綜掘工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律及控制技術(shù)研究

丁厚成，楊 帆，張義坤

(1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

綜掘工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律及控制技術(shù)研究

丁厚成1，楊 帆1，張義坤2

(1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

針對(duì)煤礦綜掘工作面現(xiàn)有粉塵治理措施存在的不足，在長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)除塵方式中利用附壁風(fēng)筒的旋流控塵作用將高濃度粉塵聚集在迎頭，同時(shí)結(jié)合新型氣水噴霧模塊進(jìn)行綜合粉塵防治；以淮南煤礦區(qū)某綜掘工作面為原型，根據(jù)井下實(shí)際情況，利用Gambit建立掘進(jìn)巷道的幾何模型，并利用Fluent軟件對(duì)不同條件下掘進(jìn)巷道通風(fēng)過(guò)程中粉塵分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算與分析，確定了綜掘工作面高濃度粉塵分布和運(yùn)移規(guī)律；綜合以上情況，采用長(zhǎng)壓短軸通風(fēng)方式下新型氣水噴霧模塊附壁風(fēng)筒配合自激式水浴水膜除塵器治理綜掘工作面粉塵，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)顯示，在回風(fēng)側(cè)全塵及呼吸性粉塵除塵效率均達(dá)到了89%以上。

煤礦綜掘工作面；粉塵運(yùn)移；數(shù)值模擬；自激式水浴水膜除塵器；附壁風(fēng)筒

煤礦粉塵是巖塵和煤塵的統(tǒng)稱，是煤礦的主要危險(xiǎn)源之一，可引起塵肺病和煤塵爆炸。煤礦采掘機(jī)械化程度的提高和采掘強(qiáng)度的增大，導(dǎo)致井下作業(yè)地點(diǎn)產(chǎn)塵量急劇增大，嚴(yán)重威脅了煤礦的安全生產(chǎn)和礦工的身體健康。在含塵環(huán)境中工作的工人，長(zhǎng)期吸入大量的粉塵，易患有塵肺病。同時(shí)，當(dāng)具有爆炸危險(xiǎn)的煤塵達(dá)到一定濃度，在引爆熱源的作用下，可以發(fā)生猛烈的爆炸，造成極為慘痛的后果，如果煤塵與瓦斯結(jié)合，一旦爆炸，損失將會(huì)更加慘重。

為了加強(qiáng)對(duì)煤礦粉塵的控制，保障煤礦井下作業(yè)人員的身心健康，目前主要采取“減、降、排、除”和個(gè)體防護(hù)等防塵措施，具體措施包括煤層注水、濕式作業(yè)、噴霧灑水、噴射泡沫、添加濕潤(rùn)劑、通風(fēng)除塵和除塵器等[1-8]。但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有防塵措施存在一些不足，主要表現(xiàn)為：井下內(nèi)噴霧易被堵塞，維護(hù)困難，外噴霧霧化效果不理想；煤層注水操作工序較復(fù)雜；泡沫除塵成本較高；一些除塵器較為笨重，安裝使用不便?；诖耍疚脑诨茨厦旱V區(qū)某綜掘工作面，采用長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)方式下新型氣水噴霧模塊、附壁風(fēng)筒配合自激式水浴水膜除塵器(以下簡(jiǎn)稱除塵器)進(jìn)行了粉塵綜合治理的研究與實(shí)踐。

1 綜掘工作面粉塵濃度測(cè)定

1.1 綜掘工作面概況

淮南煤礦區(qū)某綜掘工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 450 m，煤層傾角為0°～8°，平均為5°，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)。巷道為梯形斷面，設(shè)計(jì)尺寸為凈寬×凈高=4.0 m×2.6 m，采用錨索網(wǎng)支護(hù)。綜掘工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為0.35～0.68 m3/min，采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)筒直徑為600 mm，壓入風(fēng)量為350 m3/min。

1.2 綜掘工作面粉塵濃度測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)粉塵濃度測(cè)定規(guī)程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在巷道回風(fēng)側(cè)人行道上呼吸帶高度布置采樣點(diǎn)，從掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處開始進(jìn)行粉塵濃度檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

1.3 綜掘工作面粉塵濃度測(cè)定及分析

采用AKFC-92A粉塵采樣儀進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間為2 min，流量為20 L/min，并對(duì)所采樣品進(jìn)行粉塵濃度檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)繪制粉塵濃度分布曲線，如圖2所示。

由圖2可以看出：在綜掘工作面回風(fēng)側(cè)距離司機(jī)處10 m范圍內(nèi)粉塵濃度較高，無(wú)除塵措施時(shí)在司機(jī)處全塵濃度達(dá)到968 mg/m3，呼吸性粉塵濃度為772 mg/m3，分別超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)96倍和219倍；由于壓入式風(fēng)筒懸掛在巷道右?guī)吞帲咚賴姵龅娘L(fēng)流造成巷道斷面風(fēng)流紊亂，局部風(fēng)速不均，掘進(jìn)工作面前方存在許多不穩(wěn)定的渦流，產(chǎn)生的粉塵被吹向了掘進(jìn)機(jī)左下回風(fēng)側(cè)，導(dǎo)致回風(fēng)側(cè)成為高濃度粉塵聚集區(qū)；司機(jī)處以后大顆粒粉塵由于重力作用沉降，粉塵濃度快速下降，微小粉塵迅速擴(kuò)散到全巷道并緩慢沉降。

2 粉塵運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬

2.1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將綜掘工作面進(jìn)行一定簡(jiǎn)化之后用Gambit建立幾何模型[9-12]，如圖3所示。巷道長(zhǎng)度為100 m，巷道斷面規(guī)格為4.0 m×2.6 m的梯形；巷道采用長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)方式，壓入式風(fēng)筒懸掛在掘進(jìn)方向右側(cè)，壓入風(fēng)筒直徑為600 mm，風(fēng)筒軸線到巷道底板的距離為1.8 m，附壁風(fēng)筒安裝在壓入式風(fēng)筒前端，出風(fēng)口到綜掘工作面的距離為7 m；除塵器出口位置距離工作面24 m；抽風(fēng)筒直徑為500 mm，抽風(fēng)量為195 m3/min。

2.2 掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)流流場(chǎng)分布規(guī)律

本文利用Fluent軟件對(duì)掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)流流場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其模擬結(jié)果見圖4和圖5。

由圖4可以看出：壓入式通風(fēng)時(shí)，掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)流自右側(cè)風(fēng)筒內(nèi)高速噴射而出，大部分風(fēng)流因受到迎頭和掘進(jìn)機(jī)的阻礙而被導(dǎo)向巷道左側(cè)，經(jīng)過(guò)一段距離的擴(kuò)散之后風(fēng)速趨于穩(wěn)定，并均勻分布于巷道整個(gè)斷面內(nèi)；受到掘進(jìn)機(jī)的擾動(dòng)影響，壓入式風(fēng)筒的高速風(fēng)流在距離迎頭20 m的距離范圍內(nèi)風(fēng)速高、穩(wěn)定性差，當(dāng)其距離迎頭超過(guò)20 m后，風(fēng)流流場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定分布，風(fēng)速基本保持在0.4～0.5 m/s。

由圖5可以看出：采用綜合除塵措施后，在附壁風(fēng)筒和除塵器共同作用下，掘進(jìn)工作面前端形成了一個(gè)穩(wěn)定的風(fēng)流場(chǎng)，大部分風(fēng)流由附壁風(fēng)筒側(cè)縫流出，在巷道斷面的影響下，將壓入式風(fēng)筒內(nèi)軸向高速風(fēng)流轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的低速風(fēng)流，在掘進(jìn)機(jī)區(qū)域形成一道逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)向前的風(fēng)墻，能阻止塵源處的大量粉塵顆粒向掘進(jìn)巷道后方擴(kuò)散，同時(shí)保證掘進(jìn)機(jī)后面區(qū)域內(nèi)風(fēng)流流場(chǎng)分布更為均勻，改善了之前風(fēng)流場(chǎng)紊亂的狀況；在風(fēng)流場(chǎng)中，旋轉(zhuǎn)風(fēng)流和除塵器共同作用，在吸風(fēng)口處形成了較大范圍的負(fù)壓區(qū)域，能將掘進(jìn)機(jī)至迎頭之間區(qū)域的風(fēng)流抽走，避免在該區(qū)域內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)渦流，有利于該區(qū)域內(nèi)集聚的粉塵迅速有效地排出。

2.3 掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵濃度分布規(guī)律

在風(fēng)流流場(chǎng)基礎(chǔ)上開啟離散相模型，并分別在掘進(jìn)機(jī)截割頭及左右鏟板位置加入粉塵源，對(duì)掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵濃度分布擴(kuò)散情況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，其模擬結(jié)果見圖6至圖11。

如圖6所示，未采取除塵措施時(shí)，掘進(jìn)巷道內(nèi)掘進(jìn)機(jī)截割頭附近粉塵濃度最大，最高超過(guò)1 000 mg/m3，粉塵被壓入式風(fēng)筒噴出的高速風(fēng)流帶動(dòng)，集中在迎頭前方20 m范圍，尤其是回風(fēng)側(cè)，形成一個(gè)較小的紅色區(qū)域，即高濃度粉塵聚集區(qū)，之后粉塵濃度沿回風(fēng)側(cè)減小，并迅速擴(kuò)散至全巷道；如圖7所示，采取綜合除塵措施后，紅色區(qū)域，即高濃度粉塵聚集區(qū)，在附壁風(fēng)筒和除塵器吸塵口所產(chǎn)生負(fù)壓的綜合作用下集中在迎頭5 m范圍內(nèi)，而不向外擴(kuò)散，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處及其后面的巷道中粉塵濃度很小。

如圖8所示，未采取除塵措施時(shí)，高濃度粉塵在吸塵口左側(cè)有小范圍聚集，并迅速擴(kuò)散至全巷道；如圖9所示，采用綜合除塵措施后，吸塵口附近高濃度粉塵聚集區(qū)增大，之后粉塵濃度迅速降低。

如圖10所示，未采取除塵措施時(shí)，在回風(fēng)側(cè)人行道粉塵濃度很高且擴(kuò)散得非常嚴(yán)重，一直到距迎頭30 m范圍內(nèi)粉塵濃度依然較高；如圖11所示，采用綜合除塵措施后，在回風(fēng)側(cè)人行道的高濃度粉塵區(qū)域很小且僅聚集在迎頭附近范圍，并不向后擴(kuò)散，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處及后面巷道粉塵濃度很低。

綜上模擬結(jié)果可知，綜合除塵措施利用附壁風(fēng)筒和除塵器極大地改善了掘進(jìn)巷道迎頭范圍的風(fēng)流場(chǎng)，有效地控制了粉塵的運(yùn)移和擴(kuò)散。

3 現(xiàn)場(chǎng)除塵方案確定及其應(yīng)用

3.1 自激式水浴水膜除塵器

自激式水浴水膜除塵器主要利用高速含塵氣流直接沖擊液體形成液膜液滴進(jìn)而捕塵降塵，其主要結(jié)構(gòu)見圖12。含塵氣體由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入除塵器，受導(dǎo)流葉片作用轉(zhuǎn)彎向下沖擊水面，大粒徑粉塵受慣性作用落入水箱中，微小粉塵顆粒隨氣流高速度進(jìn)入上導(dǎo)流葉片間的彎曲通道，并沖擊水面，激起大量的水滴，水滴與粉塵碰撞而被捕獲;之后水氣流由于慣性的作用在除塵器內(nèi)部壁面形成水膜，將碰撞上的塵粒捕捉，最后經(jīng)過(guò)脫水器除掉氣流中的水分排出。該除塵器除塵效率高，經(jīng)測(cè)定對(duì)呼吸性粉塵除塵率在95%以上。

3.2 附壁風(fēng)筒

附壁風(fēng)筒利用氣流的附壁效應(yīng)，將原壓入式風(fēng)筒供給綜掘工作面的軸向高速風(fēng)流改變?yōu)檠叵锏辣诘男D(zhuǎn)風(fēng)流，并以一定的旋轉(zhuǎn)速度向迎頭旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，在除塵器吸風(fēng)流的共同作用下，便形成一股螺旋線狀氣流(見圖13)，在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處前方形成空氣幕，阻擋粉塵向外擴(kuò)散，使之經(jīng)過(guò)吸塵罩吸入除塵器中進(jìn)行凈化，提高了除塵器的除塵效率[13-14]。

3.3 綜合除塵方案現(xiàn)場(chǎng)布置及效果檢驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和相關(guān)規(guī)程要求，該綜掘工作面采用長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)方式，壓入式風(fēng)筒出口安裝附壁風(fēng)筒，出風(fēng)口距綜掘工作面7 m，吸風(fēng)筒直徑0.5 m，吸風(fēng)罩置于掘進(jìn)機(jī)上截割臂后方處，自激式水浴水膜除塵器以輪車承載，與橋式轉(zhuǎn)載相連安設(shè)于滑軌上，如圖14所示。同時(shí)，針對(duì)傳統(tǒng)外噴霧存在的弊端，對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)、安裝位置、數(shù)量、布置方式和霧流噴射方向等進(jìn)行了改進(jìn)，采用新型氣水噴霧模塊，在噴嘴前形成均勻穩(wěn)定的氣泡兩相流。該方法霧化效果好，霧滴粒徑大小合適，噴射動(dòng)量大、距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍廣，水壓要求小，適合井下復(fù)雜條件下的使用。

綜合除塵方案實(shí)施后，在掘進(jìn)工作面進(jìn)行粉塵濃度檢測(cè)，并繪制粉塵濃度分布曲線，見圖15。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，使用綜合除塵方案后，在司機(jī)處全塵濃度為62 mg/m3，呼吸性粉塵濃度為48 mg/m3，綜合除塵效率達(dá)到89%以上，在司機(jī)處全塵除塵率高達(dá)93.6%，呼吸性粉塵除塵率高達(dá)93.8%，除塵效果顯著。

4 結(jié) 論

(1) 綜掘工作面割煤工序粉塵濃度高，單一手段無(wú)法達(dá)到理想的除塵效果，傳統(tǒng)外噴霧除塵率為30%～40%，無(wú)法達(dá)到對(duì)煤礦工人職業(yè)病防治的要求。

(2) 采用三維數(shù)值模擬的方法對(duì)綜掘工作面風(fēng)流流場(chǎng)及其粉塵濃度分布規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：壓入式通風(fēng)時(shí)，壓入式風(fēng)筒的高速風(fēng)流會(huì)對(duì)迎頭風(fēng)流產(chǎn)生極大擾動(dòng)，截割工序產(chǎn)生的大量粉塵隨迎頭風(fēng)流經(jīng)回風(fēng)側(cè)向后運(yùn)移，高濃度粉塵集中在迎頭前方20 m范圍內(nèi)，之后粉塵濃度逐漸減小，并迅速擴(kuò)散至全巷道；采取綜合除塵措施后，高濃度粉塵聚集區(qū)，在附壁風(fēng)筒和自激式水浴水膜除塵器吸塵口所產(chǎn)生負(fù)壓的綜合作用下集中在迎頭5 m范圍內(nèi)，而不向外擴(kuò)散，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處及其后面的巷道中粉塵濃度很小。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施綜合除塵方案后，結(jié)果顯示附壁風(fēng)筒可以有效改善迎頭風(fēng)場(chǎng)，在司機(jī)處形成旋轉(zhuǎn)向前的風(fēng)墻，配合除塵器在吸風(fēng)口處形成了較大范圍的負(fù)壓區(qū)域，將迎頭集聚的高濃度粉塵迅速有效地吸入并處理，除塵效果顯著，全塵和呼吸性粉塵除塵效率均在89%以上，極大地改善了井下作業(yè)環(huán)境，可為其他煤礦綜掘工作面粉塵治理提供指導(dǎo)和參考。

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Research on Dust Migration Law and Control Technology in Fully-mechanized Working Face

DING Houcheng1,YANG Fan1,ZHANG Yikun2

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，AnhuiUniversityofTechnology，Maanshan243002，China;2.Civil&EnvironmentalEngineeringSchool，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

For the purpose of making up for the deficiency of the existing dust removal methods in coal mine fully-mechanized working face,this paper proposes a more effective method using the swirl effect of the ventilator attached to the wall in the way of far-pressing-near-absorption ventilation to gather high concentration dust to head-on and combining with gas water spray to prevent and control dust.The paper takes a fully-mechanized working face in Huainan mine area as the prototype.According to the actual conditions under the mine,the paper applies the Gambit software to establishing roadway geometry and Fluent software to getting the results of dust distribution with different ventilation methods,and then contrasts the simulation results with the experiment results to get the high dust concentration zones.Based on the above results,the paper proposes a method of applying self-excited wet dust scrubber,wall attaching chimney and original gas water spray to prevent dust.The measurement data from the site shows that dust removal rate of full dust and respiratory dust reaches 89%.

coal mine fully-mechanized working face;dust migration;numerical simulation;self-excited wet dust scrubber;wall attaching chimney

1671-1556(2015)04-0082-06

2014-11-06

2015-04-27

安徽高校省級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2012 Z025)

丁厚成(1973—)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事安全技術(shù)與工程方面的研究。E-mail：hnhoucheng@163.com

X701.2

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.014