綜掘巷道粉塵運移規律及降塵系統應用淺析

邵國衛

(山西煤炭運銷集團 野川煤業有限公司， 山西 高平 048400)

1 工程概況

野川煤業公司設計產量90萬t/年，為高瓦斯礦井，現開采平均厚度5.36 m的3#煤層，煤塵無爆炸性。3#煤層頂板從下向上為中粒砂巖和粉砂巖，底板為泥巖。目前進行井田西南部3202膠帶順槽的掘進作業，采用壓入式通風。3202膠帶順槽掘進面為矩形斷面，掘進寬、高分別為5.8 m、3.1 m；凈斷面17.98 m2，支護方式為錨網索結合的聯合支護方式。現場掘進時，距掘進迎頭5 m范圍內粉塵濃度較高，影響掘進效率，急需采取措施。

2 3202掘進巷道粉塵運移規律研究

2.1 模型建立

根據野川煤業3202膠帶順槽掘進工作面圍巖力學參數，同時借鑒類似模擬掘進巷道粉塵運移規律的建模經驗[1-2]，將工程中復雜的實際情況進行合理的簡化。假設粉塵顆粒為連續介質，視其為“微觀上充分大，宏觀上充分小”的體積單元并且均勻地、連續地充滿著空間；假設粉塵為球形顆粒且無相互作用；假設掘進速度恒定、迎頭產塵量穩定且巷道內氣流為定常流動。根據巷道實際情況使用ANSYS軟件建立長50 m，寬5.8 m，高3.1 m的拱形巷道幾何模型；模型中d0.8 m的壓入式風筒懸掛在煤壁一側，距掘進迎頭5 m，距底板2.6 m；綜掘機按各部分尺寸適當取值。最終劃分890 000個網格節點進行迭代計算得出模擬結果，網格劃分后3202膠帶順槽掘進巷道模型見圖1.

2.2 模擬結果分析

為了研究3202巷道內的風流規律，需對巷道內風流場進行模擬，模擬結果見圖2a)；對掘進巷道內的風流運移規律進行研究后將粉塵參數加入到模型中進行模擬，分析粉塵運移規律，3202巷道內粉塵運移模擬圖見圖2b). 為了更精確地分析巷道內不同水平及垂直斷面上的粉塵濃度變化規律，截取x=0.5 m、x=2.0 m、x=3.5 m及y=1 m、y=2 m、y=3 m時的粉塵濃度沿程變化圖，其中x為巷道寬度方向，風筒巷道壁面一側為x=0 m；y為巷道高度方向，底板處為y=0 m，模擬結果見圖3.

圖3 不同水平及垂直斷面上粉塵濃度沿程變化圖

由圖2a)可知，掘進巷道壓入式通風是受限附壁射流通風，由于空間受到限制，壓風筒筒口形成的風流體達到一定長度時便會紊亂，向四周逸散，并且風流沖擊掘進壁面后發生回轉現象。由圖2b)可知，掘進迎頭5 m范圍內產生的粉塵在回轉風流的引導下，發生積聚現象。

由圖3可知，掘進迎頭距產塵源5 m范圍內粉塵濃度大，超過了300 mg/m3，并且與掘進迎頭的距離越小粉塵濃度越高。風流從壓入式風筒出口處流出后直接作用于工作面，使得工作面產生的粉塵會向著風筒另一側巷道壁偏移，懸掛風筒一側的粉塵濃度相較于另一側明顯偏低；在距離掘進工作面產塵源一段距離后，由于風流場內風速減小及降塵系統的影響，粉塵濃度變小并趨于穩定；風流場發展到一定程度后，風流會由于巷道底板的反射作用而使已經沉積下來的粉塵再次被風流帶入空氣中，使得巷道內粉塵濃度會在某些區域內再一次增大。由圖3b)中斷面y=1 m和y=2 m的粉塵濃度截圖可知，在作業呼吸帶高度上綜掘機至掘進迎頭范圍內的粉塵濃度同樣高達200 mg/m3.

綜上，在壓入式通風方式下，距離掘進迎頭5 m內粉塵濃度很高，并且巷道后方粉塵排出速度較慢，巷道受粉塵污染時間較長，所以必須在塵源處及巷道內采取有效的防治粉塵的措施。

3 綜合噴霧降塵系統設計及應用

目前，3202掘進巷道主要依靠綜掘機截割頭的噴霧系統進行降塵作業，截割頭噴霧系統中的噴嘴為普通噴嘴，霧化效果較差，并且水壓較小，過濾能力較差，容易導致噴嘴堵塞。因此，設計了一套針對掘進迎頭產塵源的高壓噴霧降塵系統及皮帶噴霧降塵系統[3].

3.1 綜掘機高壓噴霧降塵系統

在掘進機上安裝油壓-水壓轉換裝置，長750 mm，寬580 mm，高350 mm，重約40 kg. 該裝置通過吸取掘進機上的液壓油，通過壓力流量控制閥驅動液壓水泵，獲得高壓水，并且該裝置內安裝有2級精密水質過濾器，提升對礦井水的過濾能力，避免發生噴嘴堵塞現象[4]. 在綜掘機上應用的油壓-水壓轉換系統見圖4.

該裝置中液壓油在液壓泵內循環，即使在停水狀態下液壓泵仍可以正常運轉，并且液壓水泵本身具有冷卻功能，所以在裝置運行時液壓油的溫度不會上升。與傳統通過增壓裝置使用大體積水箱獲取高壓水噴霧的方式比較，油壓-水壓轉換裝置體積小、重量輕并且不會影響綜掘機截割作業；可以調節水的壓力和流量改變噴霧范圍，避免水霧遮擋視線。為了使截割頭上的噴嘴所形成的噴霧能形成更好的霧流，提升除塵效率，選用霧粒較細，降塵效果高的螺旋牙水芯噴嘴代替原先截割頭上的普通噴嘴。螺旋牙水芯具有所產生噴霧霧粒細，霧粒荷電且均勻，霧化質量高的特點，在旋轉時會清除噴嘴處沉積的雜質提升降塵效果，且拆卸方便。

圖4 油壓-水壓轉換系統在綜掘機上的應用示意圖

油壓-水壓轉換系統和螺旋牙水芯式噴嘴的配套使用，使得高壓噴嘴中壓力水通過時，由于高壓及旋轉作用，形成運動速度高、密度大并且具有荷電性的噴霧，形成的噴霧與粉塵充分接觸、碰撞，產生的靜電凝聚效果會加速粉塵的濕潤和相互凝結，提高了粉塵的沉降效率。

3.2 皮帶噴霧降塵系統

原3202掘進巷道內降塵措施不完善，導致掘進迎頭后方很長一段距離巷道內粉塵濃度均較高。綜掘機割煤作業后，破碎的煤塊通過轉載機經過皮帶運煤時，煤塊跌落至皮帶上會產生大量揚塵，現通過在皮帶上方應用皮帶噴霧降塵系統降低巷道內的粉塵濃度，皮帶噴霧降塵系統示意圖見圖5. 該系統在皮帶上方60 cm處設置噴霧水管，為節省用水量，每隔5 m設置橫向水管，橫向水管上安裝4個噴頭，經過現場觀測分析，每個噴嘴在皮帶連續運行10 min時的用水量約為50 L. 該裝置具有自動控制噴霧大小的特點，噴霧水管通過液壓槍與礦井供水管網相連，皮帶上方設置一擋板與液壓槍開關相連，皮帶運轉煤巖通過擋板時會抬起擋板，觸發液壓槍開關開啟噴霧系統，皮帶上煤巖量越多，擋板抬起的高度越高，則液壓槍開關開啟量越大噴霧量隨之增大。將廢舊液壓槍改造成自動開關，不僅操作簡單，動作靈敏耐用，并且還節約水量。

圖5 皮帶噴霧降塵系統示意圖

3.3 應用效果分析

綜合噴霧降塵系統應用前后，在綜掘機司機位置處、刮板轉載點和掘進迎頭后方運輸轉載點3個位置測量6次全塵濃度和6次呼塵濃度進行對比分析，實測數據見表1.

由表1可發現：在3202巷道未應用設計綜合噴霧降塵系統前，降塵系統下綜掘機司機處的呼塵濃度高達200 mg/m3，掘進迎頭后方刮板轉載點和運輸轉載點的全塵濃度高達約340 mg/m3；在應用設計綜合噴霧降塵系統后，綜掘機司機處的全塵濃度降至69.5 mg/m3，呼塵濃度降至38.5 mg/m3，降塵率高達80%. 應用所設計降塵系統后掘進作業工人的作業環境明顯改善，并且掘進迎頭后方刮板轉載點和運輸轉載點的全塵濃度降至約72 mg/m3，除塵效果顯著。

表1 應用降塵系統前后各測點全塵與呼塵濃度測量結果表

4 結 論

通過ANYSY軟件建立3202膠帶順槽掘進巷道模型研究該巷道內風流及粉塵的運移規律，模擬結果顯示距離掘進迎頭5 m范圍內粉塵濃度高達300 mg/m3，在壓入式通風方式下，含塵污風沿巷道稀釋排出緩慢，導致掘進巷道受污染時間長。在應用所設計的掘進迎頭高壓噴霧降塵系統和皮帶噴霧降塵系統后綜掘機司機處的呼塵濃度控制在38.5 mg/m3，降塵率高達80%，并且巷道內刮板轉載點和運輸轉載點的降塵率同樣高達80%，除塵效果顯著，可以滿足生產要求。