，风压管18位于地面的投影线与巷道横断面的夹角为10°，防止了移动防护棚22远离局部风筒侧空气幕5形成局部负压，阻隔返风流流入移动防护棚22内，且在空气幕5的作用下，迫使交换风流24流入回风间隙7；

空气幕5所在平面与巷道横断面的夹角为15°，即风流倾斜吹向采掘工作面1，一方面有利于风流流入采掘工作面1，另一方面可以增大空气幕5对采掘工作面1回风流的阻抗力度，减少采掘工作面1回风流反流至移动防护棚22。

本发明使用时，步骤简单，利用测量壁面风流速度的方法来判断掘进巷道壁面主放热区域，主要对该区域进行隔热降温防护，据此可计算出移动防护棚最小安装长度，根据实际矿井参数装配适应的移动防护棚，利用冷水对工作面风流和围岩降温的同时，采集围岩释放的热量回收利用，利用雾化喷头、风流和空气幕的配合除尘降温；

当新鲜风流从局部风筒12内释放后，移动防护棚22能够防止风流与高温岩壁接触，阻止了高温围岩向巷道风流内释放热量，空气幕5阻隔来自采掘工作面1的交换风流24，交换风流24为污风流，迫使大部分含粉尘的高温风流从移动防护棚22与巷道壁面之间的回风间隙7流出，降温层3内的冷水可使移动防护棚22内表面温度降低，风流在与移动防护棚22接触时发生换热，风流内的热量被换热管路内的水吸收，形成温水，移动防护棚22上布置一定数量的换热翅片21，可以增强水与风流之间的换热，提高降温层3的降温效果，回风间隙7内流动的风流可以加速巷道壁面岩石的放热，在移动防护棚22随工作面掘进移动后，巷道壁面岩石的温度得到了大大较低，减小风流在巷道内流动时的升温，对整个矿井热害起到改善作用；因此在移动防护棚22的作用下，掘进巷道人员主要工作区域的工作环能能够得到有效的改善。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。