宏大煤礦綜掘工作面綜合防塵技術(shù)研究與應(yīng)用

周 勇 呂樹林

（1.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)宏遠(yuǎn)煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600；2.臨汾宏大礦業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

霍州煤電臨汾宏大公司宏大煤礦10-205 工作面為10-201 工作面的接替工作面，位于井田二采區(qū)西北部，東為實(shí)煤區(qū)，西鄰井田邊界三角實(shí)煤區(qū)，南為二采區(qū)西軌道大巷，北部鄰近井田邊界保護(hù)煤柱。綜采工作面平均可采走向長度665 m，可采傾向長度193 m，所采9+10#煤層位于太原組下段。根據(jù)10-205 工作面兩順槽揭露，煤層厚3.8～4.6 m，平均4.2 m，9+10#煤層瓦斯絕對涌出量2.99 m3/min，為低瓦斯礦井。10-205 工作面采用“U”形通風(fēng)方式，回采系統(tǒng)由進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、開切眼組成，回采巷道采用綜掘機(jī)進(jìn)行施工，單巷掘進(jìn)，采用混合式通風(fēng)方式。為有效降低綜掘工作面粉塵濃度，以10-205 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)施工為背景進(jìn)行相關(guān)研究與應(yīng)用。

2 建立數(shù)值模型

宏大煤礦9+10#煤層采掘巷道掘進(jìn)時(shí)采用單巷掘進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)型號EBZ260，采用長壓短抽通風(fēng)方式，掘進(jìn)頭主要設(shè)備有橋式輸送機(jī)、帶式轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)、壓風(fēng)筒、抽風(fēng)筒。為改善除塵效果，參照國內(nèi)類似地質(zhì)條件下掘進(jìn)工作面降塵技術(shù)[1-2]，設(shè)計(jì)增加濕式除塵器、附壁風(fēng)筒設(shè)備，采用Solidworks 建立相關(guān)的幾何模型。以10-205 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面為背景，掘進(jìn)巷道簡化為寬、高均為5 m 的半圓拱形斷面，長度30 m；掘進(jìn)機(jī)機(jī)身簡化為寬、高均為3 m、長為12 m 的簡易模型；截割頭簡化為直徑1.0 m、長1.1 m 的圓臺。附壁風(fēng)筒距迎頭25 m，徑向出風(fēng)條隙寬為50 mm，長度為壓風(fēng)筒周長的六分之一，間距為100 mm，朝向掘進(jìn)巷道內(nèi)側(cè)。濕式除塵器、帶式轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)等設(shè)備也一一進(jìn)行簡化。得到掘進(jìn)工作面幾何模型如圖1（a）所示。導(dǎo)入ANSYS ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到圖1（b）所示網(wǎng)格模型。

圖1 掘進(jìn)工作面模型示意圖

3 長壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)數(shù)值模型

3.1 外噴霧壓力優(yōu)化研究

結(jié)合宏大煤礦以往掘進(jìn)工作面工程實(shí)踐，確定以下初始參數(shù)：壓風(fēng)筒直徑1.0 m，出風(fēng)口距巷道底板3.0 m，距巷幫0.7 m，距迎頭15 m，出風(fēng)量為550 m3/min；抽風(fēng)筒直徑1.0 m，距離巷道底板2.5 m，距離巷幫1.0 m，距迎頭5.0 m，抽風(fēng)量400 m3/min；外噴霧系統(tǒng)安裝在距截割面2.3 m 的噴霧架上，共4 個(gè)噴嘴，以截割頭懸臂軸為軸心均勻分布，外噴霧壓力為3 MPa。網(wǎng)格模型劃分完成后，使用Fluent 軟件完成氣體進(jìn)出口的設(shè)定，在CFDPOST 軟件中導(dǎo)入截割面產(chǎn)生的粉塵顆粒數(shù)據(jù)，最終得到掘進(jìn)工作面風(fēng)流場-粉塵場-霧滴場分布特征。掘進(jìn)機(jī)外噴霧系統(tǒng)對抑制塵源的產(chǎn)塵量具有關(guān)鍵作用，外噴霧系統(tǒng)的噴霧壓力對降塵效果影響最為顯著，因此對不同噴霧壓力條件下掘進(jìn)工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行模擬分析，選取噴霧壓力分別為3 MPa、5 MPa、8 MPa、10 MPa。掘進(jìn)司機(jī)處粉塵濃度是重要研究對象，因此以掘進(jìn)司機(jī)處粉塵濃度作為考量降塵效果的依據(jù)。該測點(diǎn)距迎頭9 m，距巷道底板1.6 m，距掘進(jìn)機(jī)一側(cè)煤壁0.5 m，經(jīng)過處理后得到不同噴霧壓力條件下60 s 內(nèi)掘進(jìn)司機(jī)處粉塵濃度瞬態(tài)變化曲線如圖2。

圖2 不同噴霧壓力條件下司機(jī)處粉塵濃度

由圖2 可以看出，粉塵整體的運(yùn)移規(guī)律相似，開始15 s 后粉塵彌散至測塵點(diǎn)，粉塵濃度達(dá)到峰值，之后粉塵濃度呈波動(dòng)下降趨勢。對比分析4 種噴霧壓力下司機(jī)處粉塵濃度變化規(guī)律，噴霧壓力為3 MPa 時(shí)，雖然司機(jī)處粉塵濃度峰值較小，但是其下降非常緩慢，60 s 時(shí)粉塵濃度僅下降38%，表明此時(shí)噴霧壓力較小，捕捉粉塵的能力不足，降塵效果較差；噴霧壓力為5 MPa 時(shí)，司機(jī)處粉塵濃度峰值較小，且約在50 s 之后粉塵濃度基本降至零，降塵效果良好；當(dāng)噴霧壓力為8 MPa、10 MPa 時(shí)，司機(jī)處粉塵的離散相濃度維持在較高值，表明此時(shí)噴霧速度過高，與截割面碰撞后部分霧滴將攜帶粉塵運(yùn)移至巷道后方，不利于捕塵、降塵。總體而言，當(dāng)外噴霧壓力為5 MPa 時(shí)會取得良好的抑塵效果。

3.2 長壓短抽式除塵系統(tǒng)參數(shù)研究

為探究長壓短抽除塵系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對除塵效果的影響，采用上述模型進(jìn)行研究。首先進(jìn)行壓風(fēng)筒出風(fēng)口位置的優(yōu)化分析，抽風(fēng)口與迎頭距離Lx=5 m，壓風(fēng)筒出風(fēng)口與迎頭距離Ly分別為10 m、12 m、15 m、17 m、19 m、21 m，掘進(jìn)機(jī)外噴霧系統(tǒng)壓力為5 MPa，模擬研究得到司機(jī)處粉塵濃度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖3。

由圖3 可以看出，不同壓風(fēng)距離條件下，司機(jī)處粉塵濃度總體變化規(guī)律相似，45～55 s 期間第一次最高峰值，之后每間隔一段時(shí)間出現(xiàn)一次峰值，呈波動(dòng)起伏下降趨勢，主要差異為第一次達(dá)到峰值的時(shí)間、峰值的大小、后續(xù)峰值的頻率。司機(jī)處整體粉塵濃度隨Ly的增大呈升高-降低-升高。總體而言，壓風(fēng)筒出風(fēng)口距迎頭19 m 時(shí)，司機(jī)處粉塵濃度最高峰值較小，之后粉塵濃度降低明顯，總體濃度最低，表明此時(shí)能起到較好的抑塵效果。采用上述方式對抽風(fēng)筒位置進(jìn)行優(yōu)化分析，得到抽風(fēng)口距迎頭最佳距離為5.0 m。

圖3 不同壓風(fēng)長度條件下司機(jī)處粉塵濃度

3.3 附壁式風(fēng)筒參數(shù)優(yōu)化研究

附壁風(fēng)筒位置對掘進(jìn)工作面除塵效果同樣存在顯著影響[3-4]。當(dāng)壓風(fēng)筒距迎頭19 m，抽風(fēng)筒距迎頭5 m，外噴霧壓力5 MPa，僅改變附壁風(fēng)筒的位置參數(shù)Lz，附壁風(fēng)筒中部距迎頭為23～28 m，每1.0 m 為一個(gè)梯度，同樣整理得到掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處粉塵濃度的瞬態(tài)曲線。通過數(shù)據(jù)確定，當(dāng)附壁風(fēng)筒距迎頭25 m 時(shí)，抑塵效果最佳。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

4.1 抽出式除塵機(jī)應(yīng)用效果分析

宏大煤礦10-205 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間采用掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧+長壓短抽+附壁風(fēng)筒聯(lián)合除塵技術(shù)，抽風(fēng)筒配備HCN400/1 型號濕式除塵器，相關(guān)參數(shù)參照上文研究成果，采用GCD1000 型粉塵濃度傳感器測量粉塵濃度。首先通過對比分析抽風(fēng)機(jī)+除塵機(jī)關(guān)閉前后工作面粉塵濃度，驗(yàn)證長壓短抽除塵系統(tǒng)的效果。測點(diǎn)布置在巷道回風(fēng)側(cè)綜掘機(jī)后0 m、15 m、30 m 處，其中除塵效率為抽風(fēng)機(jī)開啟前后測點(diǎn)位置粉塵的差值百分比，整理得到結(jié)果如圖4。

圖4 抽出式除塵機(jī)開啟前后粉塵濃度對比

由圖4 可以看出，抽風(fēng)機(jī)開啟前，掘進(jìn)機(jī)后0～30 m 粉塵濃度為155～415.1 mg/m3，整體粉塵濃度較高，遠(yuǎn)高于《煤礦安全規(guī)程》中的粉塵濃度規(guī)定。除塵器開啟后，三個(gè)測點(diǎn)的除塵效率均大于90%。

4.2 全塵及呼塵測量對比結(jié)果分析

為進(jìn)一步探查降塵效果，監(jiān)測抽風(fēng)筒吸風(fēng)口、司機(jī)、綜掘機(jī)轉(zhuǎn)載處、除塵機(jī)出風(fēng)口后20 m 及距迎頭50 m 風(fēng)流處全塵和呼吸性粉塵的濃度，計(jì)算各處的降塵效率，整理得到結(jié)果如圖5。可以看出，掘進(jìn)工作面粉塵中呼吸性粉塵的占比較高，除塵機(jī)吸風(fēng)口處全塵除塵率達(dá)到98.41%，呼塵除塵率達(dá)到97.12%，說明吸風(fēng)口可有效捕捉粉塵，長壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。掘進(jìn)司機(jī)及其余各測點(diǎn)全塵及呼吸性粉塵降塵率均在90%以上，司機(jī)處、綜掘機(jī)轉(zhuǎn)載處、除塵機(jī)出風(fēng)口后20 m 及巷道風(fēng)流中粉塵濃度均維持在較低水平，除塵效果良好。

圖5 全塵與呼塵濃度對比圖

5 結(jié)論與建議

宏大煤礦掘進(jìn)工作面采用內(nèi)外噴霧+長壓短抽+附壁風(fēng)筒聯(lián)合降塵技術(shù)，以10-205 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)為背景，通過數(shù)值模擬研究分析對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到外噴霧系統(tǒng)最佳水壓為5 MPa，壓風(fēng)筒距截割面最佳距離為19 m，除塵機(jī)吸風(fēng)口距截割面最佳距離為5 m，附壁風(fēng)筒距截割面最佳距離為25 m。10-205 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，掘進(jìn)工作面各處除塵效率均保持在90%以上，作業(yè)區(qū)域全塵和呼塵濃度整體保持在較低水平，除塵效果顯著。