綜掘工作面通風除塵合理壓抽比實踐與試驗研究

文偉杰，李 寧

(1.山西蘭花科技創業股份有限公司, 山西 晉城 048000; 2.山西蘭花同寶煤業有限公司, 山西 晉城 048000)

煤礦井下掘進開采工作時，綜掘工作面產塵量大。巷道掘進機械化程度的提高，大功率高效掘進機、運輸轉載機和局部通風裝置的推廣使用，增大了綜掘巷道內的產塵源和產塵量，增加了空氣中的粉塵濃度。我國大多數煤礦的煤塵都具有爆炸性，粉塵能降低作業場所的能見度，增加事故發生率。同時，粉塵會誘發肺塵病，影響工人健康。因此，對煤礦綜掘工作面采取有效的粉塵防治技術，是生產實際的客觀要求，也是社會進步的必然趨勢。

1 綜掘工作面粉塵分布規律的現場實測

1.1 工程背景

實際生產過程中，綜掘工作面現場環境復雜，因此還需考慮現場實際情況。首先對現場壓入式通風系統粉塵分布規律進行分析，以山西某礦為工程背景，礦井通風方式為兩翼對角分區通風，采取抽出式通風方法，主要的進回風井分別有6個、4個，礦井的總進風量為27 316 m3/min，總回風量為27 618 m3/min，選擇FBDY-NO6.3(2×30 kW)型對旋式風機局部通風，該風機的啟動Ⅰ級吸入風量為320～350 m3/min，采用d800 mm強力膠質風筒，壓入式供風。該礦地面副斜井口有容積為2×500 m3的防塵水池，井下所有工作面及巷道均安設了完善的防塵管路和綜合防塵設施。

1.2 粉塵分布規律

在綜掘巷道布置1#—7#共7個風速測試斷面。其中,1#、2#、3#斷面在工作面附近,1#風速測試斷面位于掘進機司機處(壓入式風筒口后方2 m)，風筒口距掘進頭9 m. 4#和5#斷面稍遠，以4 m間距布置，5#斷面在巷道轉載點處；6#和7#斷面遠離工作面。為研究風速沿程分布，分別以與前斷面距離6 m和10 m位置布置。由于遠離風筒側為現場主要工作區域，所以測定了該側的呼吸性粉塵濃度(測點4、5、6)，研究比較不同高度下全塵和呼塵濃度的沿程分布，呼吸帶高度還需比較巷道中央呼吸性粉塵濃度(測點7). 采用CCD1000-FB便攜式微電腦粉塵儀，調整靈敏度，設定相關系數K=0.646，測定全塵濃度；調整相關系數K=0.313，測定遠離風筒側呼吸性粉塵濃度。測得的粉塵濃度見表1.

由表1可知，粉塵濃度大體隨沿程距離的增加而減少，在轉載點處有明顯回升，在距掘進頭15 m的范圍內，粉塵濃度最高。由于大顆粒粉塵先沉降，因此巷道中上部的粉塵濃度較高，之后會有波動，但最終小顆粒粉塵漂浮在空氣中，使得巷道粉塵濃度穩定在50 mg/m3以下。此外，對遠離風筒側和巷道中央全塵和呼吸性粉塵的濃度變化規律也進行了探討，全塵濃度變化大，呼塵濃度變化相對平緩，且只在呼吸帶高度二者變化規律相近。

表1 綜掘工作面粉塵濃度測定記錄表

2 長壓短抽式通風除塵系統的試驗

為了進一步研究風流和粉塵的運動規律，實現現場良好工作環境的目的，需要根據相似理論進行相似模擬實驗研究。改變通風方式及參數，研究兩種通風除塵系統下的流場和粉塵濃度場的分布情況，得到最優的通風除塵方案。長壓短抽式通風除塵系統中的關鍵參數是壓抽比。實驗中壓抽風筒直徑均為0.4 m，可通過調整風閥改變風速來實現壓抽比的變化。由于實際電力限制了抽出式風機的功率，抽出式風筒口的最大風速僅能達到5.5 m/s左右，變化范圍受限。因此，為了合理調節壓抽比參數，在試驗過程中保持吸風風速穩定在5.5 m/s，通過改變壓風風速，完成壓風和吸風風速的不同配比。該實驗分別取壓抽比值為0.7、1.0、1.3、1.5. 需要指出的是，實際中壓抽比不能取1，實驗中取1是為了給其他壓抽比作參考，分析不同壓抽比下粉塵的運移情況及濃度分布，最終確定此相似系統下合理的壓抽比值。

2.1 測點布置

為了與壓入式通風除塵對比，長壓短抽式通風除塵相似實驗系統也采取同樣的測試斷面和斷面測點布置，測點布置在壓風側、吸風側和模型中央，見圖1.根據相似模擬實驗裝置的尺寸，結合壓入式通風流場理論基礎，在相似實驗模型內部選取1#～6#共6個待測斷面，每個全斷面上布置3×3共9個測點，靠近風筒側、遠離風筒側、模型中央分別均有3個測點，見圖2.

圖1 測試斷面布置圖

圖2 系統斷面測點布置圖

2.2 風速測定及流場分析

按照布置的斷面及測點，采用JFY-4通風多參數測定儀進行風速測定。為獲取不同的壓抽比，只需調節壓風風閥，測定壓入風筒口風速，并與抽出風筒口風速對比，即可得到不同壓抽比情況下的風速值。改變通風方式之后，分析在壓風風量不變的情況下，增加抽出風量后整個實驗巷道流場的變化，即研究壓抽比為1.3時的模型巷道流場。此時，調節壓風風速與壓入式通風風速相同為7.15 m/s，抽出風速保持為5.5 m/s.

不同通風方式下巷道流場的試驗數據見表2,圖3，由此可得分布規律：

表2 壓抽比為1.3 時的風速測定記錄表

圖3 壓抽比為1.3時長壓短抽式通風相似模擬巷道流場變化圖

1) 吸風側在距工作面1 m處風速最高，這是因為靠近抽出風筒的緣故。隨后各高度風速均下降，在3 m處1 m高度風速回升較大，風速在高度方向大體呈1 m>1.5 m>0.5 m的變化規律。模型中央風速變化較為復雜，由于風流大部分被抽出風筒抽走，使得在2 m處1 m高度以上風流存在較少，被頂板阻擾而向下運動的風流則回流至模型中央底部并持續向遠處運動，即2～3 m處0.5 m高度風速較大，隨后在5～10 m位置風速減小，不及高度大于1 m的風速值。相對而言，壓風側風速無明顯變化，只在2 m處受壓風射流影響，1 m和1.5 m高度風速值較高，隨后隨沿程減小，最終穩定在0.3 m/s左右。

2) 0.5 m高度，吸風風速沿程減小，模型中央風速先增后減，壓風風速先減后增，在2～5 m的主要變化范圍內，風速呈模型中央>吸風側>壓風側的變化規律，隨后風流向兩幫擴散，最后兩幫風速比中央高。1 m高度，吸風側和模型中央的風速沿程變化規律相似，均呈先降后升再降的規律，且吸風側風速高。1.5 m高度，除壓風側2 m處風流射流風速較大，其他變化均不明顯，特別是吸風側和模型中央，在距工作面3 m后，風速基本無大的變化。

3) 比較長壓短抽式通風和壓入式通風，風速顯然均是隨著沿程減小的，長壓短抽的風速變化相對更集中在距工作面5 m之前，壓入式通風的變化范圍更廣泛，一般也均呈現吸風側(遠離風筒側)>模型中央>壓風側(靠近風筒側)的風速變化規律。主要區別在于2～5 m位置，長壓短抽的風速和壓入風速的變化基本是相反的，這是因為抽出風筒的存在減弱了壓風射流的影響范圍，風流回流和渦流的程度以及位置發生了改變。

在距底板1.5 m高度水平不同壓軸比情況下的風速沿程分布見圖4.

圖4 不同壓抽比情況下1.5 m高度風速沿程分布圖

分析圖4可知：

1) 在吸風側，4種壓抽比情況下風速變化相近，均在1～2 m處風速急劇減小，隨后平緩變化，風速最終均穩定在0.4 m/s以下。

2) 在模型中央，壓抽比為0.7、1.3和1.5時風速變化情況相似，壓抽比為1.3時在3 m處存在風速回升的狀況，壓抽比為1時風速沿程減小無明顯變化，壓抽比為1和1.3時的風速最終均穩定在0.4 m/s以下，而壓抽比為1.5時的風速則穩定在0.45 m/s.

3) 在壓風側，4種壓抽比情況下風速變化相似。

2.3 粉塵濃度測定及分析

為了得到合理的壓抽比參數，使得巷道內粉塵濃度得到最合適的控制和處理，需要對比不同壓抽比情況下的粉塵濃度分布。對模型巷道每一個待測高度，粉塵在壓吸風側及巷道中央的濃度值進行比較分析。不同壓抽比情況下0.5 m高度粉塵濃度沿程分布圖見圖5，在距底板0.5 m高度水平有如下規律：

1) 在吸風側，距工作面3 m前，壓抽比為0.7和1時的粉塵濃度較高，說明粉塵沉降較多，隨后前者粉塵濃度快速降低趨于平緩，后者卻一直蔓延至整個巷道，濃度值最高。壓抽比為1和1.3時的粉塵濃度變化相近，后者濃度值更大。

2) 在模型中央，壓抽比為0.7時的粉塵濃度無大的變化，壓抽比為1.3和1.5時的粉塵濃度波動較大，特別在3 m處，濃度值后者遠高于前者，壓抽比為1的粉塵濃度相對波動不大，但在距工作面前5 m，其濃度值比壓抽比為1.3時的要大。

3) 在壓風側，壓抽比為1.3和1.5時的粉塵濃度依舊變化明顯，且后者值更大，但據總的粉塵濃度值來看，除壓抽比為1.5之外，其他3種壓抽比情況下粉塵濃度均在20 mg/m3及以下。

3 結 論

在長壓短抽式通風除塵系統中，研究了壓風風速與壓入式通風風速相同情況下的流場和粉塵濃度場。得到了如下幾點結論：

1) 長壓短抽式通風方式下的風速變化更集中，壓入通風變化更持續，得到了吸風側>模型中央>壓風側的一般風速變化規律，由于抽出風筒的原因，二者風速主要相差區域在于距工作面2～5 m的地方，長壓短抽式通風除塵效果更好。

2) 壓抽比為1時巷道內風速較小，壓抽比為0.7和1.3時，風速變化類似，壓抽比為1.5時風速波動也最明顯，而高度越高壓抽比對風速的變化影響越小，確定了粉塵濃度在壓抽比為0.7時得到了最好地控制，整體維持在較低水平。