綜掘巷道抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)布置參數(shù)及效果研究

王登峰

（晉煤集團(tuán)澤州天安恒源煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西晉煤集團(tuán)澤州天安恒源煤業(yè)有限公司井田面積5.3542km2，礦井生產(chǎn)規(guī)模60萬(wàn)t/a，屬低瓦斯礦井。井田位于太行山復(fù)式背斜南段西翼，井田主體構(gòu)造為一向南西傾伏的向斜構(gòu)造（S1向斜），兩翼地層傾角約1°～7°，未發(fā)現(xiàn)陷落柱構(gòu)造，未見(jiàn)巖漿巖侵入。目前所采15#煤為低灰～中灰、中高硫、高固定碳、特高熱值之無(wú)煙煤，可作為電力、化工及民用煤，煤層無(wú)煤塵爆炸危險(xiǎn)性，自燃傾向性性質(zhì)為不易自燃。15#煤層厚1.08～4.3m，平均2.69m，屬全區(qū)穩(wěn)定可采中厚煤層；15#煤層直接頂板為K2灰?guī)r，厚度較大，一般厚約8.63m，K2灰?guī)r下局部有薄層炭質(zhì)泥巖；底板為泥巖，一般厚約2.11m。當(dāng)前該礦選用EBZ-120型綜掘機(jī)進(jìn)行151303工作面兩順槽的掘進(jìn)作業(yè)，順槽設(shè)計(jì)斷面為寬×高=4.4×3.5m，斷面積14.46m2。設(shè)計(jì)單個(gè)掘進(jìn)工作面循環(huán)進(jìn)度1.5m，每班4個(gè)循環(huán)，日進(jìn)12.0m，月掘進(jìn)進(jìn)尺為360m。順槽掘進(jìn)過(guò)程中，采用壓入式通風(fēng)方式，由于掘進(jìn)速度較快，產(chǎn)塵量大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)掘進(jìn)工作面迎頭粉塵濃度高達(dá)900mg/m3，迎頭粉塵濃度超限，嚴(yán)重遮擋視線，影響正常掘進(jìn)作業(yè)，擬采用抽、壓組合的通風(fēng)方式來(lái)降低掘進(jìn)工作面的粉塵濃度。

2 151303綜掘工作面抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)布置參數(shù)研究

2.1 模型建立

以恒源煤業(yè)151303綜掘工作面為研究對(duì)象，同時(shí)借鑒類似工況下的掘進(jìn)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)[1-2]，通過(guò)Fluent軟件建立151303綜掘工作面抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)模型，來(lái)研究本工作面在抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)筒布置的最優(yōu)參數(shù)。數(shù)值模擬過(guò)程中忽略溫度、二次揚(yáng)塵及截割頭噴霧等對(duì)粉塵擴(kuò)散的影響。巷道模型及管路線纜等內(nèi)部裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，所建模型為高3.5m，寬4.4m的拱形巷道，研究趨于為50m。在模型中風(fēng)筒直徑1m；壓入式風(fēng)筒距巷幫0.5m，軸心距底板2.4m，風(fēng)筒中的風(fēng)速約為11.2m/s，壓風(fēng)筒筒口分別距掘進(jìn)迎頭5m、7m、10m、13m、15m、18m；抽風(fēng)筒的筒口固定在綜掘機(jī)機(jī)身上距掘進(jìn)迎頭4m，距底板2m，隨綜掘機(jī)移動(dòng)，距掘進(jìn)迎頭的距離保持不變。最終確定模型為890000個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖1 壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭不同距離時(shí)巷道斷面粉塵濃度分布云圖

如圖1為壓風(fēng)筒筒口分別距掘進(jìn)迎頭5m、7m、10m、13m、15m、18m掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，距掘進(jìn)迎頭5m、10m、15m、20m、25m、30m、40m、50m 的巷道斷面粉塵濃度分布云圖。觀察圖1（a）及圖1（b）發(fā)現(xiàn)壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭5m和7m時(shí)，由于出風(fēng)口距離產(chǎn)生粉塵源頭距離過(guò)近，并且壓風(fēng)筒所射風(fēng)流在掘進(jìn)迎頭處的速度最大，導(dǎo)致部分粉塵被風(fēng)流吹散，散布于巷道內(nèi)，部分粉塵積聚于抽風(fēng)筒筒口下方，除塵效果不明顯；觀察圖1（c）發(fā)現(xiàn)壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭10m時(shí)，由于抽風(fēng)筒距離產(chǎn)塵源距離不合適，導(dǎo)致風(fēng)流在抽風(fēng)筒附近形成回旋風(fēng)，部分粉塵由于回旋風(fēng)作用在抽風(fēng)筒筒口附近滯留，除塵效果不佳；觀察圖1（d）發(fā)現(xiàn)壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭13m時(shí)，可以明顯看出距掘進(jìn)迎頭不同距離的各斷面粉塵濃度都很低，該參數(shù)下的抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)除塵效果良好，一部分粉塵隨巷道的通風(fēng)風(fēng)流流出巷道，大部分粉塵經(jīng)抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)處理；觀察圖1（e）及圖1（f）可以發(fā)現(xiàn)壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭15m和18m時(shí)，由于壓風(fēng)筒筒口距離產(chǎn)生粉塵源頭太遠(yuǎn)，導(dǎo)致壓風(fēng)筒所射有效風(fēng)流到不了掘進(jìn)迎頭，有效風(fēng)流在抽風(fēng)筒筒口作用下會(huì)在距掘進(jìn)迎頭約10m的位置形成循環(huán)風(fēng)，大部分粉塵被循環(huán)風(fēng)擋在掘進(jìn)迎頭處，掘進(jìn)迎頭附近粉塵濃度會(huì)隨著綜掘機(jī)的推進(jìn)逐漸增加，除塵效果較差。

圖2 壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭不同距離時(shí)巷道斷面粉塵濃度分布云圖

圖2 為壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭10m、11m、12m、13m、14m、15m時(shí)，巷道內(nèi)距掘進(jìn)迎頭不同距離的粉塵濃度分布圖。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)隨著距掘進(jìn)迎頭距離的不斷增加，巷道內(nèi)粉塵的濃度呈下降趨勢(shì)，并在距掘進(jìn)迎頭40m以后穩(wěn)定為40mg/m3左右。通過(guò)對(duì)比壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭不同距離的曲線可以發(fā)現(xiàn)壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭13m時(shí)的整體粉塵濃度最低，除塵效果最佳。相較原先的壓入式通風(fēng)，掘進(jìn)迎頭的粉塵濃度下降至240mg/m3。

綜上所述恒源煤業(yè)151303綜掘工作面在采用抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，壓風(fēng)筒筒口距離掘進(jìn)迎頭13m時(shí)的除塵效果最佳。

3 綜合降塵措施

3.1 改進(jìn)綜掘機(jī)截割頭噴霧系統(tǒng)[3]

綜掘機(jī)截割頭原噴霧系統(tǒng)中的內(nèi)噴霧系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，由于截割頭直接接觸煤巖體，會(huì)造成運(yùn)行過(guò)程內(nèi)噴霧系統(tǒng)水壓較低，并且泥漿會(huì)堵塞部分噴霧頭，使內(nèi)噴霧系統(tǒng)不能充分發(fā)揮降塵作用。綜掘機(jī)截割頭原噴霧系統(tǒng)中的外噴霧系統(tǒng)存在對(duì)產(chǎn)塵源除塵效果不強(qiáng)、噴霧頭水壓不穩(wěn)定、水流量太大造成地面泥濘濕滑及過(guò)濾效果不好致使部分噴霧頭堵塞的問(wèn)題。根據(jù)噴霧系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，現(xiàn)將改進(jìn)綜掘機(jī)的噴霧系統(tǒng)。改進(jìn)后的噴霧系統(tǒng)由輔助外噴霧和內(nèi)噴霧構(gòu)成，共同保證該系統(tǒng)的降塵效果及該系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行。改進(jìn)后的噴霧系統(tǒng)選用空心錐形的螺旋牙水芯，其安裝孔徑為1.2mm，并在高壓水管口設(shè)置過(guò)濾裝置，防止雜物堵塞噴頭，將噴霧系統(tǒng)的噴霧壓力設(shè)定在4～6MPa。外噴霧要求綜掘機(jī)截割斷面腰線以上部分時(shí)，外噴霧系統(tǒng)噴霧頭的安裝角度針對(duì)揚(yáng)塵區(qū)，綜掘機(jī)截割斷面腰線以下部分時(shí)，外噴霧系統(tǒng)噴霧頭的安裝角度針對(duì)落塵區(qū)；內(nèi)噴霧在截割頭運(yùn)行時(shí)由于過(guò)濾裝置的次存在及螺旋牙水芯的使用，能夠保證掘進(jìn)過(guò)程中內(nèi)噴霧充分發(fā)揮抑塵降塵的作用。改進(jìn)后的噴霧系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的噴霧系統(tǒng)示意圖

3.2 抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)[4]

在151303綜掘工作面內(nèi)布置抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用的風(fēng)筒為剛性骨架，直徑為800mm。將抽風(fēng)筒的筒口固定在綜掘機(jī)機(jī)身上距掘進(jìn)迎頭4m，距底板2m，抽風(fēng)筒筒口布置有吸塵罩，抽風(fēng)筒隨綜掘機(jī)移動(dòng)，距掘進(jìn)迎頭的距離保持不變，始終保持有效的吸塵距離。壓風(fēng)筒筒口布置在距離掘進(jìn)迎頭13m的位置處。在這種布置方式下抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)隨掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)向前移動(dòng)，簡(jiǎn)化了作業(yè)程序，減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且在該布置參數(shù)下的抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)除塵效果最佳。

3.3 綜合降塵措施應(yīng)用效果分析

在現(xiàn)場(chǎng)151303巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，應(yīng)用改進(jìn)后的綜掘機(jī)截割頭噴霧系統(tǒng)和抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行掘進(jìn)工作面的通風(fēng)和降塵。為了觀測(cè)綜合降塵措施應(yīng)用效果，在距掘進(jìn)迎頭每5m的巷道腰線上布置粉塵采樣儀監(jiān)測(cè)巷道內(nèi)的粉塵濃度，共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)備完成進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，并記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 綜合降塵措施應(yīng)用效果

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，151303巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，應(yīng)用改進(jìn)后的綜掘機(jī)截割頭噴霧系統(tǒng)和抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行掘進(jìn)工作面的通風(fēng)和降塵，取得的降塵效果良好，掘進(jìn)迎頭5m范圍內(nèi)的粉塵濃度下降至約98mg/m3，相較原通風(fēng)方式下掘進(jìn)迎頭900mg/m3的粉塵濃度，下降了約89%，并且掘進(jìn)工作面后方25m的距離處粉塵濃度降至25mg/m3，能夠滿足正常安全掘進(jìn)巷道的要求。

4 結(jié) 論

通過(guò)Fluent軟件建立151303巷道抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)模型，研究本工作面在抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)筒布置的最優(yōu)參數(shù)，研究結(jié)果表明壓風(fēng)筒筒口距離掘進(jìn)迎頭13m時(shí)，抽風(fēng)筒固定于綜掘機(jī)距迎頭4m的位置處的除塵效果最佳。并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用改進(jìn)后的綜掘機(jī)截割頭噴霧系統(tǒng)和抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行掘進(jìn)工作面的通風(fēng)和降塵，取得的降塵效果良好，掘進(jìn)迎頭5m范圍內(nèi)的粉塵濃度下降至約98mg/m3，能夠滿足正常安全掘進(jìn)巷道的要求。