快速掘進(jìn)工作面長壓短抽通風(fēng)除塵技術(shù)優(yōu)化

李曉斌

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 工程概況

西山煤電馬蘭礦南七采區(qū)12702 工作面所開采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2 號煤層。南七采區(qū)走向長為2000～3250 m，平均2600 m，傾斜長為850～2375 m，平均1600 m，采區(qū)面積為4.86 km2?？刹擅簩訛?#煤層，煤厚1.74～2.60 m，平均2.18 m，煤層傾角1°～4°，屬較穩(wěn)定可采近水平薄至中厚煤層。12702 工作面為南七采區(qū)第二個回采工作面，采煤方法為走向長壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，工作面采用雙滾筒采煤機(jī)割煤，其螺旋滾筒配合工作面刮板輸送機(jī)前移裝煤。運煤由工作面刮板輸送機(jī)到轉(zhuǎn)載機(jī)，由轉(zhuǎn)載機(jī)至膠帶輸送機(jī)后至南七帶式輸送機(jī)。工作面采用ZY5000-12/28 型掩護(hù)式液壓支架支護(hù)頂板，采用全部垮落法處理采空區(qū)。工作面回采巷道包括運輸順槽、回風(fēng)順槽及開切眼，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)。工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，掘進(jìn)工作面采用長壓短抽式通風(fēng)、附壁式風(fēng)筒控塵技術(shù)。為進(jìn)一步降低掘進(jìn)工作面粉塵濃度，改善工作環(huán)境，在12702運輸順槽掘進(jìn)施工中，開展了通風(fēng)除塵技術(shù)優(yōu)化研究，取得了良好效果。

2 馬蘭礦快速掘進(jìn)工作面通風(fēng)方式

快速掘進(jìn)工作面施工期間在作業(yè)區(qū)域產(chǎn)生大量的粉塵顆粒，常用的除塵方式是通過局扇通風(fēng)，通風(fēng)方式可分為壓入式、抽出式和混合式[1]，其中降塵效果最顯著且應(yīng)用最為廣泛的是混合式。馬蘭礦采用長壓短抽式通風(fēng)，該方式以壓入式通風(fēng)為主、抽出式為輔，壓風(fēng)筒出風(fēng)口距離迎頭較遠(yuǎn)，沿作業(yè)區(qū)全程布置，抽風(fēng)筒需設(shè)置在有效吸程范圍內(nèi)，距離迎頭處較近，壓、抽風(fēng)筒間重疊段應(yīng)在10～60 m之間。具體布置方式如圖1。

圖1 長壓短抽通風(fēng)示意圖（m）

3 長壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)數(shù)值模型

為分析快速掘進(jìn)工作面粉塵運移規(guī)律，以馬蘭礦12702 運輸順槽掘進(jìn)為背景，采用Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析[2]，采用Solidworks 模塊進(jìn)行幾何建模，按照1:1 幾何尺寸進(jìn)行建模。為保證模擬結(jié)果的可靠性，對掘進(jìn)工作面掘錨一體化機(jī)組、配套設(shè)備進(jìn)行幾何形狀的簡化，選取模擬巷道總長度60 m，采用矩形斷面，寬×高=5.45 m×3.9 m；采用ABM20 型掘錨機(jī)，主體簡化為6 m×4.9 m×3 m 的長方體；壓風(fēng)筒簡化為直徑1.0 m 的圓柱體，中心軸線距巷道頂板和煤壁分別700 mm；抽風(fēng)筒簡化為直徑800 mm 的圓柱體，設(shè)置于巷道中部掘進(jìn)機(jī)正上方，抽風(fēng)筒與KCS-225D 礦用濕式除塵風(fēng)機(jī)連接；除塵器簡化為6 m×1.4 m×1.2 m 的長方體；帶式轉(zhuǎn)載機(jī)和膠帶輸送機(jī)均簡化為橫截面為1 m×0.2 m 的長方體?？焖倬蜻M(jìn)工作面整體幾何模型如圖2（a），幾何模型建好后采用Tetrahedrons 網(wǎng)格劃分方法劃分后的模型如圖2（b）。

圖2 三維數(shù)值模型示意圖

4 長壓短抽式除塵系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

4.1 壓風(fēng)筒位置優(yōu)化

采用上述數(shù)值模擬對壓風(fēng)筒與迎頭最優(yōu)距離進(jìn)行模擬研究，結(jié)合馬蘭礦快速掘進(jìn)工作面實際情況，壓風(fēng)筒出風(fēng)量為570 m3/min，風(fēng)筒直徑1.0 m，換算出風(fēng)口風(fēng)速為12.1 m/s，抽風(fēng)筒位置固定在距離迎頭3 m 掘錨機(jī)正上方，抽風(fēng)量500 m3/min，風(fēng)筒直徑0.8 m，換算抽風(fēng)口風(fēng)速為16.6 m/s。分別假設(shè)壓風(fēng)筒出風(fēng)口與迎頭距離Ly為11～19 m，每2 m 為一個梯度，設(shè)計5 組模擬分析方案?？紤]到現(xiàn)場施工作業(yè)人員呼吸高度為1.5 m，截取高度1.5 m 處粉塵濃度分布情況作為參考依據(jù)，整理得到結(jié)果如圖3。

圖3 不同 Ly 條件下呼吸帶高度粉塵濃度分布圖

根據(jù)圖3 可知，其余條件固定不變，僅改變壓風(fēng)筒出風(fēng)口與迎頭距離，巷道內(nèi)高度1.5 m 呼吸帶粉塵濃度存在顯著差異：當(dāng)與迎頭距離小于13 m時，吹至迎頭處風(fēng)速較高，導(dǎo)致塵源處大量粉塵隨風(fēng)流進(jìn)入巷道空間，在巷道中部形成多個渦流，粉塵不易抽出，呼吸帶粉塵濃度較高；當(dāng)與迎頭距離在13～15 m 之間，風(fēng)流將粉塵控制在掘錨機(jī)前方的回風(fēng)側(cè)，呼吸帶內(nèi)粉塵濃度較低，降塵效果良好；當(dāng)與迎頭距離大于17 m，由于壓風(fēng)口距塵源距離過大，壓風(fēng)作用小，不能將塵源粉塵有效控制，粉塵擴(kuò)散彌漫在整個巷段內(nèi)，掘錨機(jī)司機(jī)位置粉塵濃度達(dá)到500 mg/m3，降塵效果不理想。綜上可知，當(dāng)壓風(fēng)筒口距迎頭15 m時，工作面整體粉塵濃度較低，除塵效果較理想。

4.2 壓抽比優(yōu)化模擬研究

長壓短抽通風(fēng)方式條件下，當(dāng)抽風(fēng)量大于壓風(fēng)量時，會使掘進(jìn)作業(yè)區(qū)域新鮮風(fēng)流過小，不滿足相關(guān)規(guī)程[3]，因此壓風(fēng)量通常大于抽風(fēng)量。為確定馬蘭礦2#煤層快速掘進(jìn)工作面最佳壓抽比，采用上述模型進(jìn)行模擬研究。抽風(fēng)筒位置固定在距離迎頭3 m 掘錨機(jī)正上方，抽風(fēng)量固定為500 m3/min，風(fēng)筒直徑0.8 m，壓風(fēng)筒直徑為1.0 m，與迎頭距離固定為15 m，壓抽比分別為1.0～1.4，換算得到各壓抽比條件壓風(fēng)筒的出風(fēng)量和風(fēng)速，得到不同壓抽比條件下巷道內(nèi)高度1.5 m 處粉塵濃度模擬結(jié)果如圖4。

圖4 不同壓抽比條件下呼吸帶高度粉塵濃度分布圖

由圖4 可知，壓抽比與巷道內(nèi)粉塵分布具有明顯的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)壓抽比小于1.2 時，掘錨機(jī)前方及附近區(qū)域粉塵濃度較高，擴(kuò)散情況嚴(yán)重，司機(jī)作業(yè)位置呼吸帶粉塵濃度達(dá)到900～1300 mg/m3，降塵效果較差；當(dāng)壓抽比為1.3 時，高濃度粉塵集中分布在掘錨機(jī)前方，掘錨機(jī)及巷道內(nèi)粉塵濃度較低，長壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)除塵效果達(dá)到最佳；當(dāng)壓抽比為1.4～1.5 時，由于壓風(fēng)口出風(fēng)風(fēng)速過大，將大量未被凈化的粉塵攜帶擴(kuò)散，導(dǎo)致巷道被高濃度粉塵充斥，降塵效果極差甚至失效。綜上可知，當(dāng)壓抽比為1.3 時降塵效果最佳。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為考察模擬研究成果的可靠性，馬蘭礦12702運輸順槽掘巷期間采用長壓短抽式通風(fēng)方式，壓風(fēng)筒距迎頭15 m，出風(fēng)量650 m3/min。壓入式局部通風(fēng)機(jī)規(guī)格型號：FBD №6.0-2×11kW，風(fēng)筒型號：D=1000 mm 的礦用抗靜電柔性阻燃風(fēng)筒。抽風(fēng)筒距迎頭3.0 m，采用KCS-225D 礦用濕式除塵風(fēng)機(jī)，風(fēng)筒選用Φ800 mm 抗靜電阻燃伸縮風(fēng)筒，抽風(fēng)量500 m3/min。12702 運輸順槽采用上述控塵技術(shù)掘巷階段，采用AKFC-92A 型粉塵采樣器進(jìn)行粉塵采樣[4]，采樣時間20 min，通過稱重得到粉塵濃度數(shù)據(jù)。測點均布置在高度1.5 m 呼吸帶內(nèi)，測點1 布置在掘錨機(jī)司機(jī)位置，位于壓風(fēng)筒一側(cè)，距迎頭7.0 m，測點2～12 布置在巷道回風(fēng)側(cè)，掘錨機(jī)后方5～60 m，測定回風(fēng)側(cè)粉塵濃度的變化規(guī)律。參考數(shù)值模擬研究結(jié)果及原12701 工作面回采巷道掘巷階段粉塵測試結(jié)果，整理得到結(jié)果如圖5。

由圖5 可以看出，原通風(fēng)條件下，掘錨機(jī)司機(jī)處粉塵濃度模擬值為514 mg/m3，實測值為486 mg/m3，模擬與實測結(jié)果相差很小，說明模擬方案及結(jié)果的可靠性。采用參數(shù)優(yōu)化后通風(fēng)方式條件下，掘錨機(jī)司機(jī)處粉塵濃度實測值為211 mg/m3，與原有通風(fēng)條件下相比減小了56.5%，司機(jī)處粉塵濃度顯著降低。巷道回風(fēng)側(cè)濃度顯著高于進(jìn)風(fēng)側(cè)，且粉塵濃度在掘錨機(jī)前方和后方呈斷崖式跌落，說明大部分粉塵無法脫離負(fù)壓抽吸區(qū)的籠罩范圍，僅少部分粉塵涌出至掘進(jìn)巷道回風(fēng)側(cè)方向。原通風(fēng)條件下，回風(fēng)側(cè)粉塵濃度實測值為745～186 mg/m3；參數(shù)優(yōu)化后通風(fēng)條件下，粉塵濃度為510～23 mg/m3，掘進(jìn)工作面呼吸帶內(nèi)粉塵濃度顯著降低。綜上可得，采用參數(shù)優(yōu)化后的長壓短抽除塵系統(tǒng)可有效控制快速掘進(jìn)工作面粉塵。

6 結(jié)論

馬蘭礦2#煤層快速掘進(jìn)工作面采用長壓短抽除塵系統(tǒng)，通過數(shù)值模擬研究分析對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定壓風(fēng)筒距迎頭最佳距離為15 m，壓風(fēng)筒出風(fēng)量為650 m3/min，抽風(fēng)筒距迎頭3 m，抽風(fēng)筒風(fēng)量為500 m3/min，壓抽比為1.3。在12702 運輸順槽掘進(jìn)期間現(xiàn)場實測結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的長壓短抽除塵系統(tǒng)，掘錨機(jī)司機(jī)處粉塵濃度降低56.5%，巷道回風(fēng)側(cè)粉塵濃度顯著減小，粉塵基本控制在掘錨機(jī)前方，除塵效果效顯著。