玉溪煤礦大采高工作面回采期間呼塵分布規(guī)律研究與分析

秦 威

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司,山西 沁水 048000)

1 工程概況

玉溪煤礦1301工作面位于南部一盤區(qū),工作面開采3號煤層,煤層平均5.85 m,煤層頂板巖層為泥巖和中粒砂巖。工作面采用一次采全高采煤方法,因工作面開采高度大,回采期間產(chǎn)生的粉塵質(zhì)量濃度會較大,現(xiàn)分析工作面回采期間呼塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律,為工作面采取有效降塵措施提供基礎(chǔ)參考。

2 呼塵分布規(guī)律模擬分析

為有效分析1301工作面回采期間呼塵的分布規(guī)律,以1301工作面為原型,采用Fluent數(shù)值模擬軟件建立長×寬=120 m×8 m的數(shù)值模型,模型中設(shè)置采煤尺寸為21 m×3.6 m×3.6 m,設(shè)置采煤機(jī)滾筒直徑為4.5 m,模型中支架最大空頂距為6.7 m,支架底座高為0.5 m、中心距為2 m,移架步距為0.8 m,數(shù)值模型中對采煤機(jī)截齒、液壓之間控制系統(tǒng)等不影響計算結(jié)果的因素進(jìn)行了簡化,具體數(shù)值模型橫截面如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型幾何示意

根據(jù)眾多理論研究和現(xiàn)場工程實踐可知[1-3],大采高工作面粉塵主要來源與采掘作業(yè)區(qū)域,即采煤機(jī)割煤和液壓支架移架為主要的產(chǎn)塵作業(yè)工序,通過對工作面塵源點的采樣分析,得出滾筒割煤時的粉塵質(zhì)量濃度為704 mg/m3,液壓支架移架時的粉塵質(zhì)量濃度為10 003 mg/m3,粉塵粒徑分布服從羅森-拉姆勒函數(shù)分布[4],其分布指數(shù)分別為1.19和1.56,具體本次模型中呼塵的主要設(shè)置參數(shù)見表1.

表1 數(shù)值模型呼塵主要參數(shù)

通過數(shù)值模擬分別對工作面逆風(fēng)割煤和順風(fēng)割煤時呼塵質(zhì)量濃度的時空演化特征進(jìn)行分析,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,具體分析如下:

1) 逆風(fēng)割煤時:分別對工作面10 s、20 s、30 s、40 s和50 s的呼塵分布情況進(jìn)行分析,不同時刻呼塵分布情況如圖2所示。

圖2 逆風(fēng)工作面滾筒割煤和支架移架時粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律

分析圖2(a)可知,滾動割煤作業(yè)時,在運動速度方面,前滾筒處呼塵沿著風(fēng)流方向的位移較大,粉塵運動10運動20 s后即超過前滾筒區(qū)域;在Y軸的方向上,采煤機(jī)前滾筒處呼塵基本呈平行煤壁的直線運動;在工作面高度方向上,前滾筒和后滾筒呼塵主要分布在中部和頂部、中部和底部空間。

分析圖2(b)可知,采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時進(jìn)行移架時,內(nèi)機(jī)道的呼塵沿著風(fēng)流方向的位移較大,其在運動30 s即可到達(dá)出口位置;在模型Y軸方向上,移架作業(yè)的前30 s內(nèi),機(jī)道和人行道的呼塵分別朝煤壁和采空區(qū)偏移;從沉降效果上分析,機(jī)道呼塵隨著擴(kuò)散其在Z方向的偏移趨勢逐漸減小,即表明其沉降速度慢;人行道呼塵差異較大,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是人行道側(cè)呼塵受到風(fēng)流的影響較大。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,得出逆風(fēng)割煤時采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)人行道不同高度和到煤壁不同距離處呼塵質(zhì)量濃度分布曲線如圖3所示。

圖3 逆風(fēng)人行道不同高度和到煤壁不同距離時曲線分布圖

分析圖3可知,人行道上頂部空間的呼塵質(zhì)量濃度較大,中部空間的呼塵在30 m處開始逐漸增大,而人行道底部空間的呼塵質(zhì)量濃度變化小;采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)不同位置,呼塵質(zhì)量濃度隨著到煤壁距離的增大而逐漸減小;其呼塵質(zhì)量濃度的衰減速率隨著距下風(fēng)側(cè)距離的增大而逐漸減小,煤壁處呼塵的濃度超過500 mg/m3,當(dāng)?shù)矫罕? m后的位置時,呼塵質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在50 mg/m3以內(nèi)。

2) 順風(fēng)割煤時:分別對工作面10 s、20 s、30 s、40 s和50 s的呼塵分布情況進(jìn)行分析,具體滾筒割煤和移架時不同時刻呼塵分布情況如圖4所示。

圖4 順風(fēng)工作面滾筒割煤和支架移架時粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律

分析圖4可知, 工作面順風(fēng)割煤與逆風(fēng)割煤相比,工作面順風(fēng)割煤時,前滾筒產(chǎn)生的呼塵主要向頂部和底部運動,采煤機(jī)后滾筒產(chǎn)生的呼塵經(jīng)過采煤機(jī)后主要向工作面中部和底部運動,且工作面中部呼塵有相頂部偏移的現(xiàn)象;相同時間內(nèi),人行道上呼塵在X軸方向上的位移較小,在Z軸上的偏移較大,呼塵在Z軸上30 s即可擴(kuò)散至中底部,且在50 s內(nèi)即可在下風(fēng)側(cè)完全擴(kuò)散開。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,能夠得出順風(fēng)割煤時,呼塵空間分布演化特征,具體采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)人行道不同高度和到煤壁不同距離處呼塵質(zhì)量濃度分布曲線如圖5所示。

分析圖5可知, 工作面順風(fēng)割煤時,相較于逆風(fēng)割煤,人行道上頂部呼塵初始濃度較小,呼塵在擴(kuò)散10 m后,即穩(wěn)定在150～200 mg/m3范圍內(nèi),工作面中部呼塵在10 m處開始速度上升,其平均濃度為30 mg/m3;在橫向上,呼塵質(zhì)量濃度(煤壁3 m位置處)以下風(fēng)側(cè)20 m為界限呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢。整體呼塵質(zhì)量濃度衰減的程度較小,呼塵質(zhì)量濃度在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)分布更為均勻。

圖5 順風(fēng)人行道不同高度和到煤壁不同距離時曲線分布圖

3 呼塵分布規(guī)律現(xiàn)場實測分析

1301工作面回采期間,采用濾膜增重法對工作面粉塵進(jìn)行采樣分析,設(shè)置采樣流量為20 L/min,采樣時間為2 min,呼塵采樣點設(shè)置如下:X方向在采煤機(jī)及其下風(fēng)側(cè)100 m范圍、Y方向在人行道和機(jī)道(兩者間隔1.5 m)、Z方向設(shè)置在底部和中部[5-8],具體采樣點布置如圖6所示。

圖6 工作面呼塵質(zhì)量濃度采樣點布置圖

分析得出,采煤機(jī)不同位置處粉塵質(zhì)量濃度分布如圖7所示。

分析表2可知,逆風(fēng)割煤時,呼塵對人行道的污染不大,呼塵質(zhì)量濃度平均濃度分別為37 mg/m3、51 mg/m3,工作面中部呼塵質(zhì)量濃度約高出底部38%;工作面順風(fēng)割煤時,下風(fēng)側(cè)粉塵質(zhì)量濃度大于上風(fēng)側(cè),割煤時粉塵對人行道的污染較逆風(fēng)時大,工作面底部和中部的平均呼塵質(zhì)量濃度分別為130 mg/m3和57 mg/m3,底部高出中部約128%.

表2 采煤機(jī)不同位置呼塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)

根據(jù)粉塵采樣結(jié)果得出,工作面順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤時,采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)呼塵質(zhì)量濃度沿程分布如圖7所示。

圖7 呼塵質(zhì)量濃度沿程分布曲線

分析圖7可知,順風(fēng)割煤時,工作面呼塵質(zhì)量濃度分布呈現(xiàn)為機(jī)道>人行道、中部>底部,底部呼塵質(zhì)量濃度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,順風(fēng)割煤時,下風(fēng)側(cè)30 m內(nèi)的污染較大,呼塵質(zhì)量濃度超過100 mg/m3;逆風(fēng)割煤時,隨著下風(fēng)側(cè)距離的增大,機(jī)道和人行道呼塵質(zhì)量濃度差值逐漸減小,呼塵在橫向上分布均勻,中部呼塵和底部呼塵分別約為70 mg/m3和50 mg/m3.

綜合上述分析可知,割煤時呼塵主要從中部空間向人行道擴(kuò)散,在下風(fēng)側(cè)形成30 m的高濃度呼塵區(qū);順風(fēng)割煤時,頂部呼塵會先運動至呼吸帶高度處;工作面內(nèi)機(jī)道的呼塵質(zhì)量濃度大于人行道,中部呼塵質(zhì)量濃度大于底部,綜合上述分析可知,通過增大風(fēng)速、增加擋煤板及提高煤體含水率能夠在一定程度上改善工作面的環(huán)境。

綜上所述,根據(jù)1301工作面煤層賦存情況,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方式進(jìn)行呼塵分布規(guī)律的分析,基于分析結(jié)果得出,工作面割煤時會在下方側(cè)形成30 m的高濃度呼塵區(qū);工作面內(nèi)機(jī)道的呼塵質(zhì)量濃度大于人行道,中部呼塵質(zhì)量濃度大于底部,可通過增大風(fēng)速、增加擋煤板及提高煤體含水率改善工作面環(huán)境。