三交河2-511工作面粉塵分布規(guī)律分析及噴霧降塵技術(shù)研究

張建華

(霍州煤電集團(tuán) 三交河煤礦，山西 洪洞 041600)

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦2-511工作面井下位于五采區(qū)，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(zhì)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(fēng)方式采用“U”型通風(fēng)，全部垮落法管理頂板。根據(jù)礦井地質(zhì)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(qū)域粉塵濃度最大值約為300 mg/m3，遠(yuǎn)高于規(guī)定的限制，故現(xiàn)為優(yōu)化回采作業(yè)環(huán)境，特進(jìn)行工作面降塵方案的設(shè)計(jì)與研究。

2 工作面粉塵分布規(guī)律

為充分掌握2-511工作面粉塵分布規(guī)律，現(xiàn)采用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)工作面地質(zhì)條件，將工作面形狀視為長方體，并在工作面內(nèi)部設(shè)置采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和液壓支架，建立數(shù)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(jī)外形簡化為長方形，采煤機(jī)滾筒和搖臂簡化為與實(shí)際外形相近的規(guī)則幾何形狀，設(shè)置運(yùn)輸巷道為進(jìn)風(fēng)口，回風(fēng)巷道為出風(fēng)口，并將采煤機(jī)布置于進(jìn)風(fēng)側(cè)20 m的位置處，分別進(jìn)行工作面順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤時的粉塵分布規(guī)律分析，具體模型中采煤機(jī)割煤時模型如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)割煤作業(yè)數(shù)值模型示意

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，為研究工作面回采作業(yè)時采煤機(jī)附近區(qū)域粉塵濃度分布規(guī)律，特在x方向上截取不同的斷面圖進(jìn)行對比分析，結(jié)合工作面特征，確定選取x=-7 m(采煤機(jī)前滾筒前端)、x=-5 m(前滾筒搖臂處)、x=6 m(采煤機(jī)后滾筒搖臂處)、x=8 m(采煤機(jī)后滾筒后部)，具體采煤機(jī)不同區(qū)域粉塵濃度分布云圖如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)x方向上不同區(qū)域粉塵分布云圖

分析圖2可知，在采煤機(jī)回采作業(yè)的進(jìn)行下，由于采煤在上風(fēng)側(cè)滾筒處產(chǎn)生的粉塵主要的擴(kuò)散區(qū)域?yàn)椴擅簷C(jī)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(jī)滾筒后方的大部分區(qū)域粉塵濃度均已經(jīng)超過500 mg/m3；通過x=8 m處的切片可知，采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)滾筒位置處產(chǎn)生的粉塵主要向人行道方向擴(kuò)散，在人行道附近區(qū)域粉塵濃度超過500 mg/m3的地方超過1/3。

為進(jìn)一步反映采煤機(jī)割煤作業(yè)時在平行煤壁不同截面的粉塵濃度變化規(guī)律，分別進(jìn)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(fēng)側(cè)采煤機(jī)滾筒區(qū)域粉塵濃度較高，粉塵濃度基本均在600～1 000 mg/m3的范圍內(nèi)，工作面下風(fēng)側(cè)采煤機(jī)滾筒區(qū)域在上風(fēng)側(cè)產(chǎn)塵源的影響下，粉塵濃度明顯高于上風(fēng)側(cè)滾筒區(qū)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(xiàn)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(qū)域已下降，但采煤機(jī)前滾筒后方仍為粉塵濃度較高的區(qū)域。基于上述分析可知，采煤機(jī)滾筒附近區(qū)域粉塵濃度基本在1 000 mg/m3以上，距離采煤機(jī)滾筒較近的區(qū)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(yè)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(jī)割煤作業(yè)時產(chǎn)生的粉塵濃度較高，進(jìn)而致使較多的粉塵擴(kuò)散至周邊區(qū)域，采煤機(jī)附近區(qū)域粉塵濃度為300 mg/m3的區(qū)域擴(kuò)散至液壓支架的位置處；另外由于風(fēng)流下側(cè)在滾筒的阻擋下，風(fēng)流場出現(xiàn)繞流現(xiàn)象，粉塵不易擴(kuò)散開，進(jìn)而出現(xiàn)采煤機(jī)機(jī)身一半濃度為200 mg/m3，另一半濃度為500 mg/m3的現(xiàn)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(qū)域主要集中在采煤機(jī)區(qū)域及采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m的范圍內(nèi)，另外下風(fēng)側(cè)采煤機(jī)滾筒處的粉塵濃度高于上風(fēng)側(cè)滾筒處的粉塵濃度。因此在工作面進(jìn)行降塵時，需將采煤機(jī)及采煤機(jī)下方側(cè)10 m的區(qū)域作為降塵的重點(diǎn)區(qū)域。

3 噴霧降塵方案及效果

3.1 噴霧降塵方案

根據(jù)2-511工作面回采條件，結(jié)合工作面粉塵濃度分布規(guī)律的分析結(jié)果，現(xiàn)為確保噴霧降塵方案實(shí)現(xiàn)抑制采煤機(jī)滾筒區(qū)域的產(chǎn)塵量、實(shí)現(xiàn)降低采煤機(jī)滾筒前方的粉塵濃度的目的，確定在采煤機(jī)上采用高速水射流噴霧降塵技術(shù)[1-2]，具體方案中的各項(xiàng)參數(shù)如下：

1) 噴霧裝置吸風(fēng)量的確定：由于采煤機(jī)割煤作業(yè)時，滾筒旋轉(zhuǎn)葉片的存在會使粉塵在外力作用下向外部擴(kuò)散，為有效控制粉塵的擴(kuò)散，根據(jù)下述公式進(jìn)行滾筒的排風(fēng)量[3-4]計(jì)算：

(1)

式中：Q為采煤機(jī)滾筒的排風(fēng)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(shù)；L為葉片之間的螺距；υ為采煤機(jī)的運(yùn)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(jù)工作面地質(zhì)資料及采煤機(jī)參數(shù)計(jì)算得出Q=36.7 m3/min，考慮到高速水射流噴霧降塵裝置產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)對滾筒產(chǎn)生的渦流風(fēng)流場的控制性較弱，故考慮2.0的富裕系數(shù)，設(shè)置噴霧裝置吸風(fēng)量為80 m3/min。

2) 噴嘴個數(shù)與方向：為盡量確保噴霧降塵裝置實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)滾筒區(qū)域完全阻擋塵源擴(kuò)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(chǔ)上，確定在采煤機(jī)上布置2個噴霧裝置，每個噴霧裝置上設(shè)置5個噴嘴，共計(jì)設(shè)置10個噴嘴；每個噴霧裝置上4個噴嘴平行煤壁設(shè)置，1個噴嘴噴向刮板輸送機(jī)與煤塊撞擊區(qū)域，設(shè)置噴嘴內(nèi)徑為100 mm、噴管長度為300 mm，設(shè)計(jì)噴管內(nèi)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(chǎn)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(jī)噴霧裝置霧化屏障效果

3) 噴霧箱體設(shè)計(jì)：為方便噴霧降塵裝置的設(shè)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(xiàn)剮蹭和碰撞，設(shè)置除塵器具有連接耳座，確保除塵器可以翻轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)防頂、防砸和調(diào)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(jìn)風(fēng)巷、采煤機(jī)司機(jī)處、割煤處、移架處、多工序交叉處、前部刮板機(jī)處、破碎機(jī)處、轉(zhuǎn)載點(diǎn)處和回風(fēng)巷處，共計(jì)布置9個測塵點(diǎn)，具體噴霧降塵方案實(shí)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(shí)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(shù)實(shí)施后，工作面各區(qū)域全塵和呼塵濃度均大幅下降，其中采煤機(jī)附近區(qū)域的降塵率可達(dá)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(shí)施后，在很大程度上抑制了滾筒處的揚(yáng)塵，且滾筒前方粉塵濃度也明顯降低。據(jù)此可知,噴霧降塵裝置有效降低了采煤作業(yè)時的產(chǎn)塵和揚(yáng)塵。

4 結(jié) 語

根據(jù)2-511工作面的地質(zhì)條件和開采特征，通過數(shù)值模擬進(jìn)行工作面粉塵分布規(guī)律的分析，得出工作面粉塵濃度較高的區(qū)域，確定采煤機(jī)區(qū)域及采煤機(jī)下方側(cè)10 m的區(qū)域作為降塵的重點(diǎn)區(qū)域，并進(jìn)行高速水射流噴霧降塵技術(shù)方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)噴霧實(shí)施后的降塵效果分析可知，噴霧降塵效果顯著，有效優(yōu)化了回采作業(yè)環(huán)境。