三交河2-511工作面粉塵分布規律分析及噴霧降塵技術研究

張建華

(霍州煤電集團 三交河煤礦，山西 洪洞 041600)

1 工程概況

霍州煤電集團三交河煤礦2-511工作面井下位于五采區，工作面開采2號煤層，煤層平均厚度為4.2 m，平均傾角9°，頂板巖層為砂質泥巖和中砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖。工作面采用大采高一次采全高采煤工藝，通風方式采用“U”型通風，全部垮落法管理頂板。根據礦井地質資料可知，2號煤層煤塵具有爆炸性，2-511工作面回采期間，工作面區域粉塵濃度最大值約為300 mg/m3，遠高于規定的限制，故現為優化回采作業環境，特進行工作面降塵方案的設計與研究。

2 工作面粉塵分布規律

為充分掌握2-511工作面粉塵分布規律，現采用CFD軟件進行數值模擬分析，根據工作面地質條件，將工作面形狀視為長方體，并在工作面內部設置采煤機、運輸機和液壓支架，建立數值模型長×寬×高=80 m×4.7 m×3 m。為方便研究分析，模型中將采煤機外形簡化為長方形，采煤機滾筒和搖臂簡化為與實際外形相近的規則幾何形狀，設置運輸巷道為進風口，回風巷道為出風口，并將采煤機布置于進風側20 m的位置處，分別進行工作面順風割煤和逆風割煤時的粉塵分布規律分析，具體模型中采煤機割煤時模型如圖1所示。

圖1 采煤機割煤作業數值模型示意

根據數值模擬結果，為研究工作面回采作業時采煤機附近區域粉塵濃度分布規律，特在x方向上截取不同的斷面圖進行對比分析，結合工作面特征，確定選取x=-7 m(采煤機前滾筒前端)、x=-5 m(前滾筒搖臂處)、x=6 m(采煤機后滾筒搖臂處)、x=8 m(采煤機后滾筒后部)，具體采煤機不同區域粉塵濃度分布云圖如圖2所示。

圖2 采煤機x方向上不同區域粉塵分布云圖

分析圖2可知，在采煤機回采作業的進行下，由于采煤在上風側滾筒處產生的粉塵主要的擴散區域為采煤機滾筒后方搖臂處，通過x=-5 m處的粉塵濃度云圖切片能夠看出，在采煤機滾筒后方的大部分區域粉塵濃度均已經超過500 mg/m3；通過x=8 m處的切片可知，采煤機下風側滾筒位置處產生的粉塵主要向人行道方向擴散，在人行道附近區域粉塵濃度超過500 mg/m3的地方超過1/3。

為進一步反映采煤機割煤作業時在平行煤壁不同截面的粉塵濃度變化規律，分別進行z=-0.2 m、-0.4 m、-0.6 m、-0.8 m和z=0.0 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m斷面的粉塵濃度的云圖切片，具體粉塵分布云圖如圖3所示。

圖3 平行煤壁方向粉塵濃度分布云圖

分析圖3可知，在工作面上風側采煤機滾筒區域粉塵濃度較高，粉塵濃度基本均在600～1 000 mg/m3的范圍內，工作面下風側采煤機滾筒區域在上風側產塵源的影響下，粉塵濃度明顯高于上風側滾筒區域；另外從圖中能夠看出，隨著與煤壁距離的增大，粉塵濃度呈現出逐漸下降的趨勢，其中在z=0.6 m的位置處，粉塵濃度局部區域已下降，但采煤機前滾筒后方仍為粉塵濃度較高的區域。基于上述分析可知，采煤機滾筒附近區域粉塵濃度基本在1 000 mg/m3以上，距離采煤機滾筒較近的區域粉塵濃度基本在600 mg/m3。為分析工作面回采期間，粉塵對作業人員的影響程度，通過截取y=1.5 m高度的截面，定位出呼吸帶的高度，具體其粉塵濃度分布云圖如圖4所示。

圖4 呼吸帶高度粉塵濃度分布云圖

分析圖4可知，由于采煤機割煤作業時產生的粉塵濃度較高，進而致使較多的粉塵擴散至周邊區域，采煤機附近區域粉塵濃度為300 mg/m3的區域擴散至液壓支架的位置處；另外由于風流下側在滾筒的阻擋下，風流場出現繞流現象，粉塵不易擴散開，進而出現采煤機機身一半濃度為200 mg/m3，另一半濃度為500 mg/m3的現象。

綜合上述分析可知，2-511工作面回采期間，工作面粉塵濃度較高的區域主要集中在采煤機區域及采煤機下風側10 m的范圍內，另外下風側采煤機滾筒處的粉塵濃度高于上風側滾筒處的粉塵濃度。因此在工作面進行降塵時，需將采煤機及采煤機下方側10 m的區域作為降塵的重點區域。

3 噴霧降塵方案及效果

3.1 噴霧降塵方案

根據2-511工作面回采條件，結合工作面粉塵濃度分布規律的分析結果，現為確保噴霧降塵方案實現抑制采煤機滾筒區域的產塵量、實現降低采煤機滾筒前方的粉塵濃度的目的，確定在采煤機上采用高速水射流噴霧降塵技術[1-2]，具體方案中的各項參數如下：

1) 噴霧裝置吸風量的確定：由于采煤機割煤作業時，滾筒旋轉葉片的存在會使粉塵在外力作用下向外部擴散，為有效控制粉塵的擴散，根據下述公式進行滾筒的排風量[3-4]計算：

(1)

式中：Q為采煤機滾筒的排風量；R1為滾筒葉片的半徑；R2為滾筒輪轂半徑；b為葉片螺旋條數；L為葉片之間的螺距；υ為采煤機的運行速度；δ為葉片的厚度；β為葉片的平均升角度；B為滾筒的截深；D為滾筒的尖齒直徑。

根據工作面地質資料及采煤機參數計算得出Q=36.7 m3/min，考慮到高速水射流噴霧降塵裝置產生的負壓區對滾筒產生的渦流風流場的控制性較弱，故考慮2.0的富裕系數，設置噴霧裝置吸風量為80 m3/min。

2) 噴嘴個數與方向：為盡量確保噴霧降塵裝置實現對采煤機滾筒區域完全阻擋塵源擴散的目的[5-6]，在考慮到用水合理性和噴霧墻形成有效性的基礎上，確定在采煤機上布置2個噴霧裝置，每個噴霧裝置上設置5個噴嘴，共計設置10個噴嘴；每個噴霧裝置上4個噴嘴平行煤壁設置，1個噴嘴噴向刮板輸送機與煤塊撞擊區域，設置噴嘴內徑為100 mm、噴管長度為300 mm，設計噴管內噴出的水霧錐角約40°的扇形形狀，確保5個噴嘴的水霧墻可完全覆蓋產塵源，本次水射流水霧可形成的屏障如圖5所示。

圖5 采煤機噴霧裝置霧化屏障效果

3) 噴霧箱體設計：為方便噴霧降塵裝置的設置，控制噴霧箱體0.1 m3，噴霧箱體的尺寸為長×寬×高=0.4 m×0.3 m×0.7 m，為避免工作面回采過程中出現剮蹭和碰撞，設置除塵器具有連接耳座，確保除塵器可以翻轉，以實現防頂、防砸和調角的功能，具體箱體外觀形狀如圖6所示。

圖6 箱體外形示意

3.2 效果分析

為有效分析工作面高速水射流噴霧降塵效果，分別在工作面采用噴霧降塵裝置前后不同位置處全塵和呼塵濃度分布，工作面測塵位置布置在進風巷、采煤機司機處、割煤處、移架處、多工序交叉處、前部刮板機處、破碎機處、轉載點處和回風巷處，共計布置9個測塵點，具體噴霧降塵方案實施前后全塵和呼塵濃度曲線如圖7所示。

圖7 工作面噴霧降塵方案實施前后粉塵濃度曲線

分析圖7可知，高速水射流噴霧降塵技術實施后，工作面各區域全塵和呼塵濃度均大幅下降，其中采煤機附近區域的降塵率可達到60%～80%。另外從圖中能夠看出,全塵的降塵率大于呼塵。噴霧降塵裝置實施后，在很大程度上抑制了滾筒處的揚塵，且滾筒前方粉塵濃度也明顯降低。據此可知,噴霧降塵裝置有效降低了采煤作業時的產塵和揚塵。

4 結 語

根據2-511工作面的地質條件和開采特征，通過數值模擬進行工作面粉塵分布規律的分析，得出工作面粉塵濃度較高的區域，確定采煤機區域及采煤機下方側10 m的區域作為降塵的重點區域，并進行高速水射流噴霧降塵技術方案的設計，根據噴霧實施后的降塵效果分析可知，噴霧降塵效果顯著，有效優化了回采作業環境。