綜掘巷道抽、壓組合的通風系統布置參數及效果研究

王登峰

（晉煤集團澤州天安恒源煤業有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西晉煤集團澤州天安恒源煤業有限公司井田面積5.3542km2，礦井生產規模60萬t/a，屬低瓦斯礦井。井田位于太行山復式背斜南段西翼，井田主體構造為一向南西傾伏的向斜構造（S1向斜），兩翼地層傾角約1°～7°，未發現陷落柱構造，未見巖漿巖侵入。目前所采15#煤為低灰～中灰、中高硫、高固定碳、特高熱值之無煙煤，可作為電力、化工及民用煤，煤層無煤塵爆炸危險性，自燃傾向性性質為不易自燃。15#煤層厚1.08～4.3m，平均2.69m，屬全區穩定可采中厚煤層；15#煤層直接頂板為K2灰巖，厚度較大，一般厚約8.63m，K2灰巖下局部有薄層炭質泥巖；底板為泥巖，一般厚約2.11m。當前該礦選用EBZ-120型綜掘機進行151303工作面兩順槽的掘進作業，順槽設計斷面為寬×高=4.4×3.5m，斷面積14.46m2。設計單個掘進工作面循環進度1.5m，每班4個循環，日進12.0m，月掘進進尺為360m。順槽掘進過程中，采用壓入式通風方式，由于掘進速度較快，產塵量大，現場實測掘進工作面迎頭粉塵濃度高達900mg/m3，迎頭粉塵濃度超限，嚴重遮擋視線，影響正常掘進作業，擬采用抽、壓組合的通風方式來降低掘進工作面的粉塵濃度。

2 151303綜掘工作面抽、壓組合的通風系統布置參數研究

2.1 模型建立

以恒源煤業151303綜掘工作面為研究對象，同時借鑒類似工況下的掘進作業經驗[1-2]，通過Fluent軟件建立151303綜掘工作面抽、壓組合的通風系統模型，來研究本工作面在抽、壓組合的通風系統中風筒布置的最優參數。數值模擬過程中忽略溫度、二次揚塵及截割頭噴霧等對粉塵擴散的影響。巷道模型及管路線纜等內部裝置進行簡化，所建模型為高3.5m，寬4.4m的拱形巷道，研究趨于為50m。在模型中風筒直徑1m；壓入式風筒距巷幫0.5m，軸心距底板2.4m，風筒中的風速約為11.2m/s，壓風筒筒口分別距掘進迎頭5m、7m、10m、13m、15m、18m；抽風筒的筒口固定在綜掘機機身上距掘進迎頭4m，距底板2m，隨綜掘機移動，距掘進迎頭的距離保持不變。最終確定模型為890000個網格節點。

2.2 數值模擬結果分析

圖1 壓風筒筒口距掘進迎頭不同距離時巷道斷面粉塵濃度分布云圖

如圖1為壓風筒筒口分別距掘進迎頭5m、7m、10m、13m、15m、18m掘進作業時，距掘進迎頭5m、10m、15m、20m、25m、30m、40m、50m 的巷道斷面粉塵濃度分布云圖。觀察圖1（a）及圖1（b）發現壓風筒筒口距掘進迎頭5m和7m時，由于出風口距離產生粉塵源頭距離過近，并且壓風筒所射風流在掘進迎頭處的速度最大，導致部分粉塵被風流吹散，散布于巷道內，部分粉塵積聚于抽風筒筒口下方，除塵效果不明顯；觀察圖1（c）發現壓風筒筒口距掘進迎頭10m時，由于抽風筒距離產塵源距離不合適，導致風流在抽風筒附近形成回旋風，部分粉塵由于回旋風作用在抽風筒筒口附近滯留，除塵效果不佳；觀察圖1（d）發現壓風筒筒口距掘進迎頭13m時，可以明顯看出距掘進迎頭不同距離的各斷面粉塵濃度都很低，該參數下的抽、壓組合的通風系統除塵效果良好，一部分粉塵隨巷道的通風風流流出巷道，大部分粉塵經抽、壓組合的通風系統處理；觀察圖1（e）及圖1（f）可以發現壓風筒筒口距掘進迎頭15m和18m時，由于壓風筒筒口距離產生粉塵源頭太遠，導致壓風筒所射有效風流到不了掘進迎頭，有效風流在抽風筒筒口作用下會在距掘進迎頭約10m的位置形成循環風，大部分粉塵被循環風擋在掘進迎頭處，掘進迎頭附近粉塵濃度會隨著綜掘機的推進逐漸增加，除塵效果較差。

圖2 壓風筒筒口距掘進迎頭不同距離時巷道斷面粉塵濃度分布云圖

圖2 為壓風筒筒口距掘進迎頭10m、11m、12m、13m、14m、15m時，巷道內距掘進迎頭不同距離的粉塵濃度分布圖。觀察圖2可以發現隨著距掘進迎頭距離的不斷增加，巷道內粉塵的濃度呈下降趨勢，并在距掘進迎頭40m以后穩定為40mg/m3左右。通過對比壓風筒筒口距掘進迎頭不同距離的曲線可以發現壓風筒筒口距掘進迎頭13m時的整體粉塵濃度最低，除塵效果最佳。相較原先的壓入式通風，掘進迎頭的粉塵濃度下降至240mg/m3。

綜上所述恒源煤業151303綜掘工作面在采用抽、壓組合的通風系統時，壓風筒筒口距離掘進迎頭13m時的除塵效果最佳。

3 綜合降塵措施

3.1 改進綜掘機截割頭噴霧系統[3]

綜掘機截割頭原噴霧系統中的內噴霧系統在掘進機掘進作業時，由于截割頭直接接觸煤巖體，會造成運行過程內噴霧系統水壓較低，并且泥漿會堵塞部分噴霧頭，使內噴霧系統不能充分發揮降塵作用。綜掘機截割頭原噴霧系統中的外噴霧系統存在對產塵源除塵效果不強、噴霧頭水壓不穩定、水流量太大造成地面泥濘濕滑及過濾效果不好致使部分噴霧頭堵塞的問題。根據噴霧系統在現場應用中存在的問題，現將改進綜掘機的噴霧系統。改進后的噴霧系統由輔助外噴霧和內噴霧構成，共同保證該系統的降塵效果及該系統連續正常運行。改進后的噴霧系統選用空心錐形的螺旋牙水芯，其安裝孔徑為1.2mm，并在高壓水管口設置過濾裝置，防止雜物堵塞噴頭，將噴霧系統的噴霧壓力設定在4～6MPa。外噴霧要求綜掘機截割斷面腰線以上部分時，外噴霧系統噴霧頭的安裝角度針對揚塵區，綜掘機截割斷面腰線以下部分時，外噴霧系統噴霧頭的安裝角度針對落塵區；內噴霧在截割頭運行時由于過濾裝置的次存在及螺旋牙水芯的使用，能夠保證掘進過程中內噴霧充分發揮抑塵降塵的作用。改進后的噴霧系統示意圖如圖3所示。

圖3 改進后的噴霧系統示意圖

3.2 抽、壓組合的通風系統[4]

在151303綜掘工作面內布置抽、壓組合的通風系統。該系統選用的風筒為剛性骨架，直徑為800mm。將抽風筒的筒口固定在綜掘機機身上距掘進迎頭4m，距底板2m，抽風筒筒口布置有吸塵罩，抽風筒隨綜掘機移動，距掘進迎頭的距離保持不變，始終保持有效的吸塵距離。壓風筒筒口布置在距離掘進迎頭13m的位置處。在這種布置方式下抽、壓組合的通風系統隨掘進機自動向前移動，簡化了作業程序，減少了工作人員的勞動強度，并且在該布置參數下的抽、壓組合的通風系統除塵效果最佳。

3.3 綜合降塵措施應用效果分析

在現場151303巷道掘進作業時，應用改進后的綜掘機截割頭噴霧系統和抽、壓組合的通風系統進行掘進工作面的通風和降塵。為了觀測綜合降塵措施應用效果，在距掘進迎頭每5m的巷道腰線上布置粉塵采樣儀監測巷道內的粉塵濃度，共布置5個測點，測點準備完成進行掘進作業，并記錄每個測點的粉塵濃度，結果如圖4所示。

圖4 綜合降塵措施應用效果

觀察圖4可以發現，151303巷道掘進作業時，應用改進后的綜掘機截割頭噴霧系統和抽、壓組合的通風系統進行掘進工作面的通風和降塵，取得的降塵效果良好，掘進迎頭5m范圍內的粉塵濃度下降至約98mg/m3，相較原通風方式下掘進迎頭900mg/m3的粉塵濃度，下降了約89%，并且掘進工作面后方25m的距離處粉塵濃度降至25mg/m3，能夠滿足正常安全掘進巷道的要求。

4 結 論

通過Fluent軟件建立151303巷道抽、壓組合的通風系統模型，研究本工作面在抽、壓組合的通風系統中風筒布置的最優參數，研究結果表明壓風筒筒口距離掘進迎頭13m時，抽風筒固定于綜掘機距迎頭4m的位置處的除塵效果最佳。并在現場應用改進后的綜掘機截割頭噴霧系統和抽、壓組合的通風系統進行掘進工作面的通風和降塵，取得的降塵效果良好，掘進迎頭5m范圍內的粉塵濃度下降至約98mg/m3，能夠滿足正常安全掘進巷道的要求。