薄煤層長(zhǎng)壁工作面煤塵分布特征及其防治＊

張東升邱家軒范鋼偉任天祥劉士春

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221008;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116;3.澳大利亞臥龍崗大學(xué)土木、采礦與環(huán)境工程學(xué)院,澳大利亞新南威爾士臥龍崗,2522)

薄煤層長(zhǎng)壁工作面煤塵分布特征及其防治＊

張東升1,2邱家軒1,2范鋼偉1,2任天祥3劉士春2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221008;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116;3.澳大利亞臥龍崗大學(xué)土木、采礦與環(huán)境工程學(xué)院,澳大利亞新南威爾士臥龍崗,2522)

以小青礦W2-713刨煤機(jī)長(zhǎng)壁工作面為試驗(yàn)基地,采用CFD(Computational Fluid Dynamics,計(jì)算流體力學(xué))數(shù)值模擬技術(shù),分析出工作面不同位置風(fēng)流速度分布特征,得出了薄煤層刨煤機(jī)長(zhǎng)壁工作面的高速風(fēng)流區(qū)和低速風(fēng)流區(qū)的位置;模擬得出了刨煤機(jī)、移架、工作面轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等不同產(chǎn)塵源的煤塵分布特征及其對(duì)井下環(huán)境的影響機(jī)理;通過(guò)對(duì)薄煤層刨煤機(jī)長(zhǎng)壁工作面定向噴霧除塵的模擬分析,證明定向噴霧除塵系統(tǒng)不僅可以提高工作面整體降塵效果,還有利于消除工作面刨煤機(jī)附近高濃度瓦斯積聚。

薄煤層長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采 刨煤機(jī) CFD數(shù)值模擬 煤塵分布特征

薄煤層刨煤機(jī)長(zhǎng)壁工作面推進(jìn)速度快,產(chǎn)塵量大,而通風(fēng)斷面小,工作面煤塵分布特征與普通長(zhǎng)壁工作面具有明顯不同。研究煤塵特征是進(jìn)行薄煤層刨煤機(jī)工作面煤塵防治的基礎(chǔ)。

針對(duì)鐵法集團(tuán)小青礦W2-713刨煤機(jī)長(zhǎng)壁工作面,利用先進(jìn)的CFD(計(jì)算流體力學(xué))數(shù)值模擬技術(shù),研究刨煤機(jī)長(zhǎng)壁工作面的產(chǎn)塵特點(diǎn)及工作面綜合防塵技術(shù),為工作面安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境。

1 工作面概況

W2-713長(zhǎng)壁工作面通風(fēng)斷面小,平均僅有4.6～5.4 m2,工作面配風(fēng)量1000～1150 m3/min,工作面風(fēng)速達(dá)到3 m/s以上。工作面煤塵爆炸指數(shù)為 39.17%。煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為46.58 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為10.94 m3/t。

工作面走向長(zhǎng)度1712 m,斜長(zhǎng)225 m,煤層傾角4°,煤層厚度1.30 m;直接頂為中、粉砂巖互層,夾泥巖層,厚度一般在5 m左右,基本頂為粉砂巖、粗砂巖、砂礫巖為主的砂巖互層。工作面設(shè)備配套情況如表1所示。

表1 工作面設(shè)備配套情況

2 CFD模型的建立

刨煤機(jī)工作面粉塵來(lái)源主要有刨煤機(jī)、液壓支架、工作面轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、工作面運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)和煤壁落煤。由于工作面設(shè)備的復(fù)雜性,必須對(duì)主要設(shè)備如支架、刨煤機(jī)等幾何外形特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,建立CFD幾何模型。圖1為工作面支架和刨煤機(jī)的簡(jiǎn)化建模過(guò)程。

圖1 工作面支架和刨煤機(jī)的簡(jiǎn)化建模過(guò)程

CFD模型的幾何特征見(jiàn)圖2。為了減少計(jì)算量,同時(shí)保證模型盡可能反映工作面產(chǎn)塵特點(diǎn)及粉塵分布情況,模型中工作面長(zhǎng)度取80 m,工作面運(yùn)輸巷道長(zhǎng)度取50 m,工作面高度取2 m,見(jiàn)圖2(a)。模型計(jì)算中,連續(xù)相氣體流動(dòng)的控制方程采用N-S方程,三維湍流的計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。長(zhǎng)壁工作面粉塵污染主要以呼吸性粉塵為主,因此CFD模型主要以呼吸性粉塵為研究對(duì)象。對(duì)于呼吸性粉塵的流動(dòng)特征,認(rèn)為與一般氣體具有相似的空氣動(dòng)力學(xué)特征。因此,模型中的粉塵,以氣態(tài)流處理,選用單相流動(dòng)/離散相,它并不與連續(xù)相發(fā)生相互作用,不影響氣體流動(dòng)規(guī)律。煤塵在連續(xù)相中的軌跡跟蹤采用顆粒隨機(jī)軌道模型。模型采用約80萬(wàn)個(gè)三角形和四邊形混合網(wǎng)格單元,并對(duì)模型關(guān)鍵部分如刨煤機(jī)附近進(jìn)行了網(wǎng)格單元細(xì)化。模型中進(jìn)風(fēng)巷道的邊界條件選擇為風(fēng)速邊界,工作面煤壁、巷道壁等以標(biāo)準(zhǔn)墻處理,見(jiàn)圖2(b)。

圖2 W2-713刨煤機(jī)工作面CFD模型幾何特征

3 工作面風(fēng)流速度與產(chǎn)塵研究

3.1 風(fēng)流速度分布特征

圖3為工作面和工作面運(yùn)輸巷道在距底板分別為0.5 m、1.0 m和1.5 m高度時(shí)風(fēng)流速度分布特征。在工作面運(yùn)輸巷道風(fēng)流速度是比較均勻的,進(jìn)入工作面后,由于支架的阻力,大部分風(fēng)流沿工作面在支架立柱前和頂梁之間流動(dòng),在1.0 m高度左右風(fēng)速最大,最高風(fēng)速可達(dá)3 m/s以上,支架間和靠近頂板、頂梁風(fēng)速降低。

圖3 工作面和工作面運(yùn)輸巷道風(fēng)流速度分布特征

為了研究工作面的風(fēng)流速度分布,分別在刨煤機(jī)的左側(cè)、右側(cè)和刨煤機(jī)處作3個(gè)不同剖面。分析結(jié)果表明,高速風(fēng)流區(qū)主要分布在支架立柱和煤壁之間;刨煤機(jī)后附近有明顯的低速區(qū),有可能造成瓦斯和粉塵積聚。

3.2 工作面產(chǎn)塵分布特征

工作面產(chǎn)塵分布特征是工作面生產(chǎn)時(shí)各個(gè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)綜合作用的結(jié)果。通過(guò)研究刨煤機(jī)、液壓支架、工作面轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、工作面運(yùn)輸巷道帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)和煤壁落煤產(chǎn)塵特點(diǎn)及粉塵分布特征,得出影響工作面環(huán)境的主要原因、次要原因,便于更好地消除粉塵帶來(lái)的危害。

(1)模擬顯示,刨煤機(jī)產(chǎn)塵大部分隨工作面風(fēng)流沿煤壁一側(cè)飄散,不會(huì)對(duì)工作面環(huán)境造成太大危害,只有一部分會(huì)漂移到工作面支架附近。但是,在刨煤機(jī)下風(fēng)區(qū)域,煤塵濃度大,工作面環(huán)境比較差。

(2)刨煤機(jī)刨煤是工作面產(chǎn)塵的主要來(lái)源,但是,處在進(jìn)風(fēng)流中的工作面轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和工作面運(yùn)輸巷道產(chǎn)塵也對(duì)工作面環(huán)境造成一定影響。模擬結(jié)果表明,工作面轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和帶式輸送機(jī)產(chǎn)塵大部分會(huì)飄散到整個(gè)工作面,對(duì)工作面環(huán)境造成危害,部分粉塵會(huì)浮沉在支架等工作面設(shè)備上,容易形成二次起塵污染。

(3)工作面移架時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大煤塵。研究結(jié)果表明,支架移動(dòng)時(shí)產(chǎn)塵大部分會(huì)隨風(fēng)流彌漫整個(gè)工作面,尤其是端頭支架移動(dòng)時(shí),是污染工作面環(huán)境的主要原因。

(4)刮板輸送機(jī)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)塵大部分會(huì)隨風(fēng)流沿其上方及煤壁一側(cè)彌漫工作面,會(huì)對(duì)工作面環(huán)境造成一定危害。

4 刨煤機(jī)工作面定向噴霧防塵技術(shù)

為分析噴霧除塵技術(shù)的效果,建立了CFD模型,如圖4所示。模型中“噴霧”裝置為高壓霧化水霧,水量很少,以氣流代替。模型中沒(méi)有模擬水霧捕獲呼吸性粉塵的復(fù)雜過(guò)程,主要是模擬其宏觀過(guò)程,在捕塵降塵的基礎(chǔ)上,能改變局部風(fēng)流場(chǎng)方向,使粉塵向煤壁漂移,達(dá)到整體降塵的目的。

模型中設(shè)置了7個(gè)噴霧頭,其噴霧方向與沿工作面走向呈45°,其目的是除捕獲粉塵之外,可以將工作面局部風(fēng)流引向工作面煤壁方向,使粉塵向煤壁漂移。

圖4 CFD模擬定向噴霧除塵的幾何特征

模擬結(jié)果表明,定向噴霧系統(tǒng)改變了局部風(fēng)流的流場(chǎng)方向,加強(qiáng)了風(fēng)流向煤壁漂移的傾向性。

5 結(jié)論

(1)高速風(fēng)流區(qū)主要分布在支架立柱和煤壁之間;刨煤機(jī)后附近有明顯的低速風(fēng)流區(qū),有可能造成瓦斯和粉塵積聚。

(2)得出影響工作面環(huán)境的產(chǎn)塵來(lái)源主要是支架移動(dòng),尤其是端頭支架移動(dòng),其次是工作面轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)及工作面運(yùn)輸巷道帶式輸送機(jī)。

(3)定向噴霧系統(tǒng)可以改變局部風(fēng)流場(chǎng)方向,使粉塵向煤壁漂移,遠(yuǎn)離工作面和工人工作區(qū)域;同時(shí)消除了工作面刨煤機(jī)附近高濃度瓦斯積聚,是值得推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

[1]黃銳,邱亮亮,劉寧寧.我國(guó)薄煤層開(kāi)采及刨煤機(jī)采煤技術(shù)的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2009(5)

[2]王平彥,梁振寧.薄煤層自動(dòng)化刨煤機(jī)的配套與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電,2010(1)

[3]陳宇,馮小軍,魏穎.淺談煤礦粉塵綜合治理技術(shù)[J].煤礦現(xiàn)代化,2010(1)

[4]楊勝?gòu)?qiáng).粉塵防治理論與技術(shù)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2007

[5]Edwards J S,Ren T X,Jozefowicz R.Using computational fluid dynamics(CFD)to solvemine safety and health problems[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,1996(5)

[6]Ren T X,Edwards J S.Three-dimensional computational fluid dynamicsmodelling ofmethane flow through permeablestrata around a longwall face[J].Mining Technology:IMM Transactions section A,2000(1)

[7]Ren T X,Balusu R,Humphries P.Development of innovative goaf inertisation practices to improve coalmine safety[C].University of Wollongong,Coal operators’conference,2005

[8]Ren T X,Balusu R.Innovative CDF modelling ling to improve dust control in longwall[C].University of Wollongong,Coal operators’conference,2008

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Coal dust distribution and control in thin seam longwall face

Zhang Dongsheng1,2,Qiu Jiaxuan1,2,Fan Gangwei1,2,Ren Tianxiang3,Liu Shichun2
(1.State Key Library of Coal Resource and Safety Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China;2.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;3.School of Civil,Mining&Environmental Engineering,University of Wollongong,Wollongong,NSW 2522,Australia)

Face W2-713 in Xiaoqing Coal Mine was selected as a testing site and CFD(Computational Fluid Dynamics)numerical simulation taken as a methodology.Based on the analysis on the distribution features of air current velo,the locations of high-speed air current region and low-speed air current region were determined.The coal dust distribution features at different dust sources such as plow,loader,support moving and crusher were determined and its effect on underground working environment was analyzed.Through the simulation on directed spraying system in thin seam plow longwall face,the facts were proven that directed spraying system can not only improve the effect of dust suppression,but also avoid the accumulation of high concentration methane,which can provide a safe working environment on basic of high coal production in thin coal seam.

thin coal seam longwall facemining,plow,CFD numerical simulation,coal dust distribution feature

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)中國(guó)高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2010ZDP02B02);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題(SKLCRSM08X2);國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(50904063、51004101);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)青年科研基金項(xiàng)目(2008A003、2009A001)。

張東升(1967-),男,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,主要從事采動(dòng)巖體控制及礦山開(kāi)采等方面的研究。

TD823.251

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