綜采面雙機(jī)載除塵器協(xié)同作用對風(fēng)流粉塵凈化效果分析

焦婉瑩,韓東洋,梁成文

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710089; 2.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719001;3.山西華陽集團(tuán)新能股份有限公司 煤層氣開發(fā)利用分公司,山西 陽泉 045008)

近年來,隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展,煤礦開采設(shè)備的自動化能力不斷增強(qiáng),礦井生產(chǎn)能力也隨之不斷提升[1-3],工作面粉塵污染越來越嚴(yán)重。與此同時(shí),隨著煤礦智能化不斷升級,設(shè)備智能化運(yùn)行、圖像高精度傳送、信息在線實(shí)時(shí)監(jiān)測等工作對礦井環(huán)境的要求越來越嚴(yán)苛[4]。礦井綜采工作面高濃度粉塵的存在一定程度上阻礙了煤礦智能化發(fā)展。此外,由于高濃度粉塵會導(dǎo)致工人患塵肺病、矽肺病等職業(yè)病,也與近年來推行的“健康中國”偏離[5-6]。因此,必須采取積極有效措施來防治礦井粉塵污染,以保障工人身心健康和煤礦安全生產(chǎn),助推煤礦智能化發(fā)展。

綜采工作面作為礦井粉塵污染最為嚴(yán)重的場所,一直是粉塵治理工作的重點(diǎn)研究對象。綜采工作面粉塵主要來源為采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)塵、液壓支架降柱移架產(chǎn)塵、進(jìn)風(fēng)風(fēng)流攜帶粉塵、煤層垮落產(chǎn)塵、破碎滾筒產(chǎn)塵等,其中采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)塵占綜采工作面產(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[7-9]。由于采煤機(jī)滾筒實(shí)時(shí)移動,使得綜采工作面塵源點(diǎn)不斷變化,同時(shí)工作面風(fēng)速較大,極易造成粉塵擴(kuò)散。另外,通過現(xiàn)場實(shí)地觀測發(fā)現(xiàn),風(fēng)流受采煤機(jī)阻擋后,風(fēng)流流場發(fā)生變化,局部最高風(fēng)速可達(dá)到進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的3～4倍。此部分高速風(fēng)流主要為橫向擴(kuò)散,即向人行側(cè)擴(kuò)散,會攜帶大量粉塵,污染人行側(cè)[10-11]。目前針對采煤機(jī)滾筒割煤粉塵的主要治理措施是噴霧降塵,但是由于井下供水流量、壓力限制,噴嘴霧化效果不佳等原因,噴霧降塵效率僅能達(dá)到65.00%左右。伴隨著采煤工作面智能化建設(shè),生產(chǎn)設(shè)備及工作面內(nèi)安裝了大量傳感器、視頻監(jiān)控等電子監(jiān)控設(shè)備,使得工作面使用噴霧降塵效果受到限制,而通風(fēng)除塵技術(shù)則可以避開上述問題,但通風(fēng)除塵技術(shù)僅在綜掘工作面應(yīng)用較多,在綜采工作面的研究應(yīng)用較少?！笆濉币詠?中煤科工集團(tuán)重慶研究院和山東科技大學(xué)對綜采工作面采煤機(jī)通風(fēng)除塵技術(shù)及裝備進(jìn)行研究,取得了一些基礎(chǔ)成果[12-14],但仍與國家綠色礦山發(fā)展需求存在差距。

筆者以陜煤曹家灘煤礦122109綜采工作面為工程背景,在詳細(xì)分析該工作面風(fēng)流—粉塵運(yùn)移分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)的方法研究新型采煤機(jī)通風(fēng)除塵技術(shù),為開展采煤機(jī)滾筒割煤粉塵治理研究提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

曹家灘煤礦122109綜采工作面位于12盤區(qū)2-2煤開拓大巷的西側(cè),開采煤層為2-2煤。工作面長260 m,推進(jìn)長度約6 004 m,2-2煤層厚度11.55～12.03 m,平均厚11.80 m,煤層傾角0.4°,平均埋深318 m。工作面采用走向長壁后退式采煤法,綜采放頂煤采煤工藝開采,全部垮落法管理頂板,設(shè)計(jì)采高5.8 m,放煤高度6.0 m。采取“一刀一放”,放煤步距為0.865 m,工作面風(fēng)量為2 400 m3/min(風(fēng)速1.2 m/s)。122109綜采工作面共有130臺液壓支架,其中ZFY21000/34/63D基本支架119架;中間過渡支架ZFYG21000/34/63D(A)機(jī)頭1架、ZFYG21000/34/63D(B)機(jī)尾1架,共2架;端頭過渡支架ZFG22000/30/50D(A)機(jī)頭3架、ZFG22000/30/50D(B)機(jī)尾4架,共7架;機(jī)頭端頭液壓支架ZYT21000/28/50D共2架。

2 數(shù)值計(jì)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,氣體流動可被視為湍流流動。綜采工作面氣流的湍流流動可以用κ-ε模型求解[15-16]。

κ方程:

Gb-ρε-YM+Sκ

(1)

Gκ=μtS2

(2)

(3)

(4)

ε方程:

(5)

(6)

(7)

式中:t為時(shí)間,s;ρ為氣流密度,kg/m3;κ為紊流動能,J;i、j為張量的指標(biāo)符號,其取值分別為1、2、3;xi、xj為微元點(diǎn)的坐標(biāo)位置,m;ui為速度在x方向上的分量,m/s;uj為速度在y方向上的分量,m/s;μ為層流中的黏性系數(shù),Pa·s;μt為湍流中的黏性系數(shù),Pa·s;σκ為模型常量,取1.00;Gκ為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能,J;Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能,J;ε為耗散率,%;YM為可壓縮湍流中,過度的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動,取0;Sκ、S、Sij、Sε、η為自定義參數(shù);σε為模型常量,取1.20;C1、C2、C1ε、C3ε為模型常量,分別取1.5、1.92、1.44、1.32。

利用歐拉-拉格朗日模型描述氣相流場,采用SIMPLE算法計(jì)算連續(xù)相的流場速度等參數(shù),求解過程如圖1所示[17]。

圖1 求解過程示意圖

2.2 技術(shù)原理

雙機(jī)載除塵器協(xié)同除塵技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 雙機(jī)載除塵器協(xié)同工作原理圖

通過對常規(guī)濕式除塵器進(jìn)行改造,使其更好地與采煤機(jī)配合,更易于安裝。工作時(shí),機(jī)載1#除塵器利用自身的負(fù)壓作用抽吸凈化采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)滾筒割煤產(chǎn)生的粉塵,1#除塵器出風(fēng)口噴霧對逃逸的粉塵進(jìn)行二次捕獲,同時(shí)其出風(fēng)口射流還可以形成1道風(fēng)幕屏障,阻擋粉塵向人行區(qū)域擴(kuò)散;針對上風(fēng)側(cè)滾筒割煤產(chǎn)生的沿煤壁一側(cè)運(yùn)移的粉塵無法被機(jī)載1#除塵器捕集凈化的問題,在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)機(jī)身端面附近布置機(jī)載2#除塵器,其吸塵口斜面向煤壁,可以及時(shí)抽吸凈化上風(fēng)側(cè)滾筒割煤擴(kuò)散的粉塵,其出風(fēng)口噴霧可以對下風(fēng)側(cè)滾筒割煤產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行沉降,另外2#除塵器的出口射流也可以形成1道風(fēng)幕屏障,可以有效阻擋粉塵向人行區(qū)域擴(kuò)散。由此通過雙機(jī)載除塵器協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)滾筒割煤粉塵的有效治理。

2.3 CFD模型的建立

綜采工作面采場空間由于設(shè)備布局復(fù)雜且設(shè)備處于不同位態(tài),對空間內(nèi)風(fēng)流影響較大。為最大程度模擬現(xiàn)場風(fēng)流分布、粉塵運(yùn)移規(guī)律,根據(jù)設(shè)備對風(fēng)流影響的大小程度,對采場內(nèi)采煤機(jī)、液壓支架、擋煤板及刮板輸送機(jī)等進(jìn)行適當(dāng)簡化[18-20]:

1)采煤機(jī)機(jī)體、搖臂及滾筒為模型主要組成部分,對工作面風(fēng)流流動、粉塵擴(kuò)散起到明顯阻擋作用,在不改變其斷面面積、滾筒尺寸的情況下,將采煤機(jī)及部件簡化為規(guī)則的四面體。

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(shí)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(shí)際一致。

3)2個(gè)機(jī)載除塵器都設(shè)計(jì)成異型,1#除塵器放置在采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)機(jī)身端面,2#除塵器放置在下風(fēng)側(cè)機(jī)面,按現(xiàn)場實(shí)際尺寸及放置位置進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。

同時(shí),采場空間內(nèi)溫度、濕度相對穩(wěn)定,因此可忽略溫濕度對風(fēng)流速度分布的影響。根據(jù)空間實(shí)際尺寸建立模型,同時(shí)去除實(shí)體單元所占空間位置,只保留采場空間實(shí)際流場計(jì)算空間模型。數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.4 模型邊界條件

采用Workbench自帶mesh模塊進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分。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)κ-ε雙方程模型,關(guān)閉能量方程,機(jī)載除塵器入口為速度入口,出口為速度出口。CFD模型基本參數(shù)如表1所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

122109綜采工作面沿高度方向上y=1～6 m位置截面的原始粉塵質(zhì)量濃度分布情況如圖4所示。

由圖4可知,采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)生的粉塵在風(fēng)流的作用下主要沿煤壁一側(cè)運(yùn)動,另有部分粉塵向采煤機(jī)機(jī)身上方和人行側(cè)運(yùn)動。工作面粉塵積聚主要發(fā)生在采煤機(jī)機(jī)身靠煤壁一側(cè)及底板附近(y=1 m),底板附近的高濃度粉塵在風(fēng)流誘導(dǎo)下,會向擋煤板一側(cè)運(yùn)動,當(dāng)積聚到一定程度后,就會越過擋煤板污染人行區(qū)域。同時(shí),采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)滾筒割煤產(chǎn)生的粉塵在風(fēng)流作用下急劇向人行區(qū)域一側(cè)擴(kuò)散。

根據(jù)122109綜采工作面粉塵分布現(xiàn)狀,提出在采煤機(jī)上、下風(fēng)側(cè)機(jī)身端面附近各布置1臺除塵器,使用雙除塵器(風(fēng)量200 m3/min)協(xié)同治理。治理后的工作面粉塵質(zhì)量濃度分布情況如圖5所示。

圖5 使用雙除塵器時(shí)工作面粉塵質(zhì)量濃度分布情況

由圖5可知,在雙除塵器協(xié)同治理作用下,工作面整體粉塵污染情況得到了較大的改善。對比原始情況(見圖4)如下:①底板附近的高濃度粉塵團(tuán)范圍明顯減小,特別是下風(fēng)側(cè)區(qū)域,這可能由于上風(fēng)側(cè)1#除塵器處理凈化了來自上風(fēng)側(cè)滾筒割煤及垮落的大部分粉塵,故向下風(fēng)側(cè)擴(kuò)散的粉塵減少;②在采煤機(jī)機(jī)身上部空間(y=4 m),2#除塵器處理凈化了上風(fēng)側(cè)沿煤壁擴(kuò)散過來的高濃度粉塵團(tuán),使下風(fēng)側(cè)滾筒附近的高濃度粉塵云團(tuán)明顯減少,同時(shí),除塵器的負(fù)壓作用還抵消了一部分高速風(fēng)流,使得采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)滾筒附近風(fēng)速降低,這樣采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)滾筒割煤產(chǎn)生的粉塵擴(kuò)散能力大大減弱,2#除塵器出口射流將人行區(qū)域和工作區(qū)分開,使得在采煤機(jī)機(jī)身下風(fēng)側(cè)40 m后,人行區(qū)域幾乎無高濃度粉塵云團(tuán)出現(xiàn)。因此,通過上述對使用雙機(jī)載除塵器前后工作面粉塵濃度分布情況對比發(fā)現(xiàn),在雙機(jī)載除塵器協(xié)同作用下,工作面粉塵污染情況得到明顯改善。

提取采煤機(jī)機(jī)身附近(x=15～45 m)及支架內(nèi)人行道空間內(nèi)的人員呼吸帶高度(y=2.7 m,因模型中支架人行底板距離地面1.2 m)及煤壁(y=3.7 m)位置的粉塵質(zhì)量濃度,定量分析雙機(jī)載除塵器的協(xié)同作用對采煤機(jī)附近區(qū)域粉塵濃度的影響,結(jié)果如圖6所示。

(a)對人行側(cè)影響

由圖6可知:雙機(jī)載除塵器的協(xié)同作用,同時(shí)降低了人行側(cè)和煤壁側(cè)粉塵濃度。如圖6(a)所示,在呼吸帶高度位置的人行側(cè),粉塵質(zhì)量濃度變化隨著與進(jìn)風(fēng)巷距離的增大而表現(xiàn)為先升高再降低趨勢,在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)搖臂附近達(dá)到最高的15.300 mg/m3,使用除塵器后降低至0.177 mg/m3,降塵效率達(dá)到98.80%;如圖6(b)所示,在呼吸帶高度位置的煤壁一側(cè),粉塵質(zhì)量濃度呈現(xiàn)升高—降低—升高—降低的變化趨勢,在采煤機(jī)機(jī)身中部位置(x=22 m)粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到最高1 290.000 mg/m3,在除塵器的作用下,降低到789.000 mg/m3,降塵效率達(dá)到38.80%,在采煤機(jī)上滾筒附近(x=17 m)最大降塵效率達(dá)到51.20%。

綜上所述,雙機(jī)載除塵器的協(xié)同使用,對工作面粉塵特別是人行側(cè)粉塵起到了顯著的降塵作用,但在煤壁一側(cè)由于離塵源太近,除塵器處理風(fēng)量有限,粉塵凈化效果不佳。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

為了驗(yàn)證雙機(jī)載除塵器的效果,在曹家灘煤礦122109綜采工作面進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用,同時(shí)在采煤機(jī)上、下風(fēng)側(cè)機(jī)身端面安裝了機(jī)載除塵器。測試使用雙機(jī)載除塵器前后,人行側(cè)和煤壁側(cè)的采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)司機(jī)處、下風(fēng)側(cè)5～10 m呼吸帶高度位置總粉塵質(zhì)量濃度,結(jié)果如表2所示。

表2 使用雙機(jī)載除塵器前后的除塵效果

由表2可以看出,雙機(jī)載除塵器的使用對工作面粉塵污染情況確實(shí)起到了明顯的改善作用,最大降塵效率達(dá)到93.94%,驗(yàn)證了本方案的可行性。

5 結(jié)束語

1)數(shù)值模擬表明,曹家灘煤礦122109綜采工作面采煤機(jī)滾筒割煤粉塵在風(fēng)流作用下主要沿煤壁一側(cè)擴(kuò)散,另有部分粉塵向采煤機(jī)機(jī)身頂部上方及人行側(cè)擴(kuò)散,該部分粉塵為治理重點(diǎn)。上風(fēng)側(cè)滾筒割煤及垮落粉塵擴(kuò)散到下風(fēng)側(cè)底板附近的部分,存在跨越擋煤板擴(kuò)散污染人行區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)。

2)模擬分析雙機(jī)載除塵器協(xié)同作用下的除塵效果發(fā)現(xiàn):使用該技術(shù)后,綜采工作面粉塵污染現(xiàn)狀改善效果明顯,工作面粉塵積聚現(xiàn)象明顯減少,對人行側(cè)呼吸帶高度位置粉塵最大降塵效率達(dá)98.80%,采煤機(jī)上滾筒附近最大降塵效率達(dá)到51.20%。

3)在綜采工作面現(xiàn)場安裝使用雙機(jī)載除塵器后,人行側(cè)采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)司機(jī)處及5～10 m位置的降塵效率分別達(dá)到77.17%、93.94%;煤壁側(cè)采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)司機(jī)處及5～10 m位置的降塵效率分別達(dá)到52.39%、63.61%。

本次只對雙機(jī)載除塵器單一風(fēng)量情況下的除塵效果進(jìn)行了試驗(yàn)分析,后續(xù)還將對雙機(jī)載除塵器在不同風(fēng)量匹配下的除塵效果進(jìn)行研究,探索最佳風(fēng)量參數(shù)匹配條件下的雙除塵器協(xié)同治理效果。