綜掘工作面粉塵運移規律及控制技術研究

丁厚成，楊 帆，張義坤

(1.安徽工業大學建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243000；2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

綜掘工作面粉塵運移規律及控制技術研究

丁厚成1，楊 帆1，張義坤2

(1.安徽工業大學建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243000；2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

針對煤礦綜掘工作面現有粉塵治理措施存在的不足，在長壓短抽通風除塵方式中利用附壁風筒的旋流控塵作用將高濃度粉塵聚集在迎頭，同時結合新型氣水噴霧模塊進行綜合粉塵防治；以淮南煤礦區某綜掘工作面為原型，根據井下實際情況，利用Gambit建立掘進巷道的幾何模型，并利用Fluent軟件對不同條件下掘進巷道通風過程中粉塵分布情況進行數值模擬計算與分析，確定了綜掘工作面高濃度粉塵分布和運移規律；綜合以上情況，采用長壓短軸通風方式下新型氣水噴霧模塊附壁風筒配合自激式水浴水膜除塵器治理綜掘工作面粉塵，現場檢測顯示，在回風側全塵及呼吸性粉塵除塵效率均達到了89%以上。

煤礦綜掘工作面；粉塵運移；數值模擬；自激式水浴水膜除塵器；附壁風筒

煤礦粉塵是巖塵和煤塵的統稱，是煤礦的主要危險源之一，可引起塵肺病和煤塵爆炸。煤礦采掘機械化程度的提高和采掘強度的增大，導致井下作業地點產塵量急劇增大，嚴重威脅了煤礦的安全生產和礦工的身體健康。在含塵環境中工作的工人，長期吸入大量的粉塵，易患有塵肺病。同時，當具有爆炸危險的煤塵達到一定濃度，在引爆熱源的作用下，可以發生猛烈的爆炸，造成極為慘痛的后果，如果煤塵與瓦斯結合，一旦爆炸，損失將會更加慘重。

為了加強對煤礦粉塵的控制，保障煤礦井下作業人員的身心健康，目前主要采取“減、降、排、除”和個體防護等防塵措施，具體措施包括煤層注水、濕式作業、噴霧灑水、噴射泡沫、添加濕潤劑、通風除塵和除塵器等[1-8]。但實踐中發現現有防塵措施存在一些不足，主要表現為：井下內噴霧易被堵塞，維護困難，外噴霧霧化效果不理想；煤層注水操作工序較復雜；泡沫除塵成本較高；一些除塵器較為笨重，安裝使用不便。基于此，本文在淮南煤礦區某綜掘工作面，采用長壓短抽通風方式下新型氣水噴霧模塊、附壁風筒配合自激式水浴水膜除塵器(以下簡稱除塵器)進行了粉塵綜合治理的研究與實踐。

1 綜掘工作面粉塵濃度測定

1.1 綜掘工作面概況

淮南煤礦區某綜掘工作面設計長度為1 450 m，煤層傾角為0°～8°，平均為5°，巷道沿煤層頂板掘進。巷道為梯形斷面，設計尺寸為凈寬×凈高=4.0 m×2.6 m，采用錨索網支護。綜掘工作面絕對瓦斯涌出量為0.35～0.68 m3/min，采用壓入式通風，風筒直徑為600 mm，壓入風量為350 m3/min。

1.2 綜掘工作面粉塵濃度測點布置

根據粉塵濃度測定規程，結合現場實際，在巷道回風側人行道上呼吸帶高度布置采樣點，從掘進機司機處開始進行粉塵濃度檢測，測點布置見圖1。

1.3 綜掘工作面粉塵濃度測定及分析

采用AKFC-92A粉塵采樣儀進行采樣，采樣時間為2 min，流量為20 L/min，并對所采樣品進行粉塵濃度檢測，根據檢測數據繪制粉塵濃度分布曲線，如圖2所示。

由圖2可以看出：在綜掘工作面回風側距離司機處10 m范圍內粉塵濃度較高，無除塵措施時在司機處全塵濃度達到968 mg/m3，呼吸性粉塵濃度為772 mg/m3，分別超出國家標準96倍和219倍；由于壓入式風筒懸掛在巷道右幫處，高速噴出的風流造成巷道斷面風流紊亂，局部風速不均，掘進工作面前方存在許多不穩定的渦流，產生的粉塵被吹向了掘進機左下回風側，導致回風側成為高濃度粉塵聚集區；司機處以后大顆粒粉塵由于重力作用沉降，粉塵濃度快速下降，微小粉塵迅速擴散到全巷道并緩慢沉降。

2 粉塵運移規律的數值模擬

2.1 幾何模型建立及網格劃分

依據現場實際情況，將綜掘工作面進行一定簡化之后用Gambit建立幾何模型[9-12]，如圖3所示。巷道長度為100 m，巷道斷面規格為4.0 m×2.6 m的梯形；巷道采用長壓短抽式通風方式，壓入式風筒懸掛在掘進方向右側，壓入風筒直徑為600 mm，風筒軸線到巷道底板的距離為1.8 m，附壁風筒安裝在壓入式風筒前端，出風口到綜掘工作面的距離為7 m；除塵器出口位置距離工作面24 m；抽風筒直徑為500 mm，抽風量為195 m3/min。

2.2 掘進巷道內風流流場分布規律

本文利用Fluent軟件對掘進巷道內風流流場分布進行數值模擬計算，其模擬結果見圖4和圖5。

由圖4可以看出：壓入式通風時，掘進巷道內風流自右側風筒內高速噴射而出，大部分風流因受到迎頭和掘進機的阻礙而被導向巷道左側，經過一段距離的擴散之后風速趨于穩定，并均勻分布于巷道整個斷面內；受到掘進機的擾動影響，壓入式風筒的高速風流在距離迎頭20 m的距離范圍內風速高、穩定性差，當其距離迎頭超過20 m后，風流流場逐漸趨于穩定分布，風速基本保持在0.4～0.5 m/s。

由圖5可以看出：采用綜合除塵措施后，在附壁風筒和除塵器共同作用下，掘進工作面前端形成了一個穩定的風流場，大部分風流由附壁風筒側縫流出，在巷道斷面的影響下，將壓入式風筒內軸向高速風流轉化為旋轉的低速風流，在掘進機區域形成一道逆時針旋轉向前的風墻，能阻止塵源處的大量粉塵顆粒向掘進巷道后方擴散，同時保證掘進機后面區域內風流流場分布更為均勻，改善了之前風流場紊亂的狀況；在風流場中，旋轉風流和除塵器共同作用，在吸風口處形成了較大范圍的負壓區域，能將掘進機至迎頭之間區域的風流抽走，避免在該區域內形成旋轉渦流，有利于該區域內集聚的粉塵迅速有效地排出。

2.3 掘進巷道內粉塵濃度分布規律

在風流流場基礎上開啟離散相模型，并分別在掘進機截割頭及左右鏟板位置加入粉塵源，對掘進巷道內粉塵濃度分布擴散情況進行了數值模擬計算，其模擬結果見圖6至圖11。

如圖6所示，未采取除塵措施時，掘進巷道內掘進機截割頭附近粉塵濃度最大，最高超過1 000 mg/m3，粉塵被壓入式風筒噴出的高速風流帶動，集中在迎頭前方20 m范圍，尤其是回風側，形成一個較小的紅色區域，即高濃度粉塵聚集區，之后粉塵濃度沿回風側減小，并迅速擴散至全巷道；如圖7所示，采取綜合除塵措施后，紅色區域，即高濃度粉塵聚集區，在附壁風筒和除塵器吸塵口所產生負壓的綜合作用下集中在迎頭5 m范圍內，而不向外擴散，掘進機司機處及其后面的巷道中粉塵濃度很小。

如圖8所示，未采取除塵措施時，高濃度粉塵在吸塵口左側有小范圍聚集，并迅速擴散至全巷道；如圖9所示，采用綜合除塵措施后，吸塵口附近高濃度粉塵聚集區增大，之后粉塵濃度迅速降低。

如圖10所示，未采取除塵措施時，在回風側人行道粉塵濃度很高且擴散得非常嚴重，一直到距迎頭30 m范圍內粉塵濃度依然較高；如圖11所示，采用綜合除塵措施后，在回風側人行道的高濃度粉塵區域很小且僅聚集在迎頭附近范圍，并不向后擴散，掘進機司機處及后面巷道粉塵濃度很低。

綜上模擬結果可知，綜合除塵措施利用附壁風筒和除塵器極大地改善了掘進巷道迎頭范圍的風流場，有效地控制了粉塵的運移和擴散。

3 現場除塵方案確定及其應用

3.1 自激式水浴水膜除塵器

自激式水浴水膜除塵器主要利用高速含塵氣流直接沖擊液體形成液膜液滴進而捕塵降塵，其主要結構見圖12。含塵氣體由進風口進入除塵器，受導流葉片作用轉彎向下沖擊水面，大粒徑粉塵受慣性作用落入水箱中，微小粉塵顆粒隨氣流高速度進入上導流葉片間的彎曲通道，并沖擊水面，激起大量的水滴，水滴與粉塵碰撞而被捕獲;之后水氣流由于慣性的作用在除塵器內部壁面形成水膜，將碰撞上的塵粒捕捉，最后經過脫水器除掉氣流中的水分排出。該除塵器除塵效率高，經測定對呼吸性粉塵除塵率在95%以上。

3.2 附壁風筒

附壁風筒利用氣流的附壁效應，將原壓入式風筒供給綜掘工作面的軸向高速風流改變為沿巷道壁的旋轉風流，并以一定的旋轉速度向迎頭旋轉推進，在除塵器吸風流的共同作用下，便形成一股螺旋線狀氣流(見圖13)，在掘進機司機處前方形成空氣幕，阻擋粉塵向外擴散，使之經過吸塵罩吸入除塵器中進行凈化，提高了除塵器的除塵效率[13-14]。

3.3 綜合除塵方案現場布置及效果檢驗

根據現場情況和相關規程要求，該綜掘工作面采用長壓短抽式通風方式，壓入式風筒出口安裝附壁風筒，出風口距綜掘工作面7 m，吸風筒直徑0.5 m，吸風罩置于掘進機上截割臂后方處，自激式水浴水膜除塵器以輪車承載，與橋式轉載相連安設于滑軌上，如圖14所示。同時，針對傳統外噴霧存在的弊端，對噴嘴的結構、安裝位置、數量、布置方式和霧流噴射方向等進行了改進，采用新型氣水噴霧模塊，在噴嘴前形成均勻穩定的氣泡兩相流。該方法霧化效果好，霧滴粒徑大小合適，噴射動量大、距離遠，覆蓋范圍廣，水壓要求小，適合井下復雜條件下的使用。

綜合除塵方案實施后，在掘進工作面進行粉塵濃度檢測，并繪制粉塵濃度分布曲線，見圖15。

現場測試數據顯示，使用綜合除塵方案后，在司機處全塵濃度為62 mg/m3，呼吸性粉塵濃度為48 mg/m3，綜合除塵效率達到89%以上，在司機處全塵除塵率高達93.6%，呼吸性粉塵除塵率高達93.8%，除塵效果顯著。

4 結 論

(1) 綜掘工作面割煤工序粉塵濃度高，單一手段無法達到理想的除塵效果，傳統外噴霧除塵率為30%～40%，無法達到對煤礦工人職業病防治的要求。

(2) 采用三維數值模擬的方法對綜掘工作面風流流場及其粉塵濃度分布規律進行了研究，結果表明：壓入式通風時，壓入式風筒的高速風流會對迎頭風流產生極大擾動，截割工序產生的大量粉塵隨迎頭風流經回風側向后運移，高濃度粉塵集中在迎頭前方20 m范圍內，之后粉塵濃度逐漸減小，并迅速擴散至全巷道；采取綜合除塵措施后，高濃度粉塵聚集區，在附壁風筒和自激式水浴水膜除塵器吸塵口所產生負壓的綜合作用下集中在迎頭5 m范圍內，而不向外擴散，掘進機司機處及其后面的巷道中粉塵濃度很小。

(3) 現場實施綜合除塵方案后，結果顯示附壁風筒可以有效改善迎頭風場，在司機處形成旋轉向前的風墻，配合除塵器在吸風口處形成了較大范圍的負壓區域，將迎頭集聚的高濃度粉塵迅速有效地吸入并處理，除塵效果顯著，全塵和呼吸性粉塵除塵效率均在89%以上，極大地改善了井下作業環境，可為其他煤礦綜掘工作面粉塵治理提供指導和參考。

[1] 王德明.礦井通風與安全[M].徐州:中國礦業大學出版社,2012.

[2] 金龍哲,李晉平,孫玉福,等.礦井粉塵防治理論[M].北京:科學出版社,2010.

[3] Mukherjee S K.New techniques for spraying dust[J].CoalAge,1984,89(1):54-57.

[4] 李華煒.煤礦呼吸性粉塵及其綜合控制[J].中國安全科學學報,2005,15(7):67-69.

[5] Page S J,Volkwein J C.Foams for dust control [J].EngineeringandMiningJournal,1986,187(10):50-54.

[6] Parrett F W.Foam suppressants—An alternative for dust control[J].IndustrialMinerals,1986,220:52-53.

[7] 吳兵,于振江,周瑤,等.常村煤礦綜掘面合理除塵方式選擇及其應用[J].安全與環境工程,2014,21(5):98-103.

[8] 趙從國.煤層注水工藝與效果分析[J].煤炭科技,2005(1):45-47.

[9] 王曉珍,蔣仲安,王善文,等.煤巷掘進過程中粉塵濃度分布規律的數值模擬[J].煤炭學報,2007,32(4):386-390.

[10]秦躍平,張苗苗,崔麗潔,等.綜掘工作面粉塵運移的數值模擬及壓風分流降塵方式研究[J].北京科技大學學報,2011,33(7):790-794.

[11]Ting R,Rao B.The use of CFD modeling as a tool for solving mining health and safety problems[C]//UndergroundCoalOperators’Conference,2010.

[12]胡方坤,王帥領,王德明,等.基于CFD非定常模擬分析掘進面粉塵運移規律研究[J].中國煤炭,2013,39(3):105-108.

[13]王寬,周福寶,劉應科,等.柔性附壁風筒輔助降塵技術在葛泉煤礦的應用[J].煤礦安全,2011,42(11):72-74.

[14]司衛彬,湯笑飛,王帥領,等.通風除塵系統中附壁風筒的發展與探討[J].礦山機械,2013,41(8):5-7.

Research on Dust Migration Law and Control Technology in Fully-mechanized Working Face

DING Houcheng1,YANG Fan1,ZHANG Yikun2

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，AnhuiUniversityofTechnology，Maanshan243002，China;2.Civil&EnvironmentalEngineeringSchool，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

For the purpose of making up for the deficiency of the existing dust removal methods in coal mine fully-mechanized working face,this paper proposes a more effective method using the swirl effect of the ventilator attached to the wall in the way of far-pressing-near-absorption ventilation to gather high concentration dust to head-on and combining with gas water spray to prevent and control dust.The paper takes a fully-mechanized working face in Huainan mine area as the prototype.According to the actual conditions under the mine,the paper applies the Gambit software to establishing roadway geometry and Fluent software to getting the results of dust distribution with different ventilation methods,and then contrasts the simulation results with the experiment results to get the high dust concentration zones.Based on the above results,the paper proposes a method of applying self-excited wet dust scrubber,wall attaching chimney and original gas water spray to prevent dust.The measurement data from the site shows that dust removal rate of full dust and respiratory dust reaches 89%.

coal mine fully-mechanized working face;dust migration;numerical simulation;self-excited wet dust scrubber;wall attaching chimney

1671-1556(2015)04-0082-06

2014-11-06

2015-04-27

安徽高校省級科學研究項目(KJ2012 Z025)

丁厚成(1973—)，男，博士，高級工程師，主要從事安全技術與工程方面的研究。E-mail：hnhoucheng@163.com

X701.2

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.014