綜掘工作面通風除塵技術研究

韋山

（西山煤電集團有限責任公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053）

0 引 言

巷道煤塵不僅影響到安全生產，對于工作人員的生命安全以及設備的運行都有重大影響，為此，不少學者進行了相關研究，研究表明，礦井多采用混合式通風進行煤塵的治理[1-2]。因為計算機水平較低，導致礦井只能通過不斷的調試參數(shù)進行試驗，這種處理方法耗時長、處理方法單一，不適宜長時間處理礦井粉塵問題[3]。隨著機械化的不斷發(fā)展，通過數(shù)值模擬軟件對礦井粉塵進行模擬研究，減少了傳統(tǒng)參數(shù)試驗耗時長的問題，且準確率得到提高。本文將數(shù)值模擬與傳統(tǒng)參數(shù)試驗方法結合，對綜掘工作面粉塵分布規(guī)律進行了研究，準確判斷了壓風筒和抽風筒的位置，該方法簡單、靈活、高效，為綜掘工作面通風除塵提供了重要依據(jù)。

1 礦井概況及通風除塵運行現(xiàn)狀

鎮(zhèn)城底礦位于山西省古交市西北處，井田面積約16.63 km2，礦井西北走向6.6 km，南北走向平均寬度約為3.6 km，礦年設計生產能力為190 萬t。28605 工作面位于該礦南五盤區(qū)，主要開采山西組8 號煤層。綜采工作面通風是保證安全生產的重要方法，也對工作人員的生命安全起著重要作用。通過通風可以有效降低巷道內有毒有害氣體的含量，為工作人員提供安全的生產環(huán)境。

在該工作面回采結束后，掘進的巷道起到運輸設備、存放運輸物資以及車輛的重要作用，承擔運輸巷道的作用。礦井掘進巷道布置在6 號煤層中，煤層平均厚度為3.5 m，結構簡單，底板主要有泥巖和砂巖構成，頂板以砂巖為主。目前掘進巷道的位置為168°35′，巷道頂部沿著泥巖底板進行掘進布置，底板需留設煤，根據(jù)計算，巷道共需掘進800 m，巷道斷面積為20 m2，長為5 m，高為4 m，采用EBZ-200 綜掘機進行掘進，掘進機從底部開始作業(yè)，逐漸向中部靠近，頂部位置完工后需要人工進行修頂。

22605 工作面在掘進期間為了減少煤塵量，掘進機切割頭位置需及時進行噴霧減少煤塵量，截割的煤通過掘進機傳送至刮板輸送機上，隨后經轉載機運送至運輸巷道中最后到運輸皮帶中，在煤炭轉載的過程中，各轉載點也需進行噴霧降塵工作。目前，采用的是壓入式通風為巷道掘進提供新鮮風流，根據(jù)實際通風情況，工作面所需的風流量約為125 m3/min，通風距離為1 200 m，為了滿足通風需求，選擇通風機的型號為FBDNo6.3/2×22，功率為2×22 kW，通風量范圍為90 ～270 m3/min，通風全風壓為800 ～3 000 Pa。

為了準確測量掘進過程中煤塵的濃度，采用濾膜法對22605 掘進工作面的煤塵進行測定，利用電動機使得一定量的氣體在規(guī)定時間內通過濾膜，濾膜質量已知，通過通風前后濾膜的質量差便可得到煤塵的濃度。在巷道內布置10 個測點，得到不同測點下煤塵濃度的變化，測試時間為5 min，采樣的流量值為25 L/min，測試結果見表1。

表1 煤塵測試結果Table 1 Coal dust test results

從表1 可以看出，距離工作面較近的位置煤塵濃度最高，最高值為1 132 mg/m3，該值遠大于安全生產的需求，隨著與工作面距離的增加，煤塵濃度逐漸下降，因為風筒位于巷道邊幫位置，通過風筒進入巷道的風流極容易在工作面附近形成渦流，導致煤塵在渦流處聚集，因此煤塵濃度增大。

針對巷道掘進過程中煤塵濃度大的原因，擬決定采用混合式通風方法改善工作面附近煤塵大的現(xiàn)狀，長壓短抽的通風方式通風成本較低，且可以有效降低工作面附近煤塵的濃度，對于該通風方式下通風效果還需進一步的研究，進而確定準確的通風參數(shù)。

2 長壓短抽的通風煤塵分布規(guī)律研究

對于通風參數(shù)的確定，本文選擇用數(shù)值模擬和現(xiàn)場應用的方式共同確定，利用ANSYS 數(shù)值模擬軟件建立長為5 m，高為4 m 的巷道斷面，整個模型的長為50 m，通風機風筒距離巷道壁和頂板的距離均為0.2 m，風筒的直徑為0.8 m，模型建立后進行網格的劃分，得到圖1 所示的數(shù)值計算模型。

數(shù)值模型建立假設條件如下。

（1） 假定原始巷道無通風，然后在通風設備的作用下進行通風，且巷道內風流速度一直，氣體濃度值相同，氣體不受壓力影響，因此不會發(fā)生壓縮。

（2） 氣體的流動具有紊流粘性，各項同性的特點受壓強影響較低。

（3） 假定巷道內氣體溫度不變，氣體流動過程中產生的熱量可忽略不計。

（4） 風流經過風筒在巷道運行時，氣體的運行速度，運行壓力以及密度等都不會發(fā)生變化。

（5） 在混合通風方式下，巷道的風流為常流動。

邊界條件如下：壓風筒的風流速度為15 m/s，抽風筒的風流速度為-10 m/s，紊流強度為5%，水力直徑為0.6 m，出流為出口邊界。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

現(xiàn)場測試采用抽風筒、壓風筒以及流量計等設備進行應用。其中抽風筒采用直徑為800 mm 的柔性膠質風筒，抽風筒的風量值為450 m3/min，壓風筒的風量值為115 m3/min，按照每100 m 漏風量為2%計算，目前的通風量滿足安全生產的需求。通風機的型號選擇FBDNo6.3/2×22，功率為2×22 kW，通風量范圍為90 ～270 m3/min，通風全風壓為750 ～3 000 Pa。通過在抽風筒附近安裝除塵器防止工作面的煤塵排放到巷道內，對該通風方式下巷道內煤塵進行采樣，采樣時間為3 min，流量值為25 L/min，對采樣后的數(shù)據(jù)進行計算得到煤塵濃度數(shù)據(jù)，對比數(shù)值模擬和工程應用結果，得到壓風筒距離掘進面4 m 時不同測點的煤塵濃度（圖2）和抽風筒距離掘進工作面25 m 時不同測點的煤塵濃度（圖3）。

圖2 壓風筒距離掘進面4 m 時不同測點的煤塵濃度Fig.2 Coal dust concentrations at different measuring points when the air compressor 4 m away from the heading face

從圖2 中可以看出，壓風筒距離掘進面4 m時，模擬值和實驗值差別較小，在距離工作面約5 m 左右的位置粉塵濃度最大，隨著與工作面距離的增加，粉塵濃度逐漸降低，且在15 m 位置時，粉塵濃度得到明顯的改善，降為108 mg/m3，可見，壓風筒距離掘進面4 m 時壓風效果良好。

圖3 抽風筒距離掘進工作面25 m 時不同測點的煤塵濃度Fig.3 Coal dust concentrations at different measuring points when the air duct 25 m away from the heading face

從圖3 中可以看出，抽風筒距離22605 掘進工作面25 m 時，巷道內的煤塵濃度得到有效降低，在距離工作面較近的位置煤塵濃度依舊很高，在壓風機的作用下，煤塵濃度從859 降至99 mg/m3，降幅達到88.47%，且模擬結果和實際結果吻合度較高，證明了風筒布置的準確性，可以保證安全生產。

綜上所述，壓風筒距離掘進面4 m，抽風筒距離22605 掘進工作面25 m 時的長壓短抽通風方式可以有效降低巷道內煤塵的濃度，除塵效率達到88.47%，具有良好的應用效果。

3 結 論

（1） 通過對22605 綜掘工作面煤塵濃度的測量，得到工作面附近渦流導致煤塵在渦流出聚集，影響到安全生產的進行。

（2） 通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場應用，確定了長壓短抽通風方式下壓風筒距離掘進面4 m，抽風筒距離掘進工作面25 m 是最佳的通風距離，除塵效率達到88.47%，為安全生產提供保障。