薄煤層長壁工作面煤塵分布特征及其防治＊

張東升邱家軒范鋼偉任天祥劉士春

(1.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116;3.澳大利亞臥龍崗大學土木、采礦與環境工程學院,澳大利亞新南威爾士臥龍崗,2522)

薄煤層長壁工作面煤塵分布特征及其防治＊

張東升1,2邱家軒1,2范鋼偉1,2任天祥3劉士春2

(1.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116;3.澳大利亞臥龍崗大學土木、采礦與環境工程學院,澳大利亞新南威爾士臥龍崗,2522)

以小青礦W2-713刨煤機長壁工作面為試驗基地,采用CFD(Computational Fluid Dynamics,計算流體力學)數值模擬技術,分析出工作面不同位置風流速度分布特征,得出了薄煤層刨煤機長壁工作面的高速風流區和低速風流區的位置;模擬得出了刨煤機、移架、工作面轉載機、破碎機等不同產塵源的煤塵分布特征及其對井下環境的影響機理;通過對薄煤層刨煤機長壁工作面定向噴霧除塵的模擬分析,證明定向噴霧除塵系統不僅可以提高工作面整體降塵效果,還有利于消除工作面刨煤機附近高濃度瓦斯積聚。

薄煤層長壁工作面開采 刨煤機 CFD數值模擬 煤塵分布特征

薄煤層刨煤機長壁工作面推進速度快,產塵量大,而通風斷面小,工作面煤塵分布特征與普通長壁工作面具有明顯不同。研究煤塵特征是進行薄煤層刨煤機工作面煤塵防治的基礎。

針對鐵法集團小青礦W2-713刨煤機長壁工作面,利用先進的CFD(計算流體力學)數值模擬技術,研究刨煤機長壁工作面的產塵特點及工作面綜合防塵技術,為工作面安全高效生產創造良好的作業環境。

1 工作面概況

W2-713長壁工作面通風斷面小,平均僅有4.6～5.4 m2,工作面配風量1000～1150 m3/min,工作面風速達到3 m/s以上。工作面煤塵爆炸指數為 39.17%。煤層絕對瓦斯涌出量為46.58 m3/min,相對瓦斯涌出量為10.94 m3/t。

工作面走向長度1712 m,斜長225 m,煤層傾角4°,煤層厚度1.30 m;直接頂為中、粉砂巖互層,夾泥巖層,厚度一般在5 m左右,基本頂為粉砂巖、粗砂巖、砂礫巖為主的砂巖互層。工作面設備配套情況如表1所示。

表1 工作面設備配套情況

2 CFD模型的建立

刨煤機工作面粉塵來源主要有刨煤機、液壓支架、工作面轉載機、破碎機、工作面運輸巷帶式輸送機、刮板輸送機和煤壁落煤。由于工作面設備的復雜性,必須對主要設備如支架、刨煤機等幾何外形特征進行簡化處理,建立CFD幾何模型。圖1為工作面支架和刨煤機的簡化建模過程。

圖1 工作面支架和刨煤機的簡化建模過程

CFD模型的幾何特征見圖2。為了減少計算量,同時保證模型盡可能反映工作面產塵特點及粉塵分布情況,模型中工作面長度取80 m,工作面運輸巷道長度取50 m,工作面高度取2 m,見圖2(a)。模型計算中,連續相氣體流動的控制方程采用N-S方程,三維湍流的計算選用標準k-ε雙方程模型。長壁工作面粉塵污染主要以呼吸性粉塵為主,因此CFD模型主要以呼吸性粉塵為研究對象。對于呼吸性粉塵的流動特征,認為與一般氣體具有相似的空氣動力學特征。因此,模型中的粉塵,以氣態流處理,選用單相流動/離散相,它并不與連續相發生相互作用,不影響氣體流動規律。煤塵在連續相中的軌跡跟蹤采用顆粒隨機軌道模型。模型采用約80萬個三角形和四邊形混合網格單元,并對模型關鍵部分如刨煤機附近進行了網格單元細化。模型中進風巷道的邊界條件選擇為風速邊界,工作面煤壁、巷道壁等以標準墻處理,見圖2(b)。

圖2 W2-713刨煤機工作面CFD模型幾何特征

3 工作面風流速度與產塵研究

3.1 風流速度分布特征

圖3為工作面和工作面運輸巷道在距底板分別為0.5 m、1.0 m和1.5 m高度時風流速度分布特征。在工作面運輸巷道風流速度是比較均勻的,進入工作面后,由于支架的阻力,大部分風流沿工作面在支架立柱前和頂梁之間流動,在1.0 m高度左右風速最大,最高風速可達3 m/s以上,支架間和靠近頂板、頂梁風速降低。

圖3 工作面和工作面運輸巷道風流速度分布特征

為了研究工作面的風流速度分布,分別在刨煤機的左側、右側和刨煤機處作3個不同剖面。分析結果表明,高速風流區主要分布在支架立柱和煤壁之間;刨煤機后附近有明顯的低速區,有可能造成瓦斯和粉塵積聚。

3.2 工作面產塵分布特征

工作面產塵分布特征是工作面生產時各個設備運轉綜合作用的結果。通過研究刨煤機、液壓支架、工作面轉載機、破碎機、工作面運輸巷道帶式輸送機、刮板輸送機和煤壁落煤產塵特點及粉塵分布特征,得出影響工作面環境的主要原因、次要原因,便于更好地消除粉塵帶來的危害。

(1)模擬顯示,刨煤機產塵大部分隨工作面風流沿煤壁一側飄散,不會對工作面環境造成太大危害,只有一部分會漂移到工作面支架附近。但是,在刨煤機下風區域,煤塵濃度大,工作面環境比較差。

(2)刨煤機刨煤是工作面產塵的主要來源,但是,處在進風流中的工作面轉載機、破碎機和工作面運輸巷道產塵也對工作面環境造成一定影響。模擬結果表明,工作面轉載機、破碎機和帶式輸送機產塵大部分會飄散到整個工作面,對工作面環境造成危害,部分粉塵會浮沉在支架等工作面設備上,容易形成二次起塵污染。

(3)工作面移架時會產生很大煤塵。研究結果表明,支架移動時產塵大部分會隨風流彌漫整個工作面,尤其是端頭支架移動時,是污染工作面環境的主要原因。

(4)刮板輸送機移動時產塵大部分會隨風流沿其上方及煤壁一側彌漫工作面,會對工作面環境造成一定危害。

4 刨煤機工作面定向噴霧防塵技術

為分析噴霧除塵技術的效果,建立了CFD模型,如圖4所示。模型中“噴霧”裝置為高壓霧化水霧,水量很少,以氣流代替。模型中沒有模擬水霧捕獲呼吸性粉塵的復雜過程,主要是模擬其宏觀過程,在捕塵降塵的基礎上,能改變局部風流場方向,使粉塵向煤壁漂移,達到整體降塵的目的。

模型中設置了7個噴霧頭,其噴霧方向與沿工作面走向呈45°,其目的是除捕獲粉塵之外,可以將工作面局部風流引向工作面煤壁方向,使粉塵向煤壁漂移。

圖4 CFD模擬定向噴霧除塵的幾何特征

模擬結果表明,定向噴霧系統改變了局部風流的流場方向,加強了風流向煤壁漂移的傾向性。

5 結論

(1)高速風流區主要分布在支架立柱和煤壁之間;刨煤機后附近有明顯的低速風流區,有可能造成瓦斯和粉塵積聚。

(2)得出影響工作面環境的產塵來源主要是支架移動,尤其是端頭支架移動,其次是工作面轉載機、破碎機及工作面運輸巷道帶式輸送機。

(3)定向噴霧系統可以改變局部風流場方向,使粉塵向煤壁漂移,遠離工作面和工人工作區域;同時消除了工作面刨煤機附近高濃度瓦斯積聚,是值得推廣應用的關鍵技術。

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(責任編輯 張毅玲)

Coal dust distribution and control in thin seam longwall face

Zhang Dongsheng1,2,Qiu Jiaxuan1,2,Fan Gangwei1,2,Ren Tianxiang3,Liu Shichun2
(1.State Key Library of Coal Resource and Safety Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China;2.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;3.School of Civil,Mining&Environmental Engineering,University of Wollongong,Wollongong,NSW 2522,Australia)

Face W2-713 in Xiaoqing Coal Mine was selected as a testing site and CFD(Computational Fluid Dynamics)numerical simulation taken as a methodology.Based on the analysis on the distribution features of air current velo,the locations of high-speed air current region and low-speed air current region were determined.The coal dust distribution features at different dust sources such as plow,loader,support moving and crusher were determined and its effect on underground working environment was analyzed.Through the simulation on directed spraying system in thin seam plow longwall face,the facts were proven that directed spraying system can not only improve the effect of dust suppression,but also avoid the accumulation of high concentration methane,which can provide a safe working environment on basic of high coal production in thin coal seam.

thin coal seam longwall facemining,plow,CFD numerical simulation,coal dust distribution feature

中國礦業大學中國高校基本科研業務費專項資金(2010ZDP02B02);中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研究課題(SKLCRSM08X2);國家自然科學基金青年基金資助項目(50904063、51004101);中國礦業大學青年科研基金項目(2008A003、2009A001)。

張東升(1967-),男,中國礦業大學教授、博士生導師,主要從事采動巖體控制及礦山開采等方面的研究。

TD823.251

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