長距離巷道粉塵治理技術(shù)研究

張秀忠

（山西亞美大寧能源有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

我國煤炭資源儲(chǔ)量豐富且種類齊全，由于我國人口基數(shù)較大，所以為保證國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生活需求，在未來很久一段時(shí)間煤炭資源仍是我國最為重要的能源形式。隨著多年的開采，我國礦井的采深不斷加深，規(guī)模也越來越大，這就使得長距離掘進(jìn)巷道日益普遍，但在進(jìn)行長距離巷道開采過程中，通風(fēng)困難成為了不可避免的問題。在掘進(jìn)過程中，由于切割、爆破、裝卸等作業(yè)使得巷道粉塵濃度大，降塵難度增加，嚴(yán)重影響掘進(jìn)面的環(huán)境，若缺乏有效的通風(fēng)排塵方案，大量粉塵及有害氣體聚集，會(huì)嚴(yán)重危害作業(yè)人員的身體健康。針對粉塵問題，常見的解決方法為局部通風(fēng)，通風(fēng)方式可分為抽出式、壓入式和混合式三種[1-2]。根據(jù)研究，長距離巷道的通風(fēng)方式宜采用混合式通風(fēng)，但實(shí)際應(yīng)用過程中，混合式通風(fēng)雖然能夠達(dá)到通風(fēng)效果[3]，但后期維護(hù)及前期的安裝等都需要較大的人力及財(cái)力，所以本文利用Fluent 模擬軟件對巷道粉塵的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，分析不同通風(fēng)參數(shù)下的通風(fēng)效果，確定合理的通風(fēng)參數(shù)，為后續(xù)巷道的通風(fēng)方案布置提供一定的理論依據(jù)。

1 巷道粉塵運(yùn)移規(guī)律研究

為了研究粉塵運(yùn)移規(guī)律，首先建立模型，根據(jù)通風(fēng)經(jīng)驗(yàn)，作業(yè)人員主要分布于掌子面附近，所以在進(jìn)行通風(fēng)研究時(shí)，只要確保掌子面附近空氣達(dá)標(biāo)方可進(jìn)行下一步作業(yè)，模型建立時(shí)選用長度50 m 的巷道進(jìn)行分析。巷道的通風(fēng)方式選用壓入式通風(fēng)，巷道選擇拱形巷道，巷道寬3.2 m，拱高1.4 m，幫高2.4 m，巷道凈斷面面積10.51 m2。風(fēng)筒設(shè)置在巷道的進(jìn)風(fēng)側(cè)（左側(cè)）中部，風(fēng)筒距離地面高度為2.0 m，直徑為0.8 m，風(fēng)筒的出風(fēng)口距封閉段10 m，風(fēng)速為4 m/s，掘進(jìn)方向設(shè)定為X 軸負(fù)方向。為了便于后期的模擬，對模型進(jìn)行簡化，風(fēng)流不可壓縮，爆破粉塵間無相互作用，空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流，忽略風(fēng)筒接頭漏風(fēng)對模擬的影響。對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，根據(jù)研究特點(diǎn)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，劃分完成后共計(jì)189 531 個(gè)網(wǎng)格，對掘進(jìn)巷道壓入式通風(fēng)進(jìn)行模擬，截面局部速度云圖如圖1 所示。

圖1 壓入式通風(fēng)截面局部速度云圖

從圖1 的流場速度矢量圖可以清楚地看出風(fēng)流流動(dòng)方向，在風(fēng)筒口位置風(fēng)流速度較大，風(fēng)流噴射而出后形成高速射流，射流靠近巖壁，在風(fēng)流噴射中，此時(shí)射流不斷卷吸回風(fēng)區(qū)側(cè)的風(fēng)流，同時(shí)在垂直方向上不斷擴(kuò)大，同時(shí)隨著射流流動(dòng)距離的不斷增大，風(fēng)流的流速不斷衰減，風(fēng)流逐步進(jìn)入回流區(qū)，回風(fēng)區(qū)的風(fēng)流部分隨著射流重新進(jìn)入工作面，形成工作面附近的循環(huán)，在風(fēng)筒出風(fēng)口、迎頭附近形成一定面積的漩渦區(qū)。剩余部分沿著巷道的出口排出。

2 不同通風(fēng)參數(shù)下粉塵分布研究

壓入式通風(fēng)風(fēng)筒設(shè)置的位置不同對巷道通風(fēng)效果有著較大的影響，對最佳風(fēng)筒口到掘進(jìn)端的距離進(jìn)行分析。保持巷道結(jié)構(gòu)、風(fēng)筒直徑、巷道尺寸、風(fēng)筒高度、風(fēng)速度等不變，改變風(fēng)筒出口到掘進(jìn)斷面的距離，模擬距離10 m、13 m、20 m 三種情況下的巷道粉塵立體圖。

如圖2 所示為500 s 時(shí)，不同掘進(jìn)端面距離風(fēng)筒口距離下粉塵濃度立體圖。從圖2 中可以看出，當(dāng)掘進(jìn)端面距風(fēng)筒口距離為10 m 時(shí)，粉塵運(yùn)移受到風(fēng)筒口后方渦流區(qū)及風(fēng)筒口前方渦流區(qū)影響較大，呈現(xiàn)出風(fēng)筒口前方粉塵濃度大及風(fēng)筒口后方底板上方粉塵分散、濃度大的特點(diǎn)；當(dāng)掘進(jìn)端面距風(fēng)筒口距離為13 m時(shí)，由于掘進(jìn)端面距風(fēng)筒口距離的增大及風(fēng)筒口前方大漩渦區(qū)的作用，在巷道的漩渦區(qū)中心的下側(cè)形成一定面積的粉塵團(tuán)，使得粉塵在巷道上側(cè)分布較少；繼續(xù)增大掘進(jìn)端面距風(fēng)筒口距離，風(fēng)筒口射流抵達(dá)掘進(jìn)端面強(qiáng)度有所下降，所以會(huì)造成掘進(jìn)端面位置出現(xiàn)粉塵集中的問題，同時(shí)由于掘進(jìn)端面距風(fēng)筒口距離的增大，回流強(qiáng)度降低，當(dāng)掘進(jìn)端面距風(fēng)筒口距離增大至20 m 時(shí)，風(fēng)筒口后方懸浮粉塵難以被風(fēng)流帶出，造成粉塵濃度增大，所以最佳壓入式通風(fēng)掘進(jìn)端面距風(fēng)筒口距離為13 m。

圖2 不同掘進(jìn)端面距離風(fēng)筒口距離下粉塵濃度立體圖

對風(fēng)筒在巷道截面不同位置下排塵效果進(jìn)行研究，分別模擬風(fēng)筒懸掛側(cè)壁高度1.0 m、2.0 m 及巷道頂部中間位置三種情況，其他變量均保持不變，風(fēng)筒不同布置位置下排塵效果曲線如圖3 所示。

圖3 風(fēng)筒不同布置位置下排塵效果曲線

圖3 為量化后的排塵規(guī)律，通過選定不同時(shí)間點(diǎn)下的巷道粉塵數(shù)得出粉塵滯留率曲線（滯留率為滯留粉塵粒子數(shù)與總噴射粉塵粒子數(shù)之比），用以表示粉塵排放情況。從圖3 可以看出，當(dāng)風(fēng)筒布設(shè)于巷道側(cè)壁時(shí)，巷道內(nèi)粉塵在200 s 時(shí)排出巷道口，先于風(fēng)筒布置在巷道頂部中間時(shí)，同時(shí)風(fēng)速越大，帶塵效果越好。相同時(shí)刻下，風(fēng)筒布設(shè)于巷道側(cè)壁2 m 高位置下的粉塵滯留率最低，說明此方法的排塵效果較好，而風(fēng)筒布置于側(cè)壁高1.0 m 位置時(shí)的排塵效果較差，粉塵滯留率較高。當(dāng)時(shí)間來到500 s 時(shí)，風(fēng)筒布設(shè)于側(cè)壁高2 m 位置的粉塵滯留曲線與布設(shè)于巷道頂板中間時(shí)的粉塵滯留曲線幾乎重合，布置在巷道頂板中間略低，而風(fēng)筒布設(shè)于側(cè)壁高1 m 位置下的粉塵滯留率較高，說明布置在此位置時(shí)的排塵效果較差。綜合分析可以看出，若要求短期內(nèi)通風(fēng)排塵效果，可以選擇將風(fēng)筒布置于側(cè)壁高2.0 m 處，若追求更低的粉塵濃度，則選擇將風(fēng)筒布設(shè)于巷道頂部中間位置。

3 結(jié)論

1）壓入式通風(fēng)在風(fēng)筒口位置風(fēng)流速較大，風(fēng)流噴射而出后形成高速射流，射流靠近巖壁，在風(fēng)筒出風(fēng)口、迎頭附近形成一定面積的漩渦區(qū)。

2）通過對不同掘進(jìn)端面距風(fēng)筒口距離下的粉塵濃度立體圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)最佳壓入式通風(fēng)掘進(jìn)端面距風(fēng)筒口距離為13 m。

3）根據(jù)不同時(shí)間點(diǎn)下粉塵滯留率曲線可以得出，為保證短期內(nèi)通風(fēng)排塵效果，可以選擇將風(fēng)筒布置于側(cè)壁高2.0 m 處，若追求更低的粉塵濃度，則選擇將風(fēng)筒布設(shè)于巷道頂部中間位置。