基于煤巷掘進粉塵分布的干式除塵布局優(yōu)化

張建國， 孫海良， 張國川， 王海濤， 姜德義， 范勁松， 劉戎*

(1.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室， 平頂山 467000； 2. 中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司， 平頂山 467000； 3. 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室， 重慶 400044)

隨著煤巷掘進機械化程度的不斷提高，煤巷掘進工作面具有了更高效的掘進速率，但是與此同時,巷道掘進中的粉塵災(zāi)害也越來越嚴重。高濃度的粉塵環(huán)境嚴重影響著煤礦工作人員的身心健康，增加了感染塵肺病的概率。如今，塵肺病已經(jīng)成為中國最嚴重的職業(yè)病之一，中國2019年新增職業(yè)病人19 428例，其中塵肺病占到了15 898例[1]，而且大部分塵肺病人來自煤礦。中國早在2016年就出臺《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》等一系列政策法規(guī)以推進中國國民健康[2]，而現(xiàn)如今粉塵依舊危害著井下工人的健康。此外嚴重的爆炸性同樣威脅著井下工人的生命安危[3]。

為了解決粉塵危害，出現(xiàn)了減塵、降塵、排塵、除塵和個體防護(阻塵)等措施[4-12]。然而，在不采取防塵措施的情況下，煤礦中工作面的粉塵濃度仍然可以達到4 000 mg/m3以上[13]。在不采取任何防塵措施的情況下綜掘工作面的粉塵濃度也可達到3 000 mg/m3以上[14]。為了降低掘進工作面的粉塵，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列有關(guān)粉塵治理措施的研究。關(guān)于噴霧降塵措施，研究人員從噴霧粒徑、供水壓力對降塵的影響[15]出發(fā)，到霧化能力[16]、噴嘴設(shè)計[17-18]，并最終提出了降塵裝置[19]。水炮泥降塵技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在爆破降塵領(lǐng)域，研究人員通過改變?nèi)芤罕砻鎻埩蜐駶櫮芰μ岣咚谀嗟慕祲m效果[20-21]，然而這種方法僅能應(yīng)用在采用爆破掘進的巷道中。泡沫也具有良好的降塵效果，加入發(fā)泡劑的溶液濕潤率可以提高30倍[22]，且具有較好的隔離性能[23]，提高了降塵效率。然而，以上方法有的具有一定的局限性，有的會消耗大量的水，導(dǎo)致巷道內(nèi)泥濘不堪的同時也對煤質(zhì)有一定影響。例如，KCS-300D濕式除塵器日耗水量高達86.4 t。根據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)，煤層注水的降塵效率一般低于50%，噴霧降塵效率在50%～70%，泡沫降塵雖然具有較高的效率但是工藝相對復(fù)雜，添加劑十分昂貴。

在眾多的粉塵治理措施中，由于干式除塵技術(shù)具有耗水量小、工藝簡單、二次污染小等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在煤礦巷道掘進中。然而井下工作人員在面對干式除塵器時，并不明確采用何種布局方式可以獲得最優(yōu)的降塵效率。

為了優(yōu)化干式除塵系統(tǒng)的布局，提高干式除塵系統(tǒng)的除塵效率，現(xiàn)采用數(shù)值模擬的方法對干式除塵系統(tǒng)的除塵風筒及局部通風機風筒的相對位置對粉塵的分布影響進行研究，并對除塵風筒至掘進頭的距離對粉塵的分布進行研究，根據(jù)研究結(jié)果提出除塵風筒的優(yōu)化布局方式。

1 煤巷掘進干式除塵技術(shù)

礦用干式除塵器具有除塵效率高、零耗水、無污染等優(yōu)點，可以有效地抑制粉塵擴散，改善工作面環(huán)境。礦用干式除塵器的結(jié)構(gòu)主要由防爆除塵本體和防爆軸流抽出式風機組成，如圖1所示。

圖1 礦用干式除塵器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of mine dry dust collector structure

干式除塵器工作時，含塵煙氣從進氣口被吸入除塵器本體中，在氣流分布板均流的作用下均勻充滿整個箱體，在后置引風機的作用下，含有粉塵的氣體穿過濾筒，粉塵顆粒被滯留在濾筒表面，潔凈氣體穿過濾筒進入箱體并由出風口排出，達到降塵的作用。該方法不會對環(huán)境產(chǎn)生任何負面影響，不會出現(xiàn)二次污染。

當濾筒上積累的粉塵達到一定量后，通過手動開關(guān)閥控制脈沖閥噴吹，各排濾筒清灰依次進行，壓縮空氣通過噴吹管上正對濾筒的小孔以高速沖出，在其沖入濾筒內(nèi)部的同時，又誘生一股數(shù)倍于壓縮空氣的二次氣流，產(chǎn)生一種瞬時沖擊波并沿整個褶式濾筒的高度方向向下傳播，使聚積在濾筒外表面的粉塵落下，達到自清潔過程。

為了提高干式除塵器的工作效率，荔軍等[24]研究了在掘進現(xiàn)場使用的實際情況，研究發(fā)現(xiàn)縮短除塵器與工作面的距離可以有效地保證除塵效率。白雁楠[25]通過現(xiàn)場測試的方法探究了除塵器抽出式風筒與巷道壓入式風筒組合方式以及抽出式與壓入式風量比對除塵效果的影響。研究設(shè)置了8種組合，通過實測司機位置處的粉塵濃度判斷除塵效果，但對除塵效率影響的關(guān)鍵因素抽出式風筒入口與掘進面之間的距離僅有兩個變量，無法準確地獲得除塵風筒布置的最優(yōu)位置。

2 干式除塵器作用下巷道中流場分布研究

2.1 巷道模型介紹及計算設(shè)置

采用數(shù)值模擬軟件Fluent對巷道中的粉塵分布進行研究，其中模型長度為60 m，局部通風系統(tǒng)的送風風筒布置在巷道的右側(cè)，出風口距離掘進頭的長度為25 m，設(shè)置簡化的掘進機(長×寬×高為10 m×2.5 m×3 m)，如圖2所示。

研究干式除塵器的除塵風筒與局部通風機風筒相對位置對除塵效率的影響時設(shè)置了3種不同工況進行研究，3種工況分別是除塵風筒位于巷道中部、除塵風筒位于巷道左側(cè)以及除塵風筒位于巷道左側(cè)且有掘進機的情況，如圖3所示。

圖3 除塵風筒不同位置的模型Fig.3 Models of different positions of dust collector air duct

為了研究除塵風筒入口距離掘進頭的長度對除塵效率的影響，研究設(shè)置了干式除塵機負壓吸風筒距離掘進頭的距離分別為2、3、4、5、6 m。如圖4所示。

圖4 除塵風筒入口距離掘進頭不同的長度模型Fig.4 Models of different lengths from the entrance of the dust collector air duct to the heading head

計算時，采用壓力隱式算子分割(pressure implicit with splitting of operators，PISO)算法計算巷道內(nèi)粉塵的擴散和運移，采用standard作為離散格式。局部通風機風筒入口為velocity-inlet(速度入口)。巷道洞口設(shè)置為outflow(自由流出)邊界。邊界條件的設(shè)置根據(jù)首山一礦的實際情況進行設(shè)置，邊界條件設(shè)置如表1所示。設(shè)置離散相參數(shù)如表2所示，其中粉塵的粒徑分布是首山一礦現(xiàn)場取樣并采用Mastersizer 2000激光粒度儀測定獲得。計算模型的詳細設(shè)置如表3所示。

表1 邊界條件設(shè)置Table 1 Boundary condition settings

表2 離散相模型參數(shù)設(shè)置Table 2 Discrete phase model parameter settings

表3 計算模型設(shè)置Table 3 Calculation model settings

2.2 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比

為了驗證數(shù)值模擬的準確性，首先對比了數(shù)值模擬結(jié)果中粉塵的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實測的粉塵數(shù)據(jù)。現(xiàn)場實測采用粉塵濃度的測試采用呼吸性粉塵采樣器(CCZ20型)，實測時巷道一側(cè)布置了皮帶運輸機，因此粉塵取樣的位置選擇距離地面1.6 m且靠近另一側(cè)壁面1 m處。數(shù)值模擬的結(jié)果輸出選擇同樣的位置。進行現(xiàn)場粉塵實測時，取樣器流量選擇15 L/mim，取樣時間選擇10 min，距離工作面每10 m選取一個測點。數(shù)值模擬和實測結(jié)果對比見圖5。

圖5 粉塵濃度對比圖Fig.5 Dust concentration comparison chart

模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測的變化趨勢基本一致，說明其相關(guān)性良好，數(shù)值模擬得到的粉塵濃度變化規(guī)律與實際情況基本一致。雖然有一定的誤差，但是現(xiàn)場實測的是一個時間段的平均值，而數(shù)值模擬結(jié)果是某一時刻的瞬時值，兩者變化趨勢相同即可證明數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。

2.3 干式除塵器和通風系統(tǒng)共同作用下巷道流場研究

圖6為除塵風筒布置在巷道中部時的風流結(jié)構(gòu)圖。從流場矢量圖和跡線圖可以明顯地看出：高速風流通過風筒進入巷道中，在巷道壁面的限制作用下，進行貼壁射流，清洗掘進頭工作面后回流到巷道內(nèi)，根據(jù)風流結(jié)構(gòu)，可以將巷道掘進頭附近的風流分為射流區(qū)、渦流區(qū)和回流區(qū)。除塵風筒的進風口處于渦流區(qū)的內(nèi)部，由于除塵風筒的進風口布置在中部，因此大部分風流是從除塵風筒進風口的后端經(jīng)過“繞行”后進入風筒中的，導(dǎo)致只有一小部分風流能夠被吸入除塵風筒中。

圖6 除塵風筒位于巷道中部時巷道內(nèi)流場圖Fig.6 Flow field diagram in the roadway when the dust collector air duct is located in the middle of the roadway

分析不同高度處風流的流場結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)：相比于3.0 m處，高度為1.6 m的渦流區(qū)具有更大的影響范圍。還可以觀察到，高度為1.6 m處的風流結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，渦流區(qū)外部還有幾個較小的渦流場，而3.0 m高度處的風流相對簡單，只有一個渦流區(qū)，說明除塵風機作用產(chǎn)生的負壓對巷道內(nèi)的流場產(chǎn)生的影響較大，引起了除塵風筒下部風流場的變化，使得流場更加復(fù)雜，這樣的流場非常不利于粉塵被除塵風筒吸入。

除塵風筒布置在巷道左側(cè)時巷道內(nèi)流場見圖7。流場的整體結(jié)構(gòu)依舊可以分為射流區(qū)、回流區(qū)和渦流區(qū)。但是與圖6中不同的是，風流結(jié)構(gòu)更加簡單、清晰，回風風流能夠較順暢的進入到除塵風筒中，不同高度處的渦流區(qū)分布也較單一，3.0 m高度處的流場可以清晰地看到進入除塵風筒的趨勢。從跡線圖中可以看出，雖然仍有“繞行”現(xiàn)象，但是相較于圖6中的“繞行”現(xiàn)象有了極大的好轉(zhuǎn)，且渦流區(qū)的面積減小了。

圖7 除塵風筒位于巷道左側(cè)時巷道內(nèi)流場圖Fig.7 Flow field diagram in the roadway when the dust collector air duct is located at the left side of the roadway

當巷道中有掘進機時，流場結(jié)構(gòu)圖見圖8。巷道中掘進機對風流結(jié)構(gòu)的影響較大，流場分別在掘進機前后兩端形成了兩個渦流區(qū)。由于掘進機前段至掌子面距離較小，因此這個區(qū)域內(nèi)的渦流區(qū)面積也較小，由于掘進機對風流的限制，使得大部分風流最終可以進入到除塵風筒中。在掘進機尾部，渦流區(qū)具有較大的面積，渦流區(qū)中的風流速度相對于其他地方來說，速度較小。從以上的研究可以發(fā)現(xiàn)，當除塵風筒與局部通風機風筒分布在巷道兩側(cè)時，風流結(jié)構(gòu)更加簡單，而簡單的風流結(jié)構(gòu)更有利于污染物的運移和擴散。當巷道中有掘進機存在時，掘進機占據(jù)了斷面上絕大部分的空間，對風流結(jié)構(gòu)影響很大，兩個渦流區(qū)的出現(xiàn)更是改變了巷道中原有的風流結(jié)構(gòu)。但是掘進機前段的風流經(jīng)過流動后可以順利地進入除塵風筒中，尾部的渦流區(qū)中具有較小的風速，也更加有利于粉塵濃度的降低。

圖8 巷道內(nèi)設(shè)置掘進機時的流場結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Flow field diagram when a roadheader is located in the roadway

3 干式除塵器作用下巷道內(nèi)粉塵分布研究

3.1 除塵風筒和局部通風機風筒相對位置對粉塵的影響

研究除塵風筒和局部通風機風筒相對位置對粉塵擴散影響時，模型統(tǒng)一采用除塵風筒距離掘進頭3 m時的模型進行研究。圖9展示了除塵風筒位于巷道中部時粉塵的分布情況。分別觀察巷道內(nèi)整體并截取高度為1.6 m和3 m的兩個平面觀察巷道中粉塵的濃度分布。可以很明顯地看出，粉塵在巷道中呈現(xiàn)出“V”字形分布，這是由于中間的粉塵可以較好地被除塵風筒吸入而形成的。此外，3 m高度處高濃度粉塵的范圍略小于1.6 m處的，這樣分布的原因一方面是因為粉塵自身重量導(dǎo)致粉塵沉降，另一方面是因為除塵風筒布置在該高度處，可以有限吸收該高度處的粉塵。此外，還可以發(fā)現(xiàn)巷道右側(cè)被粉塵污染的區(qū)域小于左側(cè)被污染的區(qū)域，這主要是由于局部通風機風筒布置在該處，讓新鮮風從右側(cè)進入，粉塵被新鮮風推入了巷道左側(cè)，使得左側(cè)污染區(qū)域較大。

當除塵風筒位于巷道左側(cè)時，巷道中的粉塵濃度見圖10，粉塵不在呈現(xiàn)“V”字形分布，而是呈現(xiàn)出左邊濃度高，右邊濃度低情況，這是由于粉塵被除塵風筒吸入造成的。高濃度區(qū)域的影響范圍也遠小于將除塵風筒布置在中部時的情況。這一點很好地說明，除塵風筒布置在左側(cè)(與進風風筒相對的一側(cè))時，除塵效果遠好于除塵風筒布置在中部的情況。因此，后續(xù)計算中的除塵風筒統(tǒng)一布置在左側(cè)。對比同樣在3 m處粉塵分布情況還可以發(fā)現(xiàn)，圖9除塵風筒中的粉塵濃度明顯高于圖8中，說明這樣的布局中的干式除塵風器具有更高的工作效率，能夠為掘進頭提供更好的工作環(huán)境。

圖9 除塵風筒位于巷道中部時不同高度粉塵分布圖Fig.9 Dust distribution diagram at different heights when the dust collector air duct is located in the middle of the roadway

圖10 除塵風筒位于巷道左側(cè)時不同高度粉塵分布圖Fig.10 Dust distribution diagram at different heights when the dust collector air duct is located on the left side of the roadway

當巷道中加入掘進機時，巷道內(nèi)掘進粉塵的分布情況見圖11。在掘進機的影響下，高濃度的粉塵貼近壁面，呈現(xiàn)出“同”字形分布。整個巷道中的粉塵濃度分布，可以分為3個區(qū)域，首先是重度濃度區(qū)，主要分布在掘進工作面和兩幫壁面附近，該區(qū)域粉塵濃度遠高于其他區(qū)域。其次是掘進機所處的位置范圍內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)粉塵濃度遠高于掘進機尾部以后的區(qū)域但又小于重度濃度區(qū)的粉塵濃度。在掘進機尾部渦流的作用下，該區(qū)域內(nèi)部的粉塵只有較少數(shù)會擴散至掘進機范圍外部，大部分能夠被干式除塵器吸收。而擴散出去的粉塵會進入第3個區(qū)域——輕度濃度區(qū)。該區(qū)域粉塵團零星分布，大部分集中在巷道左側(cè)(遠離進風風筒處)，且在局部通風機風筒出風口的后端處截止，同樣在渦流的作用下，該區(qū)域內(nèi)的粉塵較難繼續(xù)通過風流的輸運作用被排出，因此在進風風筒出風口的后端粉塵濃度再一次出現(xiàn)了快速降低，粉塵濃度更低。

圖11 除塵風筒位于巷道左側(cè)時不同高度粉塵分布圖Fig.11 Dust distribution diagram at different heights when the dust collector air duct is located on the left side of the roadway

3.2 除塵風筒至掘進頭的距離對粉塵分布的影響

在除塵風筒至掘進工作面距離對粉塵的分布影響研究中，分別設(shè)置了距離為2、3、4、5和6 m共5種情況，計算完整后同樣截取1.6 m和3 m兩個高度處的粉塵分布以及巷道中粉塵的整體分布情況(圖12)。

圖12 不同高度下巷道內(nèi)粉塵分布情況Fig.12 Dust distribution in roadways at different heights

從粉塵的分布情況可發(fā)現(xiàn)，當距離為6 m時，除塵效果要比2～5 m的情況差很多，整個巷道中基本上都分布有粉塵，很多掘進產(chǎn)生的粉塵并沒有被吸入除塵風筒中，而是隨著風流擴散至整個巷道中，該情況說明除塵風筒進風口距離掘進頭距離較大時，不利于粉塵被吸入。當距離為2～5 m時，巷道中粉塵的分布情況比較相似，大部分都集中在掘進頭附近，且巷道中粉塵分布較少，說明絕大多數(shù)粉塵能夠被吸入除塵風機中，起到較好的降塵效果。但是仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，當時除塵風筒距離掘進頭2 m或者5 m時，高濃度的粉塵(圖中紅色區(qū)域)面積及影響范圍要大于3 m和4 m時的情況。對比3 m和4 m的情況可以發(fā)現(xiàn)：4 m時，高濃度的粉塵基本上是貼近壁面的，而中間濃度(圖中綠色及淺藍色)比較均勻地分布在距離掘進頭2倍寬度范圍內(nèi)；此外，該距離下仍有一部分粉塵沒有被吸入除塵風機內(nèi)，沿著左邊壁面向巷道洞口方向擴散；而當距離為3 m時，雖然高濃度的范圍比4 m時大，但是距離掘進頭2倍寬度范圍內(nèi)的整體粉塵濃度要低，尤其是司機位置處。由此可以發(fā)現(xiàn)，當巷道中沒有掘進機工作時，除塵風筒進風口的最佳距離是3 m處。

當巷道中有掘進機以后，粉塵的分布同樣受到了掘進機的影響(圖13)，對比不同距離下巷道內(nèi)粉塵的分布可以發(fā)現(xiàn)：大部分粉塵集中在掘進機范圍內(nèi)。從高度1.6 m處的平面上粉塵分布可以發(fā)現(xiàn)：在掘進機的影響下高濃度的粉塵基本上集中在巷道內(nèi)右側(cè)。3 m高度處的粉塵的分布規(guī)律基本相同。當除塵風筒距離只有2 m時，在掘進機的影響下，大量的粉塵沒有能夠被吸入到隧道中，反而被集中在了掘進頭附近，使得該距離下掘進頭附近粉塵濃度最高(掘進頭區(qū)域最紅)。在1.6 m高度處，不同距離下粉塵分布比較相似，但是距離6 m時，粉塵濃度相較于其他幾個距離較大，影響的范圍更廣。而3 m時掘進機左側(cè)的粉塵濃度也高于4 m和5 m時的情況；高度3 m處，距離為5 m的情況下，在除塵風筒進風口附近出現(xiàn)了一個小的低濃度區(qū)域，該區(qū)域濃度較低，可以明顯看出大部分粉塵被吸進除塵風筒中，說明該距離下具有更好的除塵效果。

圖13 巷道內(nèi)設(shè)置掘進機時不同高度下巷道內(nèi)粉塵分布情況Fig.13 Dust distribution in the roadway at different heights when the roadheader is located in the roadway

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方式研究了具有干式除塵器的巷道掘進時風流結(jié)構(gòu)及粉塵分布情況，并通過粉塵分布情況分析了干式除塵器的最佳布局方式，得到以下結(jié)論。

(1)當除塵風筒布局在巷道中部時，風流流場更加復(fù)雜，渦流區(qū)多且亂；除塵風筒位于局部通風機風筒相對一側(cè)時，風流結(jié)構(gòu)清晰簡單，污風能夠較好的進入除塵風筒，“繞行”現(xiàn)象減緩；當巷道中具有掘進機時，對風流造成了較大的影響，在掘進機的前段和尾部均產(chǎn)生了渦流區(qū)。

(2)除塵風筒布置在巷道中部時會使得粉塵在掘進頭附近呈現(xiàn)“V”字形分布，粉塵影響范圍大；當除塵風筒布置在局部通風機風筒相對一側(cè)時，除塵風筒能夠更好地吸入掘進產(chǎn)生的粉塵，有利于粉塵的降低。

(3)當巷道中沒有掘進機時，除塵風筒進風口布置在距離掘進頭3 m的情況下，除塵效果最好；但是巷道中布置有掘進機時，最佳的除塵距離為5 m。