綜采面雙機載除塵器協同作用對風流粉塵凈化效果分析

焦婉瑩,韓東洋,梁成文

(1.西安航空職業技術學院,陜西 西安 710089; 2.陜西陜煤曹家灘礦業有限公司,陜西 榆林 719001;3.山西華陽集團新能股份有限公司 煤層氣開發利用分公司,山西 陽泉 045008)

近年來,隨著機械工業的不斷發展,煤礦開采設備的自動化能力不斷增強,礦井生產能力也隨之不斷提升[1-3],工作面粉塵污染越來越嚴重。與此同時,隨著煤礦智能化不斷升級,設備智能化運行、圖像高精度傳送、信息在線實時監測等工作對礦井環境的要求越來越嚴苛[4]。礦井綜采工作面高濃度粉塵的存在一定程度上阻礙了煤礦智能化發展。此外,由于高濃度粉塵會導致工人患塵肺病、矽肺病等職業病,也與近年來推行的“健康中國”偏離[5-6]。因此,必須采取積極有效措施來防治礦井粉塵污染,以保障工人身心健康和煤礦安全生產,助推煤礦智能化發展。

綜采工作面作為礦井粉塵污染最為嚴重的場所,一直是粉塵治理工作的重點研究對象。綜采工作面粉塵主要來源為采煤機滾筒割煤產塵、液壓支架降柱移架產塵、進風風流攜帶粉塵、煤層垮落產塵、破碎滾筒產塵等,其中采煤機滾筒割煤產塵占綜采工作面產塵量的70%～80%,粉塵濃度超國家有關管理標準幾十倍甚至幾百倍[7-9]。由于采煤機滾筒實時移動,使得綜采工作面塵源點不斷變化,同時工作面風速較大,極易造成粉塵擴散。另外,通過現場實地觀測發現,風流受采煤機阻擋后,風流流場發生變化,局部最高風速可達到進風風速的3～4倍。此部分高速風流主要為橫向擴散,即向人行側擴散,會攜帶大量粉塵,污染人行側[10-11]。目前針對采煤機滾筒割煤粉塵的主要治理措施是噴霧降塵,但是由于井下供水流量、壓力限制,噴嘴霧化效果不佳等原因,噴霧降塵效率僅能達到65.00%左右。伴隨著采煤工作面智能化建設,生產設備及工作面內安裝了大量傳感器、視頻監控等電子監控設備,使得工作面使用噴霧降塵效果受到限制,而通風除塵技術則可以避開上述問題,但通風除塵技術僅在綜掘工作面應用較多,在綜采工作面的研究應用較少。“十三五”以來,中煤科工集團重慶研究院和山東科技大學對綜采工作面采煤機通風除塵技術及裝備進行研究,取得了一些基礎成果[12-14],但仍與國家綠色礦山發展需求存在差距。

筆者以陜煤曹家灘煤礦122109綜采工作面為工程背景,在詳細分析該工作面風流—粉塵運移分布規律的基礎上,采用數值模擬及現場試驗的方法研究新型采煤機通風除塵技術,為開展采煤機滾筒割煤粉塵治理研究提供技術支撐。

1 工程概況

曹家灘煤礦122109綜采工作面位于12盤區2-2煤開拓大巷的西側,開采煤層為2-2煤。工作面長260 m,推進長度約6 004 m,2-2煤層厚度11.55～12.03 m,平均厚11.80 m,煤層傾角0.4°,平均埋深318 m。工作面采用走向長壁后退式采煤法,綜采放頂煤采煤工藝開采,全部垮落法管理頂板,設計采高5.8 m,放煤高度6.0 m。采取“一刀一放”,放煤步距為0.865 m,工作面風量為2 400 m3/min(風速1.2 m/s)。122109綜采工作面共有130臺液壓支架,其中ZFY21000/34/63D基本支架119架;中間過渡支架ZFYG21000/34/63D(A)機頭1架、ZFYG21000/34/63D(B)機尾1架,共2架;端頭過渡支架ZFG22000/30/50D(A)機頭3架、ZFG22000/30/50D(B)機尾4架,共7架;機頭端頭液壓支架ZYT21000/28/50D共2架。

2 數值計算模型

2.1 數學模型

綜采工作面風流流動屬于連續相,氣體流動可被視為湍流流動。綜采工作面氣流的湍流流動可以用κ-ε模型求解[15-16]。

κ方程:

Gb-ρε-YM+Sκ

(1)

Gκ=μtS2

(2)

(3)

(4)

ε方程:

(5)

(6)

(7)

式中:t為時間,s;ρ為氣流密度,kg/m3;κ為紊流動能,J;i、j為張量的指標符號,其取值分別為1、2、3;xi、xj為微元點的坐標位置,m;ui為速度在x方向上的分量,m/s;uj為速度在y方向上的分量,m/s;μ為層流中的黏性系數,Pa·s;μt為湍流中的黏性系數,Pa·s;σκ為模型常量,取1.00;Gκ為由層流速度梯度而產生的湍流動能,J;Gb為由浮力產生的湍流動能,J;ε為耗散率,%;YM為可壓縮湍流中,過度的擴散產生的波動,取0;Sκ、S、Sij、Sε、η為自定義參數;σε為模型常量,取1.20;C1、C2、C1ε、C3ε為模型常量,分別取1.5、1.92、1.44、1.32。

利用歐拉-拉格朗日模型描述氣相流場,采用SIMPLE算法計算連續相的流場速度等參數,求解過程如圖1所示[17]。

圖1 求解過程示意圖

2.2 技術原理

雙機載除塵器協同除塵技術原理如圖2所示。

圖2 雙機載除塵器協同工作原理圖

通過對常規濕式除塵器進行改造,使其更好地與采煤機配合,更易于安裝。工作時,機載1#除塵器利用自身的負壓作用抽吸凈化采煤機上風側滾筒割煤產生的粉塵,1#除塵器出風口噴霧對逃逸的粉塵進行二次捕獲,同時其出風口射流還可以形成1道風幕屏障,阻擋粉塵向人行區域擴散;針對上風側滾筒割煤產生的沿煤壁一側運移的粉塵無法被機載1#除塵器捕集凈化的問題,在采煤機下風側機身端面附近布置機載2#除塵器,其吸塵口斜面向煤壁,可以及時抽吸凈化上風側滾筒割煤擴散的粉塵,其出風口噴霧可以對下風側滾筒割煤產生的粉塵進行沉降,另外2#除塵器的出口射流也可以形成1道風幕屏障,可以有效阻擋粉塵向人行區域擴散。由此通過雙機載除塵器協同作用,實現對采煤機滾筒割煤粉塵的有效治理。

2.3 CFD模型的建立

綜采工作面采場空間由于設備布局復雜且設備處于不同位態,對空間內風流影響較大。為最大程度模擬現場風流分布、粉塵運移規律,根據設備對風流影響的大小程度,對采場內采煤機、液壓支架、擋煤板及刮板輸送機等進行適當簡化[18-20]:

1)采煤機機體、搖臂及滾筒為模型主要組成部分,對工作面風流流動、粉塵擴散起到明顯阻擋作用,在不改變其斷面面積、滾筒尺寸的情況下,將采煤機及部件簡化為規則的四面體。

2)采場空間內液壓支架結構對工作面風流影響較大,尤其是支架立柱、底座、頂梁及掩護梁對風流有阻擋作用,因此應根據液壓支架實際尺寸、結構形式及有效通風斷面進行建模,保證模型采場空間大小與現場實際一致。

3)2個機載除塵器都設計成異型,1#除塵器放置在采煤機上風側機身端面,2#除塵器放置在下風側機面,按現場實際尺寸及放置位置進行模型設計。

同時,采場空間內溫度、濕度相對穩定,因此可忽略溫濕度對風流速度分布的影響。根據空間實際尺寸建立模型,同時去除實體單元所占空間位置,只保留采場空間實際流場計算空間模型。數值計算模型如圖3所示。

圖3 數值計算模型

2.4 模型邊界條件

采用Workbench自帶mesh模塊進行多面體網格劃分。關于數值模擬的邊界條件,采場空間設置湍流模型為標準κ-ε雙方程模型,關閉能量方程,機載除塵器入口為速度入口,出口為速度出口。CFD模型基本參數如表1所示。

3 數值模擬結果分析

122109綜采工作面沿高度方向上y=1～6 m位置截面的原始粉塵質量濃度分布情況如圖4所示。

由圖4可知,采煤機滾筒割煤產生的粉塵在風流的作用下主要沿煤壁一側運動,另有部分粉塵向采煤機機身上方和人行側運動。工作面粉塵積聚主要發生在采煤機機身靠煤壁一側及底板附近(y=1 m),底板附近的高濃度粉塵在風流誘導下,會向擋煤板一側運動,當積聚到一定程度后,就會越過擋煤板污染人行區域。同時,采煤機下風側滾筒割煤產生的粉塵在風流作用下急劇向人行區域一側擴散。

根據122109綜采工作面粉塵分布現狀,提出在采煤機上、下風側機身端面附近各布置1臺除塵器,使用雙除塵器(風量200 m3/min)協同治理。治理后的工作面粉塵質量濃度分布情況如圖5所示。

圖5 使用雙除塵器時工作面粉塵質量濃度分布情況

由圖5可知,在雙除塵器協同治理作用下,工作面整體粉塵污染情況得到了較大的改善。對比原始情況(見圖4)如下:①底板附近的高濃度粉塵團范圍明顯減小,特別是下風側區域,這可能由于上風側1#除塵器處理凈化了來自上風側滾筒割煤及垮落的大部分粉塵,故向下風側擴散的粉塵減少;②在采煤機機身上部空間(y=4 m),2#除塵器處理凈化了上風側沿煤壁擴散過來的高濃度粉塵團,使下風側滾筒附近的高濃度粉塵云團明顯減少,同時,除塵器的負壓作用還抵消了一部分高速風流,使得采煤機下風側滾筒附近風速降低,這樣采煤機下風側滾筒割煤產生的粉塵擴散能力大大減弱,2#除塵器出口射流將人行區域和工作區分開,使得在采煤機機身下風側40 m后,人行區域幾乎無高濃度粉塵云團出現。因此,通過上述對使用雙機載除塵器前后工作面粉塵濃度分布情況對比發現,在雙機載除塵器協同作用下,工作面粉塵污染情況得到明顯改善。

提取采煤機機身附近(x=15～45 m)及支架內人行道空間內的人員呼吸帶高度(y=2.7 m,因模型中支架人行底板距離地面1.2 m)及煤壁(y=3.7 m)位置的粉塵質量濃度,定量分析雙機載除塵器的協同作用對采煤機附近區域粉塵濃度的影響,結果如圖6所示。

(a)對人行側影響

由圖6可知:雙機載除塵器的協同作用,同時降低了人行側和煤壁側粉塵濃度。如圖6(a)所示,在呼吸帶高度位置的人行側,粉塵質量濃度變化隨著與進風巷距離的增大而表現為先升高再降低趨勢,在采煤機下風側搖臂附近達到最高的15.300 mg/m3,使用除塵器后降低至0.177 mg/m3,降塵效率達到98.80%;如圖6(b)所示,在呼吸帶高度位置的煤壁一側,粉塵質量濃度呈現升高—降低—升高—降低的變化趨勢,在采煤機機身中部位置(x=22 m)粉塵質量濃度達到最高1 290.000 mg/m3,在除塵器的作用下,降低到789.000 mg/m3,降塵效率達到38.80%,在采煤機上滾筒附近(x=17 m)最大降塵效率達到51.20%。

綜上所述,雙機載除塵器的協同使用,對工作面粉塵特別是人行側粉塵起到了顯著的降塵作用,但在煤壁一側由于離塵源太近,除塵器處理風量有限,粉塵凈化效果不佳。

4 現場應用

為了驗證雙機載除塵器的效果,在曹家灘煤礦122109綜采工作面進行了現場應用,同時在采煤機上、下風側機身端面安裝了機載除塵器。測試使用雙機載除塵器前后,人行側和煤壁側的采煤機下風側司機處、下風側5～10 m呼吸帶高度位置總粉塵質量濃度,結果如表2所示。

表2 使用雙機載除塵器前后的除塵效果

由表2可以看出,雙機載除塵器的使用對工作面粉塵污染情況確實起到了明顯的改善作用,最大降塵效率達到93.94%,驗證了本方案的可行性。

5 結束語

1)數值模擬表明,曹家灘煤礦122109綜采工作面采煤機滾筒割煤粉塵在風流作用下主要沿煤壁一側擴散,另有部分粉塵向采煤機機身頂部上方及人行側擴散,該部分粉塵為治理重點。上風側滾筒割煤及垮落粉塵擴散到下風側底板附近的部分,存在跨越擋煤板擴散污染人行區域的風險。

2)模擬分析雙機載除塵器協同作用下的除塵效果發現:使用該技術后,綜采工作面粉塵污染現狀改善效果明顯,工作面粉塵積聚現象明顯減少,對人行側呼吸帶高度位置粉塵最大降塵效率達98.80%,采煤機上滾筒附近最大降塵效率達到51.20%。

3)在綜采工作面現場安裝使用雙機載除塵器后,人行側采煤機下風側司機處及5～10 m位置的降塵效率分別達到77.17%、93.94%;煤壁側采煤機下風側司機處及5～10 m位置的降塵效率分別達到52.39%、63.61%。

本次只對雙機載除塵器單一風量情況下的除塵效果進行了試驗分析,后續還將對雙機載除塵器在不同風量匹配下的除塵效果進行研究,探索最佳風量參數匹配條件下的雙除塵器協同治理效果。