綜采面采煤機(jī)割煤粉塵運(yùn)移規(guī)律及降塵技術(shù)

李世勇

（陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司小紀(jì)汗煤礦，陜西 榆林 719000）

呼吸性粉塵指粒徑在5μm以下的能進(jìn)入人體肺泡區(qū)的顆粒物，它是引起塵肺的病因[1-2]。隨著煤炭井下粉塵產(chǎn)量越來(lái)越大，危害愈來(lái)愈嚴(yán)重，粉塵綜合治理工作也將顯得越來(lái)越重要[3-6]。礦井下工作區(qū)域粉塵濃度較高，其中，采掘工作面粉塵濃度最高，而且在不采用任何防塵措施的情況下，呼吸性粉塵在粉塵中的濃度接近60%。雖然采取了相應(yīng)的措施，但目前噴霧降塵霧化效果不佳，耗水量較大，噴嘴布置方式不合理，噴霧降塵自動(dòng)化程度及可靠性不高等原因造成濕式降塵應(yīng)用效果有限[7-9]，井下粉塵濃度較高。

1 工作面粉塵參數(shù)

通過(guò)Winner99顯微顆粒圖像分析儀對(duì)該煤礦11219綜采工作面各生產(chǎn)工序產(chǎn)塵的顆粒粒度大小及其分布等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)取樣粉塵的D10分別為3.69μm、3.40μm和4.03μm，D50分別為7.97μm、6.45μm和8.36μm，兩者的累計(jì)體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)接近50%。

2 粉塵運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)小紀(jì)汗煤礦11219綜采工作面的現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，運(yùn)用DesignModeler軟件建立了該工作面的幾何模型，利用ICEM對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于大采高綜采工作面主要是在采煤機(jī)滾筒割煤時(shí)產(chǎn)生粉塵，根據(jù)大采高綜采工作面的產(chǎn)塵特點(diǎn)，設(shè)置了數(shù)值模擬的邊界條件，見(jiàn)表1。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件，選擇瞬態(tài)求解器進(jìn)行計(jì)算，采用SIMPLE算法進(jìn)行求解，利用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型進(jìn)行綜采工作面粉塵的數(shù)值模擬，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析。

（1）風(fēng)流分布狀況分析

為了更好地對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，選取了巷道不同高度的截面和巷道斷面進(jìn)行分析。高度設(shè)置截面分別為底板附近（0.5m）、呼吸帶高度（1m、1.55m）、巷道中心位置附近（1.9m、2.4m）、頂板附近（3.8m、4.2m、4.5m）。巷道斷面圖為相鄰斷面之間距離6m，從巷道進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口共選取15個(gè)截面。如圖1所示。

表1 邊界條件設(shè)置

圖1 巷道空間風(fēng)速分布圖

為得到風(fēng)流在巷道空間的流動(dòng)情況，結(jié)合風(fēng)流分布的矢量圖進(jìn)一步分析，如圖2所示。

從圖中可以看出，在綜采工作面巷道空間的不同位置風(fēng)流呈現(xiàn)出不同，但總體上也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

① 從整個(gè)采煤工作面風(fēng)流的運(yùn)移情況來(lái)看，風(fēng)流整體的運(yùn)移規(guī)律為速度由小變大再變小。風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)口到采煤機(jī)前滾筒的位置風(fēng)流分布較均勻，沒(méi)有發(fā)生太大變化，基本維持在2m/s以下；采煤機(jī)附近及采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10m（Z=-50m）處為風(fēng)速變大區(qū)域，最大風(fēng)速達(dá)到3.5m/s，是進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的2.3倍；再往下風(fēng)側(cè)的區(qū)域?yàn)轱L(fēng)速變小區(qū)域，總體風(fēng)速變小，局部空間會(huì)發(fā)生風(fēng)速增大的狀況。

圖2 巷道空間風(fēng)速分布矢量圖

② 在采煤區(qū)域，由于采煤機(jī)的存在，使空間體積變小，風(fēng)流在經(jīng)過(guò)此區(qū)域時(shí)速度變大，同時(shí)發(fā)生橫向運(yùn)移。從圖1（a）可以看出風(fēng)流涌入人行道區(qū)域以及液壓支柱后側(cè)區(qū)域中，使該區(qū)域風(fēng)速增大至3.5m/s，并在巷道底部0.5m處的人行道和液壓支柱后側(cè)分別形成一個(gè)長(zhǎng)約4m、寬約2m和長(zhǎng)約9m、寬約2m的高速風(fēng)流區(qū)域。此工作面是逆風(fēng)割煤，前滾筒割頂煤，由于前滾筒的阻擋以及風(fēng)流在遇到采煤機(jī)機(jī)身發(fā)生向上的橫向移動(dòng)時(shí)，由圖1（b）可以看出會(huì)在巷道上部空間，采煤機(jī)中心處形成一個(gè)長(zhǎng)約12m、寬約3m的高速風(fēng)流區(qū)域。因?yàn)楹鬂L筒割底煤，并且后滾筒前還有采煤機(jī)機(jī)身的阻擋，風(fēng)流在經(jīng)過(guò)采煤機(jī)后巷道斷面急劇擴(kuò)大，從圖1（b）看出風(fēng)流向煤壁方向流動(dòng)，致使后滾筒附近出現(xiàn)一段風(fēng)速減小區(qū)域。

③從采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10m（Z=-50m）后，由于巷道斷面不再改變，風(fēng)流在經(jīng)過(guò)采煤機(jī)到達(dá)此區(qū)域后逐漸趨于平穩(wěn)。由圖2風(fēng)流矢量圖可以看出，風(fēng)流在經(jīng)過(guò)采煤機(jī)時(shí)由于巷道斷面的突然擴(kuò)大，致使風(fēng)流向煤壁方向運(yùn)動(dòng)，然后再相對(duì)平穩(wěn)的從工作面流出，因此，沿煤壁方向風(fēng)速較高，頂?shù)装寮耙簤褐е浇L(fēng)速較低，分布比較均勻。

（2）粉塵分布情況分析

圖3 巷道空間粉塵濃度分布圖

粉塵隨風(fēng)流在巷道內(nèi)運(yùn)移擴(kuò)散變化情況較大，但也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

① 此模擬過(guò)程并沒(méi)有設(shè)置進(jìn)風(fēng)口攜塵，所以從進(jìn)風(fēng)口到采煤機(jī)前滾筒的位置并沒(méi)有粉塵的運(yùn)移。采煤機(jī)割煤產(chǎn)生粉塵并隨著風(fēng)流流動(dòng)擴(kuò)散到采煤機(jī)及其下風(fēng)側(cè)巷道空間，從圖3可以看出由于采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵，采煤機(jī)附近粉塵濃度最高，其最高濃度達(dá)到3000mg/m3。隨著粉塵向采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)擴(kuò)散，由于風(fēng)流在此過(guò)程中逐漸趨于平穩(wěn)，由圖3（a）可以看出粉塵濃度也趨于平穩(wěn)，不再發(fā)生較大波動(dòng)，其濃度基本維持在1500mg/m3左右。粉塵通過(guò)風(fēng)流的帶動(dòng)運(yùn)移，此粉塵運(yùn)移規(guī)律與風(fēng)流在巷道中整體的運(yùn)移規(guī)律相符合。

②此工作面為逆風(fēng)割煤，塵源是兩個(gè)采煤機(jī)滾筒，從圖3（a）可以看出后滾筒割底煤產(chǎn)生的粉塵在巷道呼吸帶高度形成一個(gè)長(zhǎng)約6m、寬約2.5m的高濃度粉塵區(qū)域，并隨著風(fēng)流向下風(fēng)側(cè)運(yùn)移。風(fēng)流在經(jīng)過(guò)采煤機(jī)后，巷道斷面不再變化，風(fēng)流趨于平穩(wěn)，粉塵在風(fēng)流的帶動(dòng)下向下風(fēng)側(cè)運(yùn)移，由此可見(jiàn)，此階段的粉塵與風(fēng)流運(yùn)移規(guī)律一致。

③ 從圖3（b）可以看出，前滾筒割頂煤產(chǎn)生的粉塵隨風(fēng)流向采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)運(yùn)移過(guò)程中，并向人行道方向大量擴(kuò)散，并且擴(kuò)散至液壓支柱后側(cè)區(qū)域內(nèi)，伴隨著風(fēng)流橫向移動(dòng)的粉塵在采煤機(jī)上方空間匯聚并隨風(fēng)流向采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)運(yùn)移，從而在工作面上部空間形成一個(gè)長(zhǎng)約12.5m、寬約2m的高濃度粉塵區(qū)域，此粉塵區(qū)域主要集中在人行道及液壓支架的上部空間。通過(guò)分析風(fēng)流在流經(jīng)前滾筒時(shí)的運(yùn)移規(guī)律可知，風(fēng)流與粉塵有一致的運(yùn)移規(guī)律。

3 噴霧降塵技術(shù)

為了克服綜采工作面采煤機(jī)噴霧存在的弊端，以有效控制采煤機(jī)產(chǎn)塵，根據(jù)11219綜采工作面采煤機(jī)兩個(gè)滾筒割煤產(chǎn)塵的特點(diǎn)，基于噴霧負(fù)壓降塵凈化機(jī)理，研制了GSCM型組合式采煤機(jī)噴霧負(fù)壓降塵凈化裝置。裝置由GSCM-1型和GSCM-2型兩種新型噴霧負(fù)壓降塵凈化裝置組成，如圖4所示。

圖4 噴霧負(fù)壓降塵凈化裝置

GSCM-1型噴霧負(fù)壓降塵凈化裝置安裝于機(jī)體處，每個(gè)滾筒處各安設(shè)1個(gè)，GSCM-2型噴霧負(fù)壓降塵凈化裝置安設(shè)于滾筒后部，每個(gè)滾筒處各安設(shè)2個(gè)。

GSCM-1和GSCM-2型噴霧負(fù)壓降塵凈化裝置所采用的噴嘴類(lèi)型為噴射距離較長(zhǎng)、孔徑2.2mm、含X形導(dǎo)流芯廣角旋口混合式噴嘴。對(duì)GSCM-1和GSCM-2型噴霧負(fù)壓降塵凈化裝置在4MPa和8MPa兩個(gè)壓力下的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)定，如表2和表3所示。GSCM-1和GSCM-2型噴霧負(fù)壓降塵凈化裝置在8MPa噴霧壓力下的氣液比大于4MPa下的氣液比。

表2 GSCM-1型

表3 GSCM-2型

由表2、表3可知，GSCM-1和GSCM-2型噴霧負(fù)壓降塵凈化裝置在8MPa壓力下的氣液比均是最大的，故選擇現(xiàn)場(chǎng)2種采煤機(jī)噴霧負(fù)壓降塵凈化裝置的噴霧壓力為8MPa。在此壓力下，所采用的噴嘴類(lèi)型為噴射距離較長(zhǎng)、孔徑2.2mm、含X形導(dǎo)流芯廣角旋口的混合式噴嘴。采煤機(jī)噴霧負(fù)壓降塵凈化現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。

4 結(jié)論

（1）粉塵在風(fēng)流的帶動(dòng)下在工作面擴(kuò)散，攜帶粉塵的風(fēng)流遇到采煤機(jī)后發(fā)生橫向移動(dòng)，向人行道空間及巷道上方移動(dòng)，致使人行道空間粉塵濃度急劇增加，并在采煤機(jī)附近及其下風(fēng)側(cè)5～20m的位置粉塵濃度達(dá)到最大，最大濃度達(dá)3000mg/m3，采煤機(jī)附近及其下風(fēng)側(cè)的呼吸帶高度是重點(diǎn)降塵區(qū)域。

（2）對(duì)比4MPa和8MPa壓力測(cè)定數(shù)據(jù)，在8MPa壓力下GSCM-1和GSCM-2型噴霧負(fù)壓降塵凈化裝置的氣液比均是最大，現(xiàn)場(chǎng)噴霧降塵效果較好。