基于數值模擬的掘進面通風除塵分析

梁新潮

基于數值模擬的掘進面通風除塵分析

梁新潮

(山西離柳焦煤集團有限公司，山西 呂梁市 033000)

煤炭資源回采過程中伴隨著大量的煤塵產生，容易造成大量的煤塵積聚，嚴重威脅煤礦工人健康與安全，因此，除塵對于提高煤礦安全保護工人身心健康具有重要意義。以抽、壓組合式通風方式為試驗對象，采用數值模擬對除塵設備除塵效果進行模擬分析，研究結果表明：掘進工作面吸塵口的煤塵濃度始終處于高位；隨著間距的不斷增加，煤塵的濃度不斷降低，當間距為9～12 m時，煤塵濃度下降的趨勢不明顯，除塵效果好；加除塵裝置的煤塵濃度較低，其效果較好，但距迎頭面的距離越大效果越不明顯，平均除塵效率為52.5%。

煤礦安全;除塵;掘進工作面;數值模擬

0 引 言

煤炭資源回采過程中伴隨著大量的煤塵產生。特別是超長工作面，容易造成大量的煤塵積聚。大量的煤塵嚴重影響工作面生產安全，同時，影響井下施工人員的身體健康。因此，必須采取相應的技術措施，降低煤塵含量，以保證工作面安全生產、保障井下施工人員身心健康[1-3]。

對于通風降塵技術。國內外眾多學者進行了大量的研究。馬勝利等[4]采用數值模擬技術對玉華煤礦2410綜掘工作面通風除塵進行研究，通過現場測試數據分析了抽、壓組合的通風方式下綜掘工作面煤塵分布特征，研究結果表明，將壓風筒布置在距離掘進工作面約12.5 m，可以起到很好的作用，除塵效果非常好；李修鎮等[5]采用封閉式除塵系統對掘進工作面煤塵進行消除處理，克服了以外除塵設備的能量消耗高以及設備噪音大的缺點，還減輕了設備重量，降低了除塵設備的安裝成本，該設備在不影響煤礦正常生產的情況下，降低了噪音對健康造成的威脅，凈化了煤礦井下生產環境；李延河等[6]根據注水降塵的機理，對降塵措施進行了研究，以二1～13110工作面煤層為試驗煤層，分析了粉塵顆粒間的作用力，提出了基于注水降塵機理的新措施，研究結果表明，當煤層含水量增加到6%時，工作面的煤塵含量下降了50%以上，該降塵措施效果明顯，為治理三軟煤層提供了參考。

以上作者主要通過相關降塵措施對工作面煤塵進行處理，而針對掘進工作面的研究較少。本文以掘進工作面為實驗對象，采用數值模擬方法對通風除塵技術進行研究。

1 通風除塵模型

1.1 本構關系

依據掘進工作面通風除塵的實際情況，可以將掘進工作面的通風作為連續流。而粉塵屬于不連續顆粒，可以作為分散相。因此，數值模擬過程中采用連續?分散模型，采用歐拉法則建立掘進工作面通風降塵模型，得出掘進工作面的動能等相關技術參數。并根據掘進工作面中的粉塵得出其在掘進工作面的分布規律[7]，其計算本構關系為：

式中，m為粉塵質量，kg；為粉塵密度，g/cm3；d為粉塵直徑，m；為掘進工作面空氣密度，g/cm3；u為粉塵速度，m/s；F為通風過程中風阻，kN；F為粉塵在空氣中的浮力，kN；F為粉塵自身重力，kN；F為其它相關阻力，kN。

1.2 模型建立

模擬的工作面長為1500 m，模擬的高度為3.7 m，模擬的寬度為4.5 m，斷面面積為16.6 m2。采用三維繪圖軟件建立巷道模型，由于巷道內存在相關設備以及地質條件復雜，為了降低繪圖難度，將相關設備進行簡化處理。計算相關區域的巷道長度為75 m，抽出式通風機風筒的直徑為1.2 m，煤塵消除風筒直徑為1.0 m，風筒的位置在巷道上方1.7 m處，距離頂板2.0 m。相關模型如圖1所示。

圖1 除塵模擬模型

1.3 邊界條件和參數

根據該煤礦的地質條件以及掘進過程中工作面的實際特征，按照絕對速度進行求解，抽出式風量為601.02 m3/min，風筒的直徑為1.2 m，根據換算公式得出掘進工作面的風速為11.4 m/s，而在實際掘進工作面通風過程中其風速是不穩定的，模擬采用迭代進行計算。相關參數為掘進工作面入口的風速為11.4 m/s，風筒直徑為1.2 m，粉塵的最小直徑為0.421 μm，粉塵的最大直徑為0.128 mm。

2 模擬結果與分析

2.1 粉塵分布規律

首先對掘進工作面巷道粉塵濃度進行分析，得出其水平和垂直方向上的動態云圖如圖2所示。

圖2 水平、垂直方向上煤塵分布特征

由圖2可知，掘進工作面吸塵口的煤塵濃度始終處于高位，經分析，該處處于負壓狀態下，掘進工作面產生的煤塵絕大數在壓力的作用下移動到該位置，在吸口的作用下不斷被吸入并且被排出掘進工作面巷道，而另一部分煤塵會隨著風流進入到回風順槽中，但其濃度相對煤塵吸口較低。這與實際情況相同，模擬結果表明，較小部分煤塵的排出主要是由于風流的流動作用。

2.2 不同工況下煤塵分布特征

考慮到掘進工作面采用的抽、壓組合的通風方式，隨著掘進的不斷進行，壓風口每隔5~10 m會與迎頭產生一個距離，而吸風口始終與迎頭面保持不變，依據綜合通風方式的原理，計算不同間距下的煤塵濃度分布特征，其模擬數據如圖3所示。

圖3 不同間距下煤塵分布特征

由圖3可知，隨著間距的不斷增加，煤塵的濃度不斷降低，當間距在9~12 m時，煤塵濃度下降的趨勢不明顯，此時，除塵的效果最好。

當間距為6 m時，其與煤塵源的間距較近，同時受到掘進機的影響，一部分在吸口下方集聚，另一部分彌漫到整個巷道中，沒有辦法被吸風口 抽出。

當間距為15 m時，由于吸風口距煤塵源間距較遠，射流降低到最小，吸風口對于煤塵的吸作用降低，而高濃度煤塵在距迎頭大約12 m的地方集聚，該區域的能見度較低。

2.3 實測對比分析

實測與模擬煤塵濃度對比如圖4所示。

圖4 實測數據對比

由圖4可知，加除塵裝置的煤塵濃度較低，其效果較好，但距迎頭面的距離越大效果越不明顯，平均除塵效率為52.5%。

3 結 論

（1）掘進工作面吸塵口的煤塵濃度始終處于高位。

（2）隨著間距的不斷增加，煤塵的濃度不斷降低，當間距為9~12 m時，煤塵濃度下降的趨勢不明顯，除塵效果好。

（3）加除塵裝置時的煤塵濃度較低，其效果較好，但距迎頭面的距離越大效果越不明顯，平均除塵效率為52.5%。

[1] 王曉蕾,秦啟榮,熊祖強,等.層次注漿工藝在松軟巷道破碎圍巖加固中的應用[J].地下空間與工程學報,2017,13(1):206-212.

[2] 熊祖強,王曉蕾.承壓水上工作面破壞及裂隙演化相似模擬試驗[J]. 地下空間與工程學報,2014,10(5):1114-1120.

[3] 王曉蕾.深部巷道破碎圍巖注漿加固效果綜合評價[J].地下空間與工程學報,2019,15(3):675-702.

[4] 馬勝利,張 恒,晉繼偉,等.綜掘工作面通風除塵效果的數值模擬研究[J].煤炭技術,2018,37(10):164-166.

[5] 李修鎮,吳 斌,李昌偉,等.綜掘工作面封閉式除塵系統的研究與應用[J].化工設計通訊,2018,44(10):182.

[6] 李延河,龐龍龍,楊玉中. “三軟”厚煤層深孔注水防塵機理及應用研究[J].煤炭工程,2018,50(10):113-116.

[7] 蔣仲安,陳記合,王 明,等.卸礦站粉塵濃度影響因素的數值模擬研究[J].煤炭學報,2018,43(S1):185-191.

(2018-12-11)

梁新潮(1975—),男,山西孝義人,主要從事煤礦安全的研究與管理工作,Email:583705568@qq.com。