全巖綜掘工作面抽出式通風除塵系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

楊俊磊

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

0 引 言

長期以來，我國煤礦巖巷掘進主要采用鉆爆法[1-2]，隨著大功率綜掘機的應(yīng)用，越來越多礦井推廣使用綜掘機進行掘進[3]。由于截割過程截齒與巖石的相互作用[4-5]，造成作業(yè)時粉塵濃度嚴重超標，而且呼吸性粉塵占比高，嚴重危害工人的職業(yè)健康安全。據(jù)統(tǒng)計，煤礦塵肺病患者中巖巷作業(yè)人員的占比高達85%以上[6]。為此，常采用噴霧降塵、泡沫除塵、除塵器除塵、通風除塵等技術(shù)措施解決粉塵污染問題[7]。抽出式通風新鮮風流沿巷道進入工作面，污風通過風筒排出，除塵效果極好[8]，但由于粉塵在風筒內(nèi)沉積，易造成瓦斯集聚及含瓦斯污風通過局部通風機等因素影響導(dǎo)致在長距離煤巷掘進中應(yīng)用較少，而在短距離以排除粉塵為主的巖巷掘進中可克服其上述不利影響[9]。

目前，關(guān)于抽出式通風在大斷面全巖綜掘工作面的應(yīng)用及研究未見報道，對不同通風參數(shù)下粉塵的運移規(guī)律認識不清。因此，筆者以紅柳林煤礦3-1煤輔運巷全巖段為研究對象，通過采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，對影響抽出式通風除塵效果的通風參數(shù)進行分析，得出最佳的系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，為類似條件的工作面抽出式通風除塵系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 工作面概況

北二盤區(qū)3-1煤輔運巷巖巷段全長630.2 m，斷面寬5.8 m、高4.6 m。采用1臺EBZ-230型綜掘機掘進，1臺30礦用防爆裝載機配合5臺礦用防爆無軌膠輪車進行巖石轉(zhuǎn)載運輸。工作面采用兩班生產(chǎn)，日進尺4.0 m。工作面計算配風量300 m3/min。

據(jù)實測，采用壓入式通風，工作面正常生產(chǎn)未采取措施時，司機位置的總粉塵質(zhì)量濃度高達1 000 mg/m3以上，呼吸性粉塵質(zhì)量濃度高達500 mg/m3以上，遠超《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)要求。因該巖巷段通風距離較短，且臨近總回風巷，為達到理想的除塵效果，改用抽出式通風。

通過現(xiàn)場調(diào)研及查閱相關(guān)文獻，風量、風筒直徑、進風口與掘進工作面距離3個通風參數(shù)是影響抽出式通風除塵效果的主要因素[8]。但是對這3個參數(shù)與除塵效果的關(guān)系掌握不清，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計困難。因此，針對上述問題，首先建立工作面的物理模型，采用數(shù)值模擬的方法對比分析，確定合理的系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，并進行現(xiàn)場應(yīng)用，驗證設(shè)計參數(shù)的合理性。

2 數(shù)值模擬

2.1 求解過程

首先，采用SIMPLE算法計算風流的流場速度等參數(shù)，然后創(chuàng)建離散相噴射源，確定其位置、顆粒粒徑等參數(shù)，采用離散相模型計算粉塵在風流場中的運動[10-14]。

2.2 物理模型的建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)現(xiàn)場布置，選取掘進工作面30.0 m范圍，簡化后，建立該工作面等比例物理模型。模型中掘進機長、寬、高分別為10.4、3.2、1.7 m；司機位于綜掘機左側(cè)，距掘進工作面7.2 m；選取掘進機炮頭處為塵源點；設(shè)置風筒中心高度為3.8 m，離右側(cè)巷道壁面0.5 m，模型尺寸為30.0 m×5.8 m×4.6 m，如圖1所示。

圖1 工作面簡化物理模型Fig. 1 Simplified physical model of working face

2.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)綜掘工作面具體情況及實測數(shù)據(jù)，結(jié)合FLUENT的計算方法和數(shù)學模型確定數(shù)值模擬的各參數(shù)及邊界條件如下：湍流模型設(shè)置為標準k-ε雙方程模型，開啟DPM模型，關(guān)閉能量方程；風筒進風口圓面設(shè)置為速度進口，巷道后端壁面設(shè)置為自由流動，巷道四周壁面及掘進機、風筒等壁面均為無滑移固體邊界條件。粉塵粒徑分布服從Rosin-rammler分布規(guī)律。粉塵源主要參數(shù)如表1所示。

表1 粉塵源的主要參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 風量對系統(tǒng)除塵效果的影響

工作面計算配風量300 m3/min。為了研究風量對除塵效果的影響，設(shè)置風量分別為300、350、400、500 m3/min，風筒直徑為800 mm，風筒進風口與掘進工作面距離為2 m。所得到的不同風量下粉塵場分布如圖2所示，其中，ρ為粉塵質(zhì)量濃度。

圖2 不同風量下工作面粉塵場分布Fig. 2 Dust flow field distribution on working face at different air volumes

由圖2可知，不同風量下，工作面粉塵運移及分布規(guī)律基本一致。由于掘進工作面進風口前方區(qū)域風流方向基本指向風筒進風口，截割頭產(chǎn)生的高濃度粉塵隨工作面風流運移，因此，產(chǎn)生的粉塵沒有向司機側(cè)擴散，總體上向風筒進風口運移；同時，由于自身重力及掘進工作面區(qū)域巷道下部局部渦流作用，粉塵在掘進機右側(cè)至掘進工作面區(qū)域底板附近聚集，此部分粉塵質(zhì)量濃度高達1 000 mg/m3以上。粉塵沿底板擴散最遠，最大擴散距離約3.4 m，不同風量下此距離基本保持不變。因此，工作面配風量已經(jīng)滿足現(xiàn)場除塵的需要，抽風量的增加，除塵效果并未出現(xiàn)明顯變化，反而通風經(jīng)濟性變差。因此，將工作面計算配風量作為抽出式通風的抽風量。

3.2 風筒直徑對系統(tǒng)除塵效果的影響

為了研究風筒直徑對除塵效果的影響，分別設(shè)置風筒直徑為600、800、1 000、1 200 mm，風量為300 m3/min，風筒進風口與掘進工作面距離為2.0 m，得到不同風筒直徑下粉塵場分布如圖3所示。

圖3 不同風筒直徑下工作面粉塵場分布 Fig. 3 Dust flow field distribution on working face under different duct diameters

從圖3可以看出，不同直徑抽風風筒的控塵效果差別不大。1 200、1 000 mm直徑的風筒控塵效果略好于600、800 mm。負壓抽塵效果與工作面風速密切相關(guān)，因此，對掘進工作面0～3.0 m范圍內(nèi)l分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m巷道斷面的平均風速[15]及風速均勻性系數(shù)[15]進行了計算，如圖4所示。

圖4 不同風筒直徑下各斷面平均風速及風速分布均勻性系數(shù)Fig. 4 Average wind speed and wind speed distribution uniformity coefficient of each section within different duct diameters

由圖4可知，不同直徑下，掘進工作面0～3.0 m范圍內(nèi)各斷面平均風速及風速均勻性差別不大；隨風筒直徑的增大，各斷面風流分布均勻性越好，風筒吸風口前各斷面的風速有所增加，有利于減少掘進工作面風速小于0.15 m/s的區(qū)域；風筒直徑越小，吸風口所在斷面的平均風速越高。同時，通過模擬發(fā)現(xiàn)，高濃度粉塵經(jīng)過長距離的運移后，大顆粒的粉塵會在風筒內(nèi)不斷沉積，造成風筒的有效斷面減小，風阻增大。因此，綜合考慮控塵效果、粉塵在風筒內(nèi)沉積以及安裝便利性等因素，風筒直徑建議選擇1 000 mm。

3.3 進風口與工作面距離對系統(tǒng)除塵效果的影響

抽出式通風為負壓通風，可認為風流的有效作用范圍為有效吸程區(qū)外邊界流線最遠點與風筒口斷面的距離。在有效吸程以外的區(qū)域，風流速度低，粉塵排出困難。按照工程經(jīng)驗，風筒進風口與掘進工作面的距離可按下式計算，即

(1)

式中：L——風筒進風口與掘進工作面的距離；

S——巷道斷面面積。

3-1煤輔運巷斷面面積為26.68 m2，則風筒進風口與掘進工作面的距離應(yīng)控制在7.74 m以內(nèi)。

為了研究進風口與工作面距離對除塵效果的影響，設(shè)置進風口與工作面距離L分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、6.0、8.0 m，風量為300 m3/min，風筒直徑為1 000 mm，得到進風口與工作面不同距離下粉塵場分布如圖5所示。

圖5 不同進風口與工作面距離下工作面粉塵場分布Fig. 5 Dust flow field distribution on working face with different distance between air ducts and working face

由圖5可以看出，隨著風筒進風口與掘進工作面距離的增加，高濃度粉塵逐漸向巷道進風口方向擴散，L在0.5～1.5 m范圍時，產(chǎn)生的粉塵迅速被吸入風筒進風口；L在2.0～4.0 m范圍時，由于風筒進風口的負壓作用起主導(dǎo)作用，風流主要指向風筒進風口，高濃度粉塵在風流作用下，主要分布在掘進機右側(cè)，總體上呈現(xiàn)出以風筒進風口為頂點、以底板為邊的“三角形”分布，高濃度粉塵在底板附近擴散最遠，當L分別為2.0、2.5、3.0、4.0 m時，最遠擴散距離分別為6.5、6.8、7.0、7.2 m，此部分粉塵質(zhì)量濃度高達1 000 mg/m3以上。當L為5.0、6.0、8.0 m時，高濃度粉塵擴散到司機側(cè)。L=5.0 m時，掘進機左側(cè)高濃度粉塵最遠擴散距離7.8 m，司機呼吸帶高濃度粉塵擴散距離達到5.3 m，司機對側(cè)粉塵已經(jīng)擴散到7.5 m。巖塵在司機前方呈煙狀懸浮，嚴重影響司機的視線，此種情況下，司機不得不停機，等待粉塵被風筒抽吸干凈，視野清晰后才能繼續(xù)掘進，因此，導(dǎo)致掘進效率大大降低。當L分別為6.0、8.0 m時，司機呼吸帶高濃度粉塵擴散距離分別達到6.8、8.7 m，L=8.0 m時，司機位置的粉塵質(zhì)量濃度為1 025.2 mg/m3，遠超國家相關(guān)標準2 050余倍。

高濃度粉塵對司機的視線影響嚴重，容易造成工人誤操作，巷道成形差，因此，考慮風筒控塵效果及高濃度粉塵對司機視線的影響，風筒進風口與工作面距離應(yīng)控制在4.0 m以內(nèi)。

4 抽出式通風除塵系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)工作面配風量及最大通風距離，設(shè)計采用FBCD№6.3/2×22型抽出式風機，直徑為1 000 mm的抗靜電、阻燃負壓伸縮風筒，風筒沿巷道右側(cè)巷頂布置，離右側(cè)、巷頂壁面均為0.5 m。由于風機安裝地點臨近總回風巷，將風機污風通過風筒導(dǎo)入總回風巷，同時，在風機排風口下風側(cè)集中設(shè)置多道噴霧，對粉塵進行凈化處理。

5 現(xiàn)場測試及應(yīng)用效果

依據(jù)GBZ/T 192.1—2007《工作場所空氣中粉塵測定 第1部分：總粉塵濃度》、GBZ/T 192.2—2007《工作場所空氣中粉塵測定 第2部分：呼吸性粉塵濃度》，在正常生產(chǎn)的情況下，對壓入式通風及改造后抽出式通風(風筒進風口距工作面約4.0 m)，在綜掘機司機處、機組回風側(cè)5.0 m，對粉塵濃度進行多次測定，取平均值，結(jié)果如表2所示。

表2 不同通風方法下的粉塵質(zhì)量濃度

對進風口與工作面距離為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 m時，司機位置粉塵濃度進行了現(xiàn)場測試，結(jié)果如圖6所示，現(xiàn)場除塵效果如圖7所示。

圖6 不同進風口與工作面距離下司機位置粉塵濃度Fig. 6 Dust concentration at driver’s position with different distances between air inlet and working face

圖7 現(xiàn)場效果Fig. 7 Field rendering

由圖6可知，進風口與工作面距離與粉塵質(zhì)量濃度的變化趨勢與數(shù)值模擬基本一致。隨著進風口與工作面距離的增加，司機位置粉塵濃度不斷升高；進風口與工作面距離大于4.0 m，粉塵質(zhì)量濃度出現(xiàn)激增。L=5.0 m時，司機位置總粉塵和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別達到33.7、14.4 mg/m3，已經(jīng)超過《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)要求的67倍和72倍。

6 結(jié) 論

(1)工作面計算配風量已經(jīng)滿足現(xiàn)場除塵的需要，增加配風量，除塵效果提升不明顯，反而通風經(jīng)濟性變差。風筒直徑對系統(tǒng)除塵效果的影響不明顯，考慮風筒積塵、安裝便利性等，應(yīng)選擇直徑1 000 mm的風筒。

(2)進風口與工作面的距離是影響抽出式通風除塵效果的主要影響因素。為了達到較好的除塵效果，減少高濃度粉塵對司機視線的影響，進風口與工作面的距離應(yīng)控制在4.0 m以內(nèi)。

(3)采用抽出式通風方法，進風口距工作面4.0 m時，綜掘機司機處和機組回風側(cè)5.0 m處，總粉塵降塵效率分別達到98.7%、99.7%，呼吸性粉塵降塵效率分別達到98.5%、99.7%，顯著改善了工作面的生產(chǎn)環(huán)境，保證了工人的職業(yè)健康安全。