采煤機機載除塵器抽塵風(fēng)量對綜采工作面風(fēng)流場的影響

陳 芳

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

近年來，隨著煤炭開采設(shè)備自動化水平不斷提高，礦井開采能力在不斷提升，全國煤炭開采礦井正不斷邁向高產(chǎn)、集約化、智能化生產(chǎn)的發(fā)展模式，隨著一礦一面、千萬噸生產(chǎn)面等大型礦井典型綜采面投入生產(chǎn)，導(dǎo)致采場空間粉塵污染越來越嚴(yán)重，已經(jīng)成為現(xiàn)代化高效礦井健康開采的主要問題[1-3]。粉塵不僅會引起煤塵爆炸事故，還會使長期從事煤礦行業(yè)的工人患塵肺病、硅肺病等職業(yè)病，會產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)與社會問題[4-5]。

綜采工作面一直以來都是煤礦粉塵危害最為嚴(yán)重的地點，綜采工作面作業(yè)產(chǎn)生的粉塵主要來自采煤機割煤作業(yè)、降柱移架作業(yè)過程中，是煤礦產(chǎn)塵量最大的作業(yè)場所，其產(chǎn)塵量約占礦井產(chǎn)塵量的60%，其中采煤機割煤產(chǎn)塵又占綜采面產(chǎn)塵量的70%～80%，粉塵濃度超國家有關(guān)管理標(biāo)準(zhǔn)幾十倍甚至幾百倍[6-8]。采煤機割煤產(chǎn)塵具有塵源移動且易受風(fēng)流影響而快速擴(kuò)散等特點，采煤機對風(fēng)流產(chǎn)生阻擋效應(yīng)，滾筒割煤產(chǎn)塵會迅速發(fā)生橫向偏移擴(kuò)散，污染作業(yè)人員區(qū)域，此區(qū)域瞬間粉塵濃度高達(dá)500 mg/m3以上，對作業(yè)人員造成職業(yè)危害[9-10]。針對采煤機滾筒割煤產(chǎn)塵，目前主要采用噴霧降塵手段進(jìn)行治理，雖可有效解決部分粉塵，但隨著智能化采煤面建設(shè)進(jìn)程加快，生產(chǎn)設(shè)備及工作面內(nèi)將安裝大量傳感器、測量設(shè)備及視頻監(jiān)控等電子監(jiān)控元件，工作面使用噴霧降塵將受到限制[11-13]，而通風(fēng)除塵技術(shù)則可很好避開上述問題，但通風(fēng)除塵技術(shù)在綜掘工作面應(yīng)用較多，在采煤機上應(yīng)用是否有效、對工作面風(fēng)流會產(chǎn)生怎樣的影響尚不清楚，因此，有必要針對采煤機割煤粉塵通風(fēng)除塵治理中抽塵風(fēng)量對工作面風(fēng)流分布影響關(guān)系進(jìn)行研究。針對以上問題，以寧夏羊場灣煤礦150201 綜放面為工程背景，受采煤機機面空間限制，提出了一種利用噴霧引射原理的機載除塵器對采煤機附近橫向擴(kuò)散風(fēng)流而引發(fā)的粉塵擴(kuò)散進(jìn)行治理，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測方法，研究采煤機機載除塵器抽塵風(fēng)量對采場風(fēng)流分布影響關(guān)系，理論上論證機載除塵器對采煤機割煤粉塵治理有效性，為開展采煤機割煤粉塵采用通風(fēng)除塵方法治理提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

羊場灣煤礦位于寧夏寧東煤田，主要開采2#煤層，煤層平均水分含量為12.44%，煤層硬度系數(shù)1～2，礦井屬低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性。150201 綜放工作面，煤層平均厚度8.8 m，平均傾角8°，工作面長260 m，采用綜采放頂煤開采工藝，采高3.8 m，放煤高度5 m，采用MG750/1920-WD 雙滾筒采煤機割煤，采煤機機身長10 m、寬2.0 m、高1.6 m，滾筒直徑2.5 m。采用140 臺ZF13000/25/43D 型液壓支架支護(hù)頂板，工作面設(shè)計供風(fēng)量為1 267 m3/min，工作面平均風(fēng)速1.0 m/s。

2 數(shù)值計算模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

綜采工作面風(fēng)流流動屬于連續(xù)相，氣體流動可看作湍流流動。綜采工作面氣流的湍流流動可以用k-ε 模型求解[14-16]。

k 方程：

式中：t 為時間，s；ρ 為氣流密度，kg/m3；k 為湍流動能，m2/s2；xi、xj為空間坐標(biāo)，i、j=1，2，3，…；ui、uj為x、y 方向上的速度分量，m/s；μ、μt為層流中的黏性系數(shù)，Pa·s；σk為模型常量，取1.0；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；ε 為湍流動能耗散率；YM為可壓縮湍流中過度的擴(kuò)散中產(chǎn)生的波動，由于假設(shè)氣體為不可壓縮氣體，故取0；Sk、S 為自定義參數(shù)。

ε 方程：

式中：C1、C2、C1ε、C3ε、σε為模型常量，分別取0.85、1.92、1.44、0.09、1.2；v 為流體平行與重力的速度分量；Sε、η 為自定義參數(shù)。

考慮到氣流中大量粉塵粒子群可能會對氣流流動產(chǎn)生影響，因此利用歐拉-拉格朗日模型描述氣相流場，采用SIMPLE 算法計算連續(xù)相的流場速度等參數(shù)，求解過程示意圖如圖1。

圖1 求解過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of solution process

2.2 CFD 模型

綜采工作面采場設(shè)備布局復(fù)雜、設(shè)備處于不同位態(tài)對空間內(nèi)風(fēng)流影響較大，為最大程度反應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境，根據(jù)影響風(fēng)流大小程度，對采場內(nèi)采煤機、液壓支架、擋煤板及刮板輸送機等進(jìn)行簡化設(shè)計。

1）采煤機機體、搖臂及滾筒外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且位于采場風(fēng)流主要通道中，截斷面大小對風(fēng)流阻擋作用明顯，在不改變阻擋斷面大小情況下，可近似將采煤機多個部件簡化為幾何尺寸相當(dāng)?shù)囊?guī)則多面體。

2）采場空間內(nèi)液壓支架結(jié)構(gòu)對工作面風(fēng)流影響較大，尤其是支架立柱、底座、頂梁及掩護(hù)梁對風(fēng)流有阻擋作用，因此應(yīng)根據(jù)液壓支架實際尺寸、結(jié)構(gòu)形式及有效通風(fēng)斷面進(jìn)行建模，保證模型采場空間大小與現(xiàn)場實際一致性。

3）擋煤板沿整個工作面縱向布置，其高度為1.6 m，將采場空間分割成靠近煤壁側(cè)的割煤區(qū)域和支架內(nèi)部的人行空間，會對風(fēng)流橫向擴(kuò)散產(chǎn)生一定阻擋效應(yīng)，因此應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實踐尺寸設(shè)計模型。

4）機載除塵器設(shè)計成近似長方體形狀，水平放置在采煤機機面并靠近迎風(fēng)側(cè)位置，按現(xiàn)場實際尺寸及放置位置進(jìn)行設(shè)計模型。CFD 模型如圖2。

圖2 CFD 模型Fig.2 CFD Model

同時，在采場空間中溫度、濕度相對穩(wěn)定，對風(fēng)流場影響較小，因此忽略溫濕度對風(fēng)流速度分布的影響。根據(jù)空間實際尺寸建立模型，同時去除實體單元所占空間位置，只保留采場空間實際流場計算空間模型。

2.3 模型邊界條件

模型采用GAMBIT 網(wǎng)格劃分軟件對模型進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分，間距大小為0.1 m。關(guān)于數(shù)值模擬的邊界條件，采場空間設(shè)置湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε 雙方程模型，關(guān)閉能量方程，采場空間設(shè)置入口邊界類型為速度進(jìn)口，設(shè)置出口邊界類型為自由出流；機載除塵器迎風(fēng)側(cè)為入口，且為內(nèi)部自由入口，出口為壓力出口。CFD 模型及邊界基本參數(shù)見表1。

表1 CFD 模型及邊界基本參數(shù)Table 1 Basic parameters and boundary of CFD model

3 數(shù)值模擬結(jié)果

通過對綜采面采煤機機載除塵器抽塵風(fēng)量分別為92、115、155、190、265、345 m3/min 6 種條件進(jìn)行數(shù)值計算，機載除塵器抽塵風(fēng)量對風(fēng)流影響云圖如圖3。

由圖3 可知，隨著機載除塵器抽塵風(fēng)量增加，在采煤機前方區(qū)域風(fēng)速呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，人行側(cè)風(fēng)流速度總體呈減小趨勢，尤其是采煤機中部區(qū)域出現(xiàn)了低風(fēng)速區(qū)域，說明機載除塵器抽走部分風(fēng)流，使得巷道風(fēng)流逐漸沿煤壁運移，減小了風(fēng)流因采煤機阻擋而發(fā)生橫向擴(kuò)散的影響程度；也進(jìn)一步說明機載除塵器對阻止粉塵向人行側(cè)擴(kuò)散有積極影響。

圖3 機載除塵器抽塵風(fēng)量對風(fēng)流影響云圖Fig.3 Cloud diagrams of influence of air volume on air flow of airborne dust collector

通過提取采煤機區(qū)域支架內(nèi)人行道空間內(nèi)的人員呼吸帶高度位置的風(fēng)流速度，定量分析機載除塵器抽塵風(fēng)量對采煤機附近區(qū)域人行側(cè)風(fēng)流影響關(guān)系，得到采煤機附近支架內(nèi)人行道空間風(fēng)速變化規(guī)律，抽塵風(fēng)量對采煤機區(qū)域人行側(cè)風(fēng)流的影響如圖4。

圖4 抽塵風(fēng)量對采煤機區(qū)域人行側(cè)風(fēng)流的影響Fig.4 Influence of dust extraction air volume on pedestrian side air flow in shearer area

對比可知，當(dāng)風(fēng)量由92 m3/min 逐漸增加到345 m3/min 時，在采煤機前方區(qū)域風(fēng)速呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，當(dāng)風(fēng)流到達(dá)采煤機上風(fēng)側(cè)端頭時，由于除塵器的抽塵負(fù)壓影響，人行側(cè)風(fēng)流發(fā)生偏轉(zhuǎn)并逐漸向煤壁側(cè)運移，人行側(cè)風(fēng)流逐漸減小，除塵器抽塵風(fēng)量為92 m3/min 時，風(fēng)流速度由1.1 m/s 逐漸減小到0.9 m/s，風(fēng)速減小了18.2%；當(dāng)抽塵風(fēng)量增加到345 m3/min 時，風(fēng)流速度由1.2 m/s 逐漸減小到0.8 m/s，風(fēng)速減小了33.3%；說明機載除塵器可以減小人行側(cè)風(fēng)流擴(kuò)散，該措施可以改善人員通道作業(yè)環(huán)境。

4 現(xiàn)場實測

為了驗證在采煤機機面增加機載除塵器的方法可以解決因采煤機阻擋風(fēng)流易橫向擴(kuò)散而攜帶粉塵進(jìn)入人行側(cè)問題，在羊場灣煤礦150201 綜放工作面開展了現(xiàn)場實測試驗，機載除塵器水平安裝布置在采煤機機面靠近迎風(fēng)側(cè)位置，除塵器采用高壓水作為動力源，利用水力引射原理形成負(fù)壓，供水壓力6 MPa 時，處理風(fēng)量為155 m3/min。通過實測采煤機附近區(qū)域支架內(nèi)人行側(cè)采煤機上風(fēng)側(cè)15 m 至下風(fēng)側(cè)15 m 范圍內(nèi)風(fēng)流速度變化，驗證該方法的有效性和數(shù)值計算結(jié)果的正確性。風(fēng)速測定共布置11 個測點（1#～11#），每間隔1 個支架布置1 個測點，風(fēng)速測點布置圖如圖5。實測風(fēng)流變化對比圖如圖6。

圖5 風(fēng)速測點布置圖Fig.5 Layout of wind speed measuring points

圖6 實測風(fēng)流變化對比圖Fig.6 Comparison of measured air flow change

通過現(xiàn)場實測可知：在未增加除塵器時，在采煤機附近區(qū)域人行側(cè)風(fēng)速呈現(xiàn)先快速增加再趨于穩(wěn)定再逐漸降低的趨勢，在采煤機機身區(qū)域，風(fēng)流速度穩(wěn)定在1.3 m/s 左右，與工作面平均風(fēng)速相比，人行側(cè)風(fēng)速增加了約30%左右；而增加了除塵器后，人行側(cè)采煤機附近風(fēng)流速度呈現(xiàn)先增加再降低在小幅增加趨勢，而在采煤機機身段區(qū)域，風(fēng)流速度在0.85～1.0 m/s 之間變化，與未增加除塵器相比，風(fēng)流速度明顯降低，人行側(cè)風(fēng)流速度減小了23.1%以上，說明機載除塵器可有效減小因采煤機阻擋而橫向擴(kuò)散風(fēng)流速度，降低粉塵橫向擴(kuò)散程度，能起到很好控塵效果，實測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果基本一致，驗證了數(shù)值計算的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 語

1）數(shù)值模擬表明：隨著機載除塵器抽塵風(fēng)量增加，在采煤機前方區(qū)域風(fēng)速呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，人行側(cè)風(fēng)流速度總體呈減小趨勢；采煤機中部區(qū)域出現(xiàn)了低風(fēng)速區(qū)域，說明機載除塵器抽走部分風(fēng)流，使得工作面風(fēng)流逐漸沿煤壁運移，減小了風(fēng)流因采煤機阻擋而發(fā)生橫向擴(kuò)散的影響程度，進(jìn)一步說明機載除塵器對阻止粉塵向人行側(cè)擴(kuò)散有積極影響。

2）當(dāng)采煤機機載除塵器抽塵風(fēng)量由92 m3/min逐漸增加到345 m3/min 時，人行側(cè)風(fēng)流速度隨抽塵風(fēng)量增加而逐漸減小，人行側(cè)風(fēng)流速度由1.2 m/s 逐漸減小到0.8 m/s，風(fēng)速減小了33.3%，說明機載除塵器可以降低因采煤機阻擋而橫向流動的含塵氣流擴(kuò)散程度，該措施可以改善人員通道作業(yè)環(huán)境。

3）現(xiàn)場實測對比表明：采用機載除塵器后，人行側(cè)采煤機附近風(fēng)流速度呈現(xiàn)先增加再降低在小幅增加趨勢，而在采煤機機身段區(qū)域，風(fēng)流速度在0.85～1.0 m/s 之間變化，與未增加除塵器相比，風(fēng)流速度明顯降低，人行側(cè)風(fēng)流速度減小了23.1%以上，驗證了機載除塵器可有效減小因采煤機阻擋而橫向擴(kuò)散風(fēng)流速度，降低粉塵橫向擴(kuò)散程度，能起到很好控塵效果，實測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果基本一致，驗證了計算的準(zhǔn)確性。