木瓜煤礦煤倉倉頂控塵技術數(shù)值模擬研究

董文杰，支剛保

(霍州煤電集團有限責任公司 木瓜煤礦，山西 呂梁 033000)

木瓜煤礦煤倉倉頂控塵技術數(shù)值模擬研究

董文杰，支剛保

(霍州煤電集團有限責任公司 木瓜煤礦，山西 呂梁 033000)

為了有效治理霍州煤電集團木瓜煤礦煤倉倉頂粉塵污染嚴重的問題，對木瓜煤礦輸煤系統(tǒng)和煤倉污染規(guī)律進行研究。通過現(xiàn)場測試及觀察分析，得出煤倉頂部粉塵逸散規(guī)律。通過氣固兩相流理論和數(shù)值模擬仿真技術，模擬煤倉頂部控塵技術的控塵機理，并對負壓抽塵方案進行現(xiàn)場應用。結果表明：木瓜煤礦煤倉上設置負壓抽塵并延長導料槽長度可有效控制粉塵逸出。

粉塵污染；導料槽；煤倉倉頂；負壓抽塵

由于煤炭輸送過程中會產(chǎn)生大量粉塵，因此輸煤系統(tǒng)的煤礦粉塵污染最嚴重，其中煤倉作為煤礦輸運系統(tǒng)中最后一個環(huán)節(jié)，也是整個輸煤系統(tǒng)中粉塵污染較為嚴重的地點之一。如何有效治理煤倉粉塵污染，減少其對工作人員身體健康的危害和周圍環(huán)境的破壞？當前，針對煤倉粉塵治理研究還比較少，本文以霍州煤電集團木瓜煤礦為研究對象，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試和觀察，結合煤塵逸散的數(shù)值模擬，提出負壓抽塵與延長密封導料槽的綜合除塵方案，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗應用，驗證方案的可行性，本文的研究為其他煤礦煤倉的粉塵治理提供了參考價值。

1 木瓜煤礦煤倉頂部粉塵污染測試

木瓜煤礦設計產(chǎn)量為1.2 Mt/a，目前輸煤系統(tǒng)為10-209采煤工作面→10-209皮帶順槽→皮帶運輸巷→940運輸斜巷→101、103皮帶走廊→煤倉→汽車運輸，其中煤炭運輸量為800 t/h，皮帶長度為155 m，帶式輸送機提升高度為38 m，膠帶寬度為1 000 mm，膠帶速度為2.5 m/s.由于煤倉頂部作業(yè)人員少，無任何防塵措施，導致煤倉頂部粉塵污染嚴重超出國家標準。

為了準確評價該區(qū)域粉塵對作業(yè)人員的危害，本文對煤倉頂部的粉塵濃度進行測量，其中相關數(shù)據(jù)測量重點包括每個發(fā)塵部位的全塵濃度與可呼吸性粉塵的濃度。

1) 測量原理。

采集一定質量的氣體，其中夾雜著煤塵，而后使其通過事先預備的濾膜，這時粉塵被阻留在上面，因為濾膜質量是經(jīng)過測定的量，第二次測量之后的質量減去第一次測量的質量可計算出濾膜殘留煤塵的質量。

2) 測量方法：濾膜質量法與光電直讀測塵法。

a) 濾膜質量法。

濾膜法的具體步驟：事先預備好一定張數(shù)的濾膜然后對其稱量質量；以實際作業(yè)場所依次選定采樣部位，然后實施采樣；把采集來的樣本用專用器械進行烘干，再次測量其質量；最后根據(jù)公式進行計算，然后對誤差進行檢驗。

b) 光電直讀法。

光電直讀法測試能夠對濃度進行測量應用的原理是光電散射，換句話說，煤塵顆粒經(jīng)過強光的照射會反射一定量的光，而這些光的強度與煤塵顆粒的濃度呈現(xiàn)一定程度的線性關系，通過凸透鏡形成的光束將其看做是并列的，穿過濾紙到達硅光電池上。在這個過程中，從微安表可以讀出光電流大小變化，所以利用實驗可以發(fā)現(xiàn)煤塵濃度變化與光電流變化的關系，簡便地得出煤塵濃度。

對101和201機頭(即煤倉頂部)進行粉塵濃度、呼吸性粉塵濃度等數(shù)據(jù)測試，粉塵濃度為280 mg/m3和呼吸性粉塵濃度為24 mg/m3，其粉塵分散度見表1.

表1 木瓜礦煤倉頂部粉塵分散度表

由表1可知，煤倉頂部的粉塵污染非常嚴重。因此，必須采取一種有效的控塵方案。本文通過數(shù)值模擬仿真技術對煤倉頂部控塵方案進行模擬，研究負壓抽塵除塵的控塵機理及效果。

2 毛煤倉倉頂粉塵運移數(shù)值模擬

粉塵能否運動主要是受到氣流運動的影響，因此，在研究粉塵運移規(guī)律的時候主要通過氣固兩相流理論進行數(shù)學建模。以下為相關數(shù)學模型：

1) 氣體運動方程。

將空氣介質視為不可壓縮黏性流體，假設溫度保持不變。

空氣的連續(xù)性方程為：

·Ug=0

(1)

式中：

Ug—氣體運動速度矢量，m/s.

氣體的流體運動動量守恒方程為：

(2)

式中：

ρg—氣體密度，kg/m3；

t—時間，s；

F—單位體積氣體受到的質量力，N/m3；

p—氣體的壓力，Pa；

μ—氣體的動力黏性，Pa·s.

2) 粉塵顆粒的運動方程。

單個顆粒的運動方程可以由經(jīng)典的牛頓定律得出：

(3)

式中：

mp—粉塵的質量，kg；

Up—粉塵的運動速度，m/s；

F1—粉塵在氣流中所受的阻力，N；

F2—粉塵所受的重力，N；

F3—粉塵所受的浮力，N；

F4—粉塵所受的其它作用力，N.

3 粉塵治理技術方案優(yōu)化

煤倉是從煤層開采到運輸?shù)妮斆合到y(tǒng)中最后一個環(huán)節(jié)，由于輸運的物料通過皮帶機運輸?shù)矫簜}頂部落入倉內，其高速下落的物料對倉內的空氣持續(xù)擠壓，導致倉內空氣形成上升氣流。由于上升氣流與下落的煤塵相沖擊，使煤塵更加細化，并伴隨上升氣流向上運動，導致煤倉頂部下料系統(tǒng)粉塵污染非常嚴重。并且當前煤礦對煤倉頂部的粉塵治理認識不到位，無控塵降塵裝置，因此，煤倉頂部皮帶下料處成為煤倉區(qū)域粉塵污染最為嚴重的地點。

通過對煤倉頂部的粉塵測試和觀察分析，提出延長煤倉頂部皮帶導料槽長度，并設置負壓抽塵裝置的綜合控塵方案。

3.1 煤倉頂部101皮帶設導料槽方案

為了能有效降低木瓜煤礦煤倉頂部的粉塵污染，并減少投資成本。首先對煤倉頂部皮帶僅安裝密封導料槽進行了研究。皮帶僅安裝導料槽后，整個煤倉倉內煤塵運動和煤塵濃度分布的模擬圖見圖1. 從圖1可以看出，在煤倉內部由于落煤產(chǎn)生的沖擊波，造成煤塵向上運動，在安裝密封導料槽后，使煤塵被密封到皮帶輸送機內，大大減少了煤倉頂部皮帶走廊的粉塵污染。

圖1 安設導料槽的煤倉內煤塵運動、濃度分布模擬圖

煤倉頂部僅安設導料槽的皮帶走廊粉塵濃度分布圖見圖2. 從圖2可以看出，粉塵濃度在27～58mg/m3，較之前的280mg/m3的粉塵濃度大大降低，證明將煤倉頂部皮帶安設導料槽密封可以有效降低粉塵污染，但同時可以看出，僅安裝導料槽的粉塵濃度仍然超出國家規(guī)定的作業(yè)場所粉塵濃度標準，所以該方案雖然大大減少粉塵濃度，但還未達到徹底控塵的要求，因此還需結合其他除塵方式，進行綜合除塵。

圖2 安設導料槽煤倉頂皮帶走廊煤塵濃度分布模擬圖

3.2 煤倉頂部皮帶安設導料槽和除塵器方案

由于僅安設導料槽無法滿足國家標準要求，在安設導料槽的基礎上，增設負壓抽塵裝置，即單體布袋除塵器。煤倉頂部皮帶安設導料槽和除塵器后的倉內煤塵運動和濃度分布模擬圖見圖3.

圖3 安設導料槽、除塵器煤倉內煤塵運動、濃度模擬圖

從模擬結果可以看出，由于除塵器產(chǎn)生的負壓和落煤產(chǎn)生的上升氣流共同作用，粉塵由倉內向上運移，并全部收集到單體布袋除塵器內；倉內煤塵濃度明顯下降，頂部濃度為2 500～3 000mg/m3，表明單體袋式除塵器的安裝有明顯的控塵效果。

煤倉頂部皮帶走廊安設導料槽和袋式除塵器后的作業(yè)空間煤塵濃度分布模擬圖見圖4. 可以看出，在安裝導料槽的基礎上加設除塵器可大大降低作業(yè)空間粉塵濃度，濃度值為10mg/m3左右。通過模擬結果可知，密封導料槽和袋式除塵器的雙重作用，可以完全將皮帶機頭和皮帶機進行密封，除塵器形成的負壓有效控制氣流對導料槽粉塵的沖擊，控制粉塵向外飛揚，因此該控塵方案是有效可行的。

圖4 安設導料槽、除塵器煤倉頂煤塵濃度分布模擬圖

本文通過對煤倉頂部皮帶輸送機加設導料槽和除塵器進行數(shù)值模擬，結果顯示，粉塵濃度大大降低。在現(xiàn)場應用試驗過程中，效果更佳，煤倉頂部皮帶機加設導料槽和除塵器后的粉塵濃度經(jīng)測試為：5mg/m3，達到了國家對作業(yè)場所粉塵濃度的要求，證明該方案的可行性。

4 結 論

煤倉作為輸煤系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié)，其煤倉倉頂?shù)钠ё呃仁欠蹓m污染最嚴重的區(qū)域之一。本文通過現(xiàn)場測試和觀察分析，并結合數(shù)值模擬技術對煤倉頂部粉塵治理方案進行研究，主要得出以下結論：

1) 通過現(xiàn)場測試與觀察得出煤倉頂部粉塵污染原因為：由于煤倉落煤是一個高落差落煤的過程，其中的落料破碎、沖擊波風流和誘導氣流相互耦合，造成粉塵隨上升氣流向倉口逸散，并且木瓜煤礦煤倉頂部皮帶輸送系統(tǒng)無任何防塵措施，導致煤倉頂部走廊粉塵污染嚴重。

2) 通過氣固兩相流理論和數(shù)值模擬技術，分別對煤倉頂部皮帶僅安設導料槽和除塵器配合導料槽的綜合除塵進行數(shù)值模擬，得出安設導料槽和除塵器聯(lián)合降塵的綜合除塵方案能有效治理煤倉頂部粉塵污染，通過現(xiàn)場應用，粉塵治理可以達到國家標準。

3) 由于數(shù)值模擬技術的局限性，本文所涉及的模擬仿真中數(shù)值和現(xiàn)場實測數(shù)值還有一定的誤差，今后的主要研究方向將是研究數(shù)值模擬的準確性。

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Numerical Simulation Research on Dust Control Technology in Top of Coalbunker in Mugua Coal Mine

DONG Wenjie, ZHI Gangbao

In order to effectively control the serious dust pollution problem of coal storage in the coalbunker in Huaguzhou Coal and Electricity Group, the pollution character of coal carrying system and coal bunker in MuGua coalmine is studied. By the field testing and observational analysis, the dust spread routines on the top of the coal bunker is obtained. Based on the theory of gas-solid two-phase flow and numerical simulation, the mechanism of dust control on the top of coal bunker is simulated, and the negative pressure dust extraction scheme is applied in the field. The results show that by the combination of negative pressure dust extraction method and the length extension of the material guiding trench, the dust escape in the coal bunker could be effectively controlled.

Dust pollution; Material guiding trench; Top of coal bunker; Negative pressure dust extraction

2016-09-08

董文杰(1971—)男，山西鄉(xiāng)寧人，1994年畢業(yè)于山西省煤炭工業(yè)學校，工程師，主要從事煤礦采煤、通風技術及管理工作

(E-mail)dwj5663938@163.com

TD714

B

1672-0652(2016)10-0008-03