綜掘巷道粉塵運(yùn)移規(guī)律及降塵系統(tǒng)應(yīng)用淺析

邵國(guó)衛(wèi)

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 野川煤業(yè)有限公司， 山西 高平 048400)

1 工程概況

野川煤業(yè)公司設(shè)計(jì)產(chǎn)量90萬t/年，為高瓦斯礦井，現(xiàn)開采平均厚度5.36 m的3#煤層，煤塵無爆炸性。3#煤層頂板從下向上為中粒砂巖和粉砂巖，底板為泥巖。目前進(jìn)行井田西南部3202膠帶順槽的掘進(jìn)作業(yè)，采用壓入式通風(fēng)。3202膠帶順槽掘進(jìn)面為矩形斷面，掘進(jìn)寬、高分別為5.8 m、3.1 m；凈斷面17.98 m2，支護(hù)方式為錨網(wǎng)索結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)方式?，F(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)時(shí)，距掘進(jìn)迎頭5 m范圍內(nèi)粉塵濃度較高，影響掘進(jìn)效率，急需采取措施。

2 3202掘進(jìn)巷道粉塵運(yùn)移規(guī)律研究

2.1 模型建立

根據(jù)野川煤業(yè)3202膠帶順槽掘進(jìn)工作面圍巖力學(xué)參數(shù)，同時(shí)借鑒類似模擬掘進(jìn)巷道粉塵運(yùn)移規(guī)律的建模經(jīng)驗(yàn)[1-2]，將工程中復(fù)雜的實(shí)際情況進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。假設(shè)粉塵顆粒為連續(xù)介質(zhì)，視其為“微觀上充分大，宏觀上充分小”的體積單元并且均勻地、連續(xù)地充滿著空間；假設(shè)粉塵為球形顆粒且無相互作用；假設(shè)掘進(jìn)速度恒定、迎頭產(chǎn)塵量穩(wěn)定且巷道內(nèi)氣流為定常流動(dòng)。根據(jù)巷道實(shí)際情況使用ANSYS軟件建立長(zhǎng)50 m，寬5.8 m，高3.1 m的拱形巷道幾何模型；模型中d0.8 m的壓入式風(fēng)筒懸掛在煤壁一側(cè)，距掘進(jìn)迎頭5 m，距底板2.6 m；綜掘機(jī)按各部分尺寸適當(dāng)取值。最終劃分890 000個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代計(jì)算得出模擬結(jié)果，網(wǎng)格劃分后3202膠帶順槽掘進(jìn)巷道模型見圖1.

2.2 模擬結(jié)果分析

為了研究3202巷道內(nèi)的風(fēng)流規(guī)律，需對(duì)巷道內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見圖2a)；對(duì)掘進(jìn)巷道內(nèi)的風(fēng)流運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究后將粉塵參數(shù)加入到模型中進(jìn)行模擬，分析粉塵運(yùn)移規(guī)律，3202巷道內(nèi)粉塵運(yùn)移模擬圖見圖2b). 為了更精確地分析巷道內(nèi)不同水平及垂直斷面上的粉塵濃度變化規(guī)律，截取x=0.5 m、x=2.0 m、x=3.5 m及y=1 m、y=2 m、y=3 m時(shí)的粉塵濃度沿程變化圖，其中x為巷道寬度方向，風(fēng)筒巷道壁面一側(cè)為x=0 m；y為巷道高度方向，底板處為y=0 m，模擬結(jié)果見圖3.

圖3 不同水平及垂直斷面上粉塵濃度沿程變化圖

由圖2a)可知，掘進(jìn)巷道壓入式通風(fēng)是受限附壁射流通風(fēng)，由于空間受到限制，壓風(fēng)筒筒口形成的風(fēng)流體達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)便會(huì)紊亂，向四周逸散，并且風(fēng)流沖擊掘進(jìn)壁面后發(fā)生回轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由圖2b)可知，掘進(jìn)迎頭5 m范圍內(nèi)產(chǎn)生的粉塵在回轉(zhuǎn)風(fēng)流的引導(dǎo)下，發(fā)生積聚現(xiàn)象。

由圖3可知，掘進(jìn)迎頭距產(chǎn)塵源5 m范圍內(nèi)粉塵濃度大，超過了300 mg/m3，并且與掘進(jìn)迎頭的距離越小粉塵濃度越高。風(fēng)流從壓入式風(fēng)筒出口處流出后直接作用于工作面，使得工作面產(chǎn)生的粉塵會(huì)向著風(fēng)筒另一側(cè)巷道壁偏移，懸掛風(fēng)筒一側(cè)的粉塵濃度相較于另一側(cè)明顯偏低；在距離掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵源一段距離后，由于風(fēng)流場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速減小及降塵系統(tǒng)的影響，粉塵濃度變小并趨于穩(wěn)定；風(fēng)流場(chǎng)發(fā)展到一定程度后，風(fēng)流會(huì)由于巷道底板的反射作用而使已經(jīng)沉積下來的粉塵再次被風(fēng)流帶入空氣中，使得巷道內(nèi)粉塵濃度會(huì)在某些區(qū)域內(nèi)再一次增大。由圖3b)中斷面y=1 m和y=2 m的粉塵濃度截圖可知，在作業(yè)呼吸帶高度上綜掘機(jī)至掘進(jìn)迎頭范圍內(nèi)的粉塵濃度同樣高達(dá)200 mg/m3.

綜上，在壓入式通風(fēng)方式下，距離掘進(jìn)迎頭5 m內(nèi)粉塵濃度很高，并且巷道后方粉塵排出速度較慢，巷道受粉塵污染時(shí)間較長(zhǎng)，所以必須在塵源處及巷道內(nèi)采取有效的防治粉塵的措施。

3 綜合噴霧降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

目前，3202掘進(jìn)巷道主要依靠綜掘機(jī)截割頭的噴霧系統(tǒng)進(jìn)行降塵作業(yè)，截割頭噴霧系統(tǒng)中的噴嘴為普通噴嘴，霧化效果較差，并且水壓較小，過濾能力較差，容易導(dǎo)致噴嘴堵塞。因此，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)掘進(jìn)迎頭產(chǎn)塵源的高壓噴霧降塵系統(tǒng)及皮帶噴霧降塵系統(tǒng)[3].

3.1 綜掘機(jī)高壓噴霧降塵系統(tǒng)

在掘進(jìn)機(jī)上安裝油壓-水壓轉(zhuǎn)換裝置，長(zhǎng)750 mm，寬580 mm，高350 mm，重約40 kg. 該裝置通過吸取掘進(jìn)機(jī)上的液壓油，通過壓力流量控制閥驅(qū)動(dòng)液壓水泵，獲得高壓水，并且該裝置內(nèi)安裝有2級(jí)精密水質(zhì)過濾器，提升對(duì)礦井水的過濾能力，避免發(fā)生噴嘴堵塞現(xiàn)象[4]. 在綜掘機(jī)上應(yīng)用的油壓-水壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)見圖4.

該裝置中液壓油在液壓泵內(nèi)循環(huán)，即使在停水狀態(tài)下液壓泵仍可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并且液壓水泵本身具有冷卻功能，所以在裝置運(yùn)行時(shí)液壓油的溫度不會(huì)上升。與傳統(tǒng)通過增壓裝置使用大體積水箱獲取高壓水噴霧的方式比較，油壓-水壓轉(zhuǎn)換裝置體積小、重量輕并且不會(huì)影響綜掘機(jī)截割作業(yè)；可以調(diào)節(jié)水的壓力和流量改變噴霧范圍，避免水霧遮擋視線。為了使截割頭上的噴嘴所形成的噴霧能形成更好的霧流，提升除塵效率，選用霧粒較細(xì)，降塵效果高的螺旋牙水芯噴嘴代替原先截割頭上的普通噴嘴。螺旋牙水芯具有所產(chǎn)生噴霧霧粒細(xì)，霧粒荷電且均勻，霧化質(zhì)量高的特點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)清除噴嘴處沉積的雜質(zhì)提升降塵效果，且拆卸方便。

圖4 油壓-水壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在綜掘機(jī)上的應(yīng)用示意圖

油壓-水壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和螺旋牙水芯式噴嘴的配套使用，使得高壓噴嘴中壓力水通過時(shí)，由于高壓及旋轉(zhuǎn)作用，形成運(yùn)動(dòng)速度高、密度大并且具有荷電性的噴霧，形成的噴霧與粉塵充分接觸、碰撞，產(chǎn)生的靜電凝聚效果會(huì)加速粉塵的濕潤(rùn)和相互凝結(jié)，提高了粉塵的沉降效率。

3.2 皮帶噴霧降塵系統(tǒng)

原3202掘進(jìn)巷道內(nèi)降塵措施不完善，導(dǎo)致掘進(jìn)迎頭后方很長(zhǎng)一段距離巷道內(nèi)粉塵濃度均較高。綜掘機(jī)割煤作業(yè)后，破碎的煤塊通過轉(zhuǎn)載機(jī)經(jīng)過皮帶運(yùn)煤時(shí)，煤塊跌落至皮帶上會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，現(xiàn)通過在皮帶上方應(yīng)用皮帶噴霧降塵系統(tǒng)降低巷道內(nèi)的粉塵濃度，皮帶噴霧降塵系統(tǒng)示意圖見圖5. 該系統(tǒng)在皮帶上方60 cm處設(shè)置噴霧水管，為節(jié)省用水量，每隔5 m設(shè)置橫向水管，橫向水管上安裝4個(gè)噴頭，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析，每個(gè)噴嘴在皮帶連續(xù)運(yùn)行10 min時(shí)的用水量約為50 L. 該裝置具有自動(dòng)控制噴霧大小的特點(diǎn)，噴霧水管通過液壓槍與礦井供水管網(wǎng)相連，皮帶上方設(shè)置一擋板與液壓槍開關(guān)相連，皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)煤巖通過擋板時(shí)會(huì)抬起擋板，觸發(fā)液壓槍開關(guān)開啟噴霧系統(tǒng)，皮帶上煤巖量越多，擋板抬起的高度越高，則液壓槍開關(guān)開啟量越大噴霧量隨之增大。將廢舊液壓槍改造成自動(dòng)開關(guān)，不僅操作簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈敏耐用，并且還節(jié)約水量。

圖5 皮帶噴霧降塵系統(tǒng)示意圖

3.3 應(yīng)用效果分析

綜合噴霧降塵系統(tǒng)應(yīng)用前后，在綜掘機(jī)司機(jī)位置處、刮板轉(zhuǎn)載點(diǎn)和掘進(jìn)迎頭后方運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)3個(gè)位置測(cè)量6次全塵濃度和6次呼塵濃度進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1.

由表1可發(fā)現(xiàn)：在3202巷道未應(yīng)用設(shè)計(jì)綜合噴霧降塵系統(tǒng)前，降塵系統(tǒng)下綜掘機(jī)司機(jī)處的呼塵濃度高達(dá)200 mg/m3，掘進(jìn)迎頭后方刮板轉(zhuǎn)載點(diǎn)和運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)的全塵濃度高達(dá)約340 mg/m3；在應(yīng)用設(shè)計(jì)綜合噴霧降塵系統(tǒng)后，綜掘機(jī)司機(jī)處的全塵濃度降至69.5 mg/m3，呼塵濃度降至38.5 mg/m3，降塵率高達(dá)80%. 應(yīng)用所設(shè)計(jì)降塵系統(tǒng)后掘進(jìn)作業(yè)工人的作業(yè)環(huán)境明顯改善，并且掘進(jìn)迎頭后方刮板轉(zhuǎn)載點(diǎn)和運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)的全塵濃度降至約72 mg/m3，除塵效果顯著。

表1 應(yīng)用降塵系統(tǒng)前后各測(cè)點(diǎn)全塵與呼塵濃度測(cè)量結(jié)果表

4 結(jié) 論

通過ANYSY軟件建立3202膠帶順槽掘進(jìn)巷道模型研究該巷道內(nèi)風(fēng)流及粉塵的運(yùn)移規(guī)律，模擬結(jié)果顯示距離掘進(jìn)迎頭5 m范圍內(nèi)粉塵濃度高達(dá)300 mg/m3，在壓入式通風(fēng)方式下，含塵污風(fēng)沿巷道稀釋排出緩慢，導(dǎo)致掘進(jìn)巷道受污染時(shí)間長(zhǎng)。在應(yīng)用所設(shè)計(jì)的掘進(jìn)迎頭高壓噴霧降塵系統(tǒng)和皮帶噴霧降塵系統(tǒng)后綜掘機(jī)司機(jī)處的呼塵濃度控制在38.5 mg/m3，降塵率高達(dá)80%，并且巷道內(nèi)刮板轉(zhuǎn)載點(diǎn)和運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)的降塵率同樣高達(dá)80%，除塵效果顯著，可以滿足生產(chǎn)要求。