黃陵一號煤礦綜掘工作面除塵技術(shù)優(yōu)化研究

丁志超

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307)

黃陵礦業(yè)公司一號煤礦624工作面對應(yīng)上覆地表為低山林區(qū)溝壑縱橫，上覆巖層厚度在314～439 m左右，平均巖層厚度為376 m左右。624工作面位于六盤區(qū)西北部，東接北二進風(fēng)巷，南鄰620采空區(qū)，所采2號煤厚2.24～2.61 m，回采范圍內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬于穩(wěn)定煤層。工作面范圍內(nèi)無陷落柱、火成巖等因素存在。根據(jù)通風(fēng)部提供的原煤瓦斯含量數(shù)據(jù)，2號煤層瓦斯含量為1.31～2.23 m3/t，平均1.77 m3/t，可燃質(zhì)，平均煤層瓦斯壓力0.22 MPa.煤層煤塵有爆炸危險性，煤層爆炸指數(shù)為35.59%.工作面范圍內(nèi)無沖擊地壓和應(yīng)力集中區(qū)。624工作面為單巷U型布置，主要巷道包括624進風(fēng)巷、624回風(fēng)巷、624切眼、624回順聯(lián)絡(luò)巷以及624機頭硐室。巷道采用綜掘機進行施工，單巷掘進，為解決綜掘工作面粉塵濃度過高的問題，以624回風(fēng)巷為例展開相關(guān)研究。

1 建立數(shù)值模型

由于施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜并且測試條件有限，對綜掘工作面各降塵措施的優(yōu)化需借助FLUENT軟件進行研究[1]，該軟件可進行氣固兩相流模擬分析，得到掘進工作面分流場、粉塵場分布規(guī)律，調(diào)整降塵措施相應(yīng)參數(shù)后響應(yīng)更敏捷、呈現(xiàn)的結(jié)果更清晰[2]。依據(jù)黃陵一號煤礦624回風(fēng)巷掘進技術(shù)條件，采用Solidworks建立相關(guān)的幾何模型，建立尺寸為長50 m、寬4.8 m、高3.5 m矩形巷道，模型一端為掘進頭、一端為巷道出口，采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)筒與迎頭距離不大于5 m，風(fēng)筒直徑1.0 m，風(fēng)筒側(cè)為巷道進風(fēng)側(cè)，風(fēng)筒安裝與進風(fēng)側(cè)肩角處，EBZ-260 懸臂式掘進機簡化為寬3 m、高3 m、長12 m的簡易模型，并將帶式轉(zhuǎn)運機等設(shè)備一一進行簡化，建立圖1(a)所示的幾何模型。選擇ICEM CFD 作為網(wǎng)格劃分工具，采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化兩種網(wǎng)格劃分方式，距迎頭15 m范圍內(nèi)復(fù)雜的物理模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，距迎頭15～50 m范圍內(nèi)模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，交界處采用INTERFACE 面進行兩種網(wǎng)格的連接，最終得到圖1(b)所示網(wǎng)格模型。模擬分析選擇壓力求解器，通過穩(wěn)態(tài)進行計算獲取初始條件，然后通過調(diào)整時間步長計算至收斂。邊界條件設(shè)置速度入口和自由出口，粉塵采用DPM模型，掘進面為產(chǎn)塵點。

圖1 掘進工作面數(shù)值模擬模型示意

2 綜合降塵技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

2.1 壓風(fēng)筒風(fēng)量優(yōu)化

黃陵一號煤礦綜掘工作面主要降塵方式為通風(fēng)除塵、安裝水幕、掘進機內(nèi)外噴霧。624回風(fēng)巷初掘期間初始降塵參數(shù)如下：壓風(fēng)筒直徑1.0 m，供風(fēng)量280 m3/min，壓風(fēng)筒端部距離迎頭5.0 m，井下供水靜水壓力為5 MPa.通風(fēng)除塵是掘進工作面應(yīng)用最普遍的除塵方式，具有成本低、效率高等優(yōu)點，由于黃陵一號煤礦瓦斯涌出量較大，不易采用抽出式通風(fēng)除塵，為使工作面壓入式通風(fēng)取得最佳的除塵效果，設(shè)計對壓風(fēng)量進行優(yōu)化分析。《煤礦安全規(guī)程》要求煤巷掘進時風(fēng)速不得小于0.25 m/s[3]，因而624回風(fēng)巷壓風(fēng)量不得小于252 m3/min，結(jié)合礦井以往采掘經(jīng)驗，設(shè)計通風(fēng)量分別為：方案1為300 m3/min，方案2為450 m3/min，方案3為550 m3/min，采用上文所建立的模型對不同壓風(fēng)量條件下掘進工作面粉塵場、風(fēng)流場進行模擬研究，采集掘進司機處粉塵濃度隨著與迎頭距離的變化規(guī)律，整理得到圖2所示結(jié)果。

圖2 不同壓風(fēng)量條件下司機處粉塵濃度

圖2所示結(jié)果為掘進機司機處在原通風(fēng)條件下粉塵濃度數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果，掘進機司機處為距巷道回風(fēng)側(cè)煤幫0.7 m，距巷道底板1.5 m處，可以看出，粉塵濃度的模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測值存在一定的偏差，但總體偏差量不大，且粉塵的濃度隨著與掘進面距離的變化趨勢基本一致，隨著壓風(fēng)量的增大，與掘進面相同距離條件下，掘進司機處粉塵濃度逐漸降低，當(dāng)壓風(fēng)量由300 m3/min增大至450 m3/min，掘進司機處粉塵濃度均顯著減小，減小幅度約為40%～50%，而當(dāng)壓風(fēng)量繼續(xù)增大至550 m3/min，粉塵濃度減小幅度明顯減小，且局部不降反升，此時由于壓風(fēng)量過大，掘進面風(fēng)流速度較高，將攜帶一定量的粉塵，導(dǎo)致局部粉塵濃度升高；因此綜合考慮經(jīng)濟效益、除塵效果等方面因素，確定最佳通風(fēng)量為450 m3/min.

2.2 降塵水霧噴嘴直徑優(yōu)選

水幕降塵是通過在掘進工作面某一斷面處布置噴嘴，通過噴嘴噴出的高壓水霧形成水幕，捕捉風(fēng)流中攜帶的粉塵。為確定最佳的噴嘴直徑，采用實驗室噴霧降塵平臺研究噴嘴直徑對降塵效果的影響，實驗平臺組成及原理如圖3(a)所示。在624回風(fēng)巷取得煤樣，采用實驗室球磨機研磨成粉塵，通過氣溶膠發(fā)生器噴出。選擇噴嘴直徑為1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.7 mm、2.0 mm.綜掘面靜水壓力為5 MPa.經(jīng)過噴霧后的風(fēng)流采用粉塵采樣器進行取樣，得到總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率，整理得到圖3(b).

圖3 噴嘴直徑與降塵效率相關(guān)規(guī)律研究

呼吸性粉塵的降塵效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，噴嘴直徑由1.0 mm增大至1.5 mm，全塵的降塵效率提升幅度約為16%，呼吸性粉塵提升幅度約11%；噴嘴直徑由1.5 mm繼續(xù)增大至1.7 mm，全塵的降塵效率僅提升5%，且呼吸性粉塵的降塵效率下降4.5%.表明此時噴霧中大粒徑霧滴較多，導(dǎo)致空間內(nèi)小粒徑霧滴密度減小，對于呼塵的吸附效率降低；且噴嘴直徑的增大意味著耗水量的增加，考慮經(jīng)濟效益方面的因素，確定采用直徑1.5 mm的噴嘴。

2.3 降塵水幕合理位置研究

除塵水幕的位置指噴嘴安裝位置距工作面迎頭的距離，將水幕設(shè)置在掘進機后方，采用上文模型對水幕位于掘進機后方5～20 m進行模擬分析，得到噴霧斷面處水霧濃度分布規(guī)律見圖4.可以看出，水幕位于掘進機后方5～10 m時，由于該區(qū)域巷道回風(fēng)側(cè)(斷面右側(cè)區(qū)域)風(fēng)流較大，霧滴被吹散，未能很好地覆蓋回風(fēng)側(cè)巷道斷面；水幕位于掘進機后15～20 m，霧滴較好地覆蓋巷道全斷面，分布較為穩(wěn)定，為盡量減少掘進工作面粉塵污染區(qū)域的長度，設(shè)計624回風(fēng)巷掘進工作面水幕設(shè)置在綜掘機后方15 m處。

圖4 不同位置水霧濃度模擬結(jié)果

3 降塵效果分析

對黃陵一號煤礦624回風(fēng)巷掘進工作面通風(fēng)降塵參數(shù)進行優(yōu)化，壓風(fēng)筒壓風(fēng)量增大為450 m3/min，并在掘進機后方15 m處安裝噴嘴，在現(xiàn)場應(yīng)用期間進行粉塵采樣，測點布置在距離迎頭30 m處，整理得到圖5(a)所示結(jié)果，通過對通風(fēng)參數(shù)進行優(yōu)化，巷道回風(fēng)側(cè)全塵和呼塵相對于原通風(fēng)條件下分別減小了36.5%、33.8%，除塵效果提升顯著，增加水幕后，回風(fēng)側(cè)全塵和呼塵又減小了39.2%、31.0%，說明增加水幕后使得降塵效果進一步提升。在掘進機滾筒噴霧、水幕噴霧溶液中加入0.03%表面活性添加劑，然后通過磁化器磁場將溶液磁化，降塵效率如圖5(b)所示，全塵和呼塵的降塵效率分別提高9.8%、14.6%，將溶液磁化后，全塵和呼塵的降塵率分別提高9.1%、9.5%，降塵效果顯著提高，有效改善了井下作業(yè)環(huán)境。

圖5 綜合降塵措施降塵效果實測

4 結(jié) 語

以黃陵一號煤礦624回風(fēng)巷為例，采用數(shù)值模擬、實驗室試驗等方法，對工作面綜合降塵技術(shù)進行優(yōu)化，得到壓風(fēng)筒最佳風(fēng)量為450 m3/min，降塵水霧噴嘴合理為1.5 mm，水幕布置在掘進機尾部15 m處，通過優(yōu)化通風(fēng)參數(shù)，距迎頭30 m處全塵、呼塵濃度分別減小36.5%、33.8%，增加水幕后，全塵、呼塵濃度分別減小39.2%、31.0%，采用掘進機內(nèi)外噴霧及除塵水幕噴霧采用活化磁性溶液后，全塵、呼塵降塵效率分別由61.4%、54.3%提升至81.3%、78.4%，掘進工作面粉塵濃度顯著降低，有效改善了作業(yè)環(huán)境。