綜掘巷道抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)布置參數(shù)及效果研究

王登峰

（晉煤集團(tuán)澤州天安恒源煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西晉煤集團(tuán)澤州天安恒源煤業(yè)有限公司井田面積5.3542km2，礦井生產(chǎn)規(guī)模60萬t/a，屬低瓦斯礦井。井田位于太行山復(fù)式背斜南段西翼，井田主體構(gòu)造為一向南西傾伏的向斜構(gòu)造（S1向斜），兩翼地層傾角約1°～7°，未發(fā)現(xiàn)陷落柱構(gòu)造，未見巖漿巖侵入。目前所采15#煤為低灰～中灰、中高硫、高固定碳、特高熱值之無煙煤，可作為電力、化工及民用煤，煤層無煤塵爆炸危險性，自燃傾向性性質(zhì)為不易自燃。15#煤層厚1.08～4.3m，平均2.69m，屬全區(qū)穩(wěn)定可采中厚煤層；15#煤層直接頂板為K2灰?guī)r，厚度較大，一般厚約8.63m，K2灰?guī)r下局部有薄層炭質(zhì)泥巖；底板為泥巖，一般厚約2.11m。當(dāng)前該礦選用EBZ-120型綜掘機(jī)進(jìn)行151303工作面兩順槽的掘進(jìn)作業(yè)，順槽設(shè)計(jì)斷面為寬×高=4.4×3.5m，斷面積14.46m2。設(shè)計(jì)單個掘進(jìn)工作面循環(huán)進(jìn)度1.5m，每班4個循環(huán)，日進(jìn)12.0m，月掘進(jìn)進(jìn)尺為360m。順槽掘進(jìn)過程中，采用壓入式通風(fēng)方式，由于掘進(jìn)速度較快，產(chǎn)塵量大，現(xiàn)場實(shí)測掘進(jìn)工作面迎頭粉塵濃度高達(dá)900mg/m3，迎頭粉塵濃度超限，嚴(yán)重遮擋視線，影響正常掘進(jìn)作業(yè)，擬采用抽、壓組合的通風(fēng)方式來降低掘進(jìn)工作面的粉塵濃度。

2 151303綜掘工作面抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)布置參數(shù)研究

2.1 模型建立

以恒源煤業(yè)151303綜掘工作面為研究對象，同時借鑒類似工況下的掘進(jìn)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)[1-2]，通過Fluent軟件建立151303綜掘工作面抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)模型，來研究本工作面在抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)筒布置的最優(yōu)參數(shù)。數(shù)值模擬過程中忽略溫度、二次揚(yáng)塵及截割頭噴霧等對粉塵擴(kuò)散的影響。巷道模型及管路線纜等內(nèi)部裝置進(jìn)行簡化，所建模型為高3.5m，寬4.4m的拱形巷道，研究趨于為50m。在模型中風(fēng)筒直徑1m；壓入式風(fēng)筒距巷幫0.5m，軸心距底板2.4m，風(fēng)筒中的風(fēng)速約為11.2m/s，壓風(fēng)筒筒口分別距掘進(jìn)迎頭5m、7m、10m、13m、15m、18m；抽風(fēng)筒的筒口固定在綜掘機(jī)機(jī)身上距掘進(jìn)迎頭4m，距底板2m，隨綜掘機(jī)移動，距掘進(jìn)迎頭的距離保持不變。最終確定模型為890000個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖1 壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭不同距離時巷道斷面粉塵濃度分布云圖

如圖1為壓風(fēng)筒筒口分別距掘進(jìn)迎頭5m、7m、10m、13m、15m、18m掘進(jìn)作業(yè)時，距掘進(jìn)迎頭5m、10m、15m、20m、25m、30m、40m、50m 的巷道斷面粉塵濃度分布云圖。觀察圖1（a）及圖1（b）發(fā)現(xiàn)壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭5m和7m時，由于出風(fēng)口距離產(chǎn)生粉塵源頭距離過近，并且壓風(fēng)筒所射風(fēng)流在掘進(jìn)迎頭處的速度最大，導(dǎo)致部分粉塵被風(fēng)流吹散，散布于巷道內(nèi)，部分粉塵積聚于抽風(fēng)筒筒口下方，除塵效果不明顯；觀察圖1（c）發(fā)現(xiàn)壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭10m時，由于抽風(fēng)筒距離產(chǎn)塵源距離不合適，導(dǎo)致風(fēng)流在抽風(fēng)筒附近形成回旋風(fēng)，部分粉塵由于回旋風(fēng)作用在抽風(fēng)筒筒口附近滯留，除塵效果不佳；觀察圖1（d）發(fā)現(xiàn)壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭13m時，可以明顯看出距掘進(jìn)迎頭不同距離的各斷面粉塵濃度都很低，該參數(shù)下的抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)除塵效果良好，一部分粉塵隨巷道的通風(fēng)風(fēng)流流出巷道，大部分粉塵經(jīng)抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)處理；觀察圖1（e）及圖1（f）可以發(fā)現(xiàn)壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭15m和18m時，由于壓風(fēng)筒筒口距離產(chǎn)生粉塵源頭太遠(yuǎn)，導(dǎo)致壓風(fēng)筒所射有效風(fēng)流到不了掘進(jìn)迎頭，有效風(fēng)流在抽風(fēng)筒筒口作用下會在距掘進(jìn)迎頭約10m的位置形成循環(huán)風(fēng)，大部分粉塵被循環(huán)風(fēng)擋在掘進(jìn)迎頭處，掘進(jìn)迎頭附近粉塵濃度會隨著綜掘機(jī)的推進(jìn)逐漸增加，除塵效果較差。

圖2 壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭不同距離時巷道斷面粉塵濃度分布云圖

圖2 為壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭10m、11m、12m、13m、14m、15m時，巷道內(nèi)距掘進(jìn)迎頭不同距離的粉塵濃度分布圖。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)隨著距掘進(jìn)迎頭距離的不斷增加，巷道內(nèi)粉塵的濃度呈下降趨勢，并在距掘進(jìn)迎頭40m以后穩(wěn)定為40mg/m3左右。通過對比壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭不同距離的曲線可以發(fā)現(xiàn)壓風(fēng)筒筒口距掘進(jìn)迎頭13m時的整體粉塵濃度最低，除塵效果最佳。相較原先的壓入式通風(fēng)，掘進(jìn)迎頭的粉塵濃度下降至240mg/m3。

綜上所述恒源煤業(yè)151303綜掘工作面在采用抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)時，壓風(fēng)筒筒口距離掘進(jìn)迎頭13m時的除塵效果最佳。

3 綜合降塵措施

3.1 改進(jìn)綜掘機(jī)截割頭噴霧系統(tǒng)[3]

綜掘機(jī)截割頭原噴霧系統(tǒng)中的內(nèi)噴霧系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)時，由于截割頭直接接觸煤巖體，會造成運(yùn)行過程內(nèi)噴霧系統(tǒng)水壓較低，并且泥漿會堵塞部分噴霧頭，使內(nèi)噴霧系統(tǒng)不能充分發(fā)揮降塵作用。綜掘機(jī)截割頭原噴霧系統(tǒng)中的外噴霧系統(tǒng)存在對產(chǎn)塵源除塵效果不強(qiáng)、噴霧頭水壓不穩(wěn)定、水流量太大造成地面泥濘濕滑及過濾效果不好致使部分噴霧頭堵塞的問題。根據(jù)噴霧系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用中存在的問題，現(xiàn)將改進(jìn)綜掘機(jī)的噴霧系統(tǒng)。改進(jìn)后的噴霧系統(tǒng)由輔助外噴霧和內(nèi)噴霧構(gòu)成，共同保證該系統(tǒng)的降塵效果及該系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行。改進(jìn)后的噴霧系統(tǒng)選用空心錐形的螺旋牙水芯，其安裝孔徑為1.2mm，并在高壓水管口設(shè)置過濾裝置，防止雜物堵塞噴頭，將噴霧系統(tǒng)的噴霧壓力設(shè)定在4～6MPa。外噴霧要求綜掘機(jī)截割斷面腰線以上部分時，外噴霧系統(tǒng)噴霧頭的安裝角度針對揚(yáng)塵區(qū)，綜掘機(jī)截割斷面腰線以下部分時，外噴霧系統(tǒng)噴霧頭的安裝角度針對落塵區(qū)；內(nèi)噴霧在截割頭運(yùn)行時由于過濾裝置的次存在及螺旋牙水芯的使用，能夠保證掘進(jìn)過程中內(nèi)噴霧充分發(fā)揮抑塵降塵的作用。改進(jìn)后的噴霧系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的噴霧系統(tǒng)示意圖

3.2 抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)[4]

在151303綜掘工作面內(nèi)布置抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用的風(fēng)筒為剛性骨架，直徑為800mm。將抽風(fēng)筒的筒口固定在綜掘機(jī)機(jī)身上距掘進(jìn)迎頭4m，距底板2m，抽風(fēng)筒筒口布置有吸塵罩，抽風(fēng)筒隨綜掘機(jī)移動，距掘進(jìn)迎頭的距離保持不變，始終保持有效的吸塵距離。壓風(fēng)筒筒口布置在距離掘進(jìn)迎頭13m的位置處。在這種布置方式下抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)隨掘進(jìn)機(jī)自動向前移動，簡化了作業(yè)程序，減少了工作人員的勞動強(qiáng)度，并且在該布置參數(shù)下的抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)除塵效果最佳。

3.3 綜合降塵措施應(yīng)用效果分析

在現(xiàn)場151303巷道掘進(jìn)作業(yè)時，應(yīng)用改進(jìn)后的綜掘機(jī)截割頭噴霧系統(tǒng)和抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行掘進(jìn)工作面的通風(fēng)和降塵。為了觀測綜合降塵措施應(yīng)用效果，在距掘進(jìn)迎頭每5m的巷道腰線上布置粉塵采樣儀監(jiān)測巷道內(nèi)的粉塵濃度，共布置5個測點(diǎn)，測點(diǎn)準(zhǔn)備完成進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，并記錄每個測點(diǎn)的粉塵濃度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 綜合降塵措施應(yīng)用效果

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，151303巷道掘進(jìn)作業(yè)時，應(yīng)用改進(jìn)后的綜掘機(jī)截割頭噴霧系統(tǒng)和抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行掘進(jìn)工作面的通風(fēng)和降塵，取得的降塵效果良好，掘進(jìn)迎頭5m范圍內(nèi)的粉塵濃度下降至約98mg/m3，相較原通風(fēng)方式下掘進(jìn)迎頭900mg/m3的粉塵濃度，下降了約89%，并且掘進(jìn)工作面后方25m的距離處粉塵濃度降至25mg/m3，能夠滿足正常安全掘進(jìn)巷道的要求。

4 結(jié) 論

通過Fluent軟件建立151303巷道抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)模型，研究本工作面在抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)筒布置的最優(yōu)參數(shù)，研究結(jié)果表明壓風(fēng)筒筒口距離掘進(jìn)迎頭13m時，抽風(fēng)筒固定于綜掘機(jī)距迎頭4m的位置處的除塵效果最佳。并在現(xiàn)場應(yīng)用改進(jìn)后的綜掘機(jī)截割頭噴霧系統(tǒng)和抽、壓組合的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行掘進(jìn)工作面的通風(fēng)和降塵，取得的降塵效果良好，掘進(jìn)迎頭5m范圍內(nèi)的粉塵濃度下降至約98mg/m3，能夠滿足正常安全掘進(jìn)巷道的要求。