巖巷掘進工作面抽出式通風除塵系統設計與應用

郭奮超，楊 桐，楊俊磊，莫金明

(1.陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西 榆林 719000； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著煤礦巖巷掘進機械化程度提高，巖巷掘進工作面的粉塵危害日益嚴重[1]。目前煤礦井下掘進工作面多采用壓入式通風方式，在吹散工作面瓦斯保障安全的同時，也會導致粉塵擴散污染整個掘進巷道[2]，危害作業人員身體健康及安全生產。與壓入式通風相比，采用抽出式通風可以使新鮮風流沿巷道進入工作面，將所有懸浮粉塵抽入風筒，保證粉塵不向巷道中擴散[3]，能夠有效解決工作面粉塵污染問題，適用于無瓦斯涌出的巖巷掘進工作面。

以陜煤集團紅柳林煤礦北二盤區3-1煤輔運巷巖巷段掘進工作面為工程背景，對巖巷掘進工作面的產塵特點，以及抽出式通風條件下的粉塵運移規律進行研究，并在此基礎上對抽出式通風條件下的巖巷掘進工作面除塵工藝進行設計，用于高效治理巖巷掘進工作面的粉塵污染。

1 工作面概況及產塵特點

紅柳林煤礦北二盤區3-1煤輔運巷巖巷段掘進工作面巷道斷面為矩形，寬5.8 m、高4.6 m，配備EBZ-230掘進機進行掘進，循環進度1.0 m；采用軸流式局部通風機進行抽出式通風，根據工作面人員、車輛、稀釋瓦斯、最低風速驗算和百米漏風率測算得出最低需風量為300 m3/min；抽風風筒吊掛在前進方向右幫距頂板300 mm處。

巖巷在掘進過程中的產塵特點與煤巷存在諸多不同：

1)粉塵主要是由掘進機截割頭與巖體的研磨作用產生的[4]，由于巖體比煤體密度大、孔隙少、節理少，導致巖巷產塵強度更大，巖塵分散度更高，顆粒粒徑更細微，呼吸塵的比例也更高。

2)由于巖塵顆粒粒徑較煤塵更小，且游離二氧化硅含量更高，黏結性更強，遇水后易形成致密塊體，對作業人員的健康危害更大；此外，巖塵多呈灰白色，反光性更強，且顆粒粒徑更細微，對作業人員視線影響程度比煤塵大。

3)由于巖塵顆粒粒徑較煤塵更小，在風流作用下較煤塵擴散更快速，不易沉降，在巷道內的運移沉降規律也與煤塵不同。

巖巷掘進工作面生產現場粉塵狀況如圖1所示。

圖1 巖巷掘進工作面生產現場粉塵狀況

2 壓入式通風條件下巖巷掘進工作面的粉塵運移規律

選取工作面端頭后30 m的區域建立巷道及風筒的簡化物理模型，如圖2所示。巷道寬度為5.8 m，高度為4.6 m。將風筒出風口圓面定義為速度進口，巷道后端壁面定義為自由流動出口，巷道四周壁面簡化為光滑壁面；x正方向表示由巷道斷面上行人側指向風筒側的方向，y正方向表示由巷道底板至頂板的方向，z正方向表示由掘進工作面至巷道末端的方向；掘進機長、寬、高分別為10.4、3.2、1.7 m；選取工作面煤壁正中、掘進機炮頭處為塵源點，司機位于掘進機左側，距掘進機前端7.5 m；設置風筒直徑為0.8 m，風筒中心高度H為3.8 m，離右側巷道壁面0.5 m。粉塵源主要參數如表1所示。

圖2 巖巷掘進工作面通風簡化物理模型

表1 粉塵源主要參數

在以上建立的掘進工作面通風簡化物理模型基礎上，采用流體動力學軟件FLUENT中的κ-ε湍流模型及DPM離散相模型，對掘進工作面生產作業時的粉塵質量濃度場進行耦合計算[5-12]。設置風筒出風口與工作面端頭的距離L分別為3、5、10 m，選取呼吸帶高度平面(y=1.55 m平面，下同)作為參考平面，得到掘進工作面粉塵質量濃度分布場，如圖3所示[13-15]。

圖3 掘進工作面粉塵質量濃度分布場

從圖3中可以看出：掘進工作面采用壓入式通風方式時，工作面產生的粉塵受風流裹挾作用，擴散彌漫至整個巷道。當風筒出風口與工作面前端煤壁的距離L為3、5、10 m時，司機處的粉塵質量濃度分別為83.3、128.0、154.0 mg/m3，掘進機后方的粉塵質量濃度也達到60 mg/m3以上。這說明采用單一壓入式通風方式必然導致粉塵擴散污染整個掘進工作面，調節風筒出風口距離對工作面粉塵質量濃度大小并無明顯影響。

3 抽出式通風條件下巖巷掘進工作面的粉塵運移規律

沿用上節建立的工作面通風簡化物理模型和耦合計算模型，設置風筒出風口圓面為速度出口，巷道后端壁面為自由流動進口，分別針對不同抽風量、不同的吸塵口位置和不同風筒直徑條件下，掘進工作面生產作業時的粉塵質量濃度場進行計算[16-17]。

1)分別設置吸風口與工作面距離L為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、6.0、8.0、10.0 m，風筒直徑800 mm、抽風量300 m3/min，得到掘進工作面粉塵質量濃度分布場，如圖4所示。

從圖4中可以看出：采用抽出式通風方式時，粉塵擴散距離隨L增大而增大。當L為1.0～1.5 m時，粉塵最遠擴散距離為1.0 m；當L為2.0～4.0 m時，粉塵最遠擴散距離為2.3～7.0 m，但集中于風筒側，未擴散至司機處；當L為6.0～10.0 m時，粉塵最遠擴散距離為7.5～13.8 m，已經超過司機位置，同時已擴散至司機側。當L為6.0、8.0、10.0 m時，司機處粉塵質量濃度達到694、880、773 mg/m3；當L為1.0～4.0 m時，司機處粉塵質量濃度接近于0。這說明采用抽出式通風方式能夠有效防止掘進工作面粉塵擴散；風筒抽風口距離工作面前端煤壁越近，對粉塵的抽吸就越及時，粉塵的擴散范圍就小。

2)分別設置抽風量Q為300、325、350、400、500 m3/min，風筒直徑800 mm、吸風口距工作面2 m，得到掘進工作面粉塵質量濃度分布場，如圖5所示。

從圖5中可以看出：在300～500 m3/min不同抽風量條件下，巷道內粉塵擴散距離和質量濃度變化不明顯。因此，300 m3/min的工作面最低需風量已能滿足現場通風除塵要求。

3)分別設置風筒直徑d為600、700、800、1 000、1 200 mm，抽風量300 m3/min、吸風口距工作面 2 m，得到掘進工作面粉塵質量濃度分布場，如圖6所示。

圖6 不同風筒直徑時工作面粉塵質量濃度分布場

從圖6中可以看出：風筒直徑變化對巷道內粉塵擴散距離和粉塵質量濃度變化無明顯影響。但考慮粉塵沉積使風筒斷面減小，引起風阻增大，結合現場使用便利性，可采用直徑1 m的風筒。

4 巖巷掘進工作面抽出式通風除塵系統設計

抽出式通風除塵系統主要由濕式除塵風機和抽風風筒組成，其布置如圖7所示。工作面產生的粉塵通過抽風風筒吸入濕式除塵風機內被凈化，再將處理后的干凈風流排入大巷[18-20]。

圖7 抽出式通風除塵系統布置示意圖

根據上節的模擬研究結果，結合現場生產條件，再考慮到除塵系統本身的通風阻力及部分富余風量，綜合確定系統抽風量設計采用350 m3/min，抽風風筒直徑為1 m，抽風風口與工作面前端煤壁的距離為3 m。

選用KCS-350D濕式除塵風機，其額定處理風量為350 m3/min，安設在輔運大巷內距3-1煤輔運巷巷口約20 m處；抽風風筒采用鋼絲骨架風筒，連接在濕式除塵風機前端，吊掛在巷道頂板右側，延伸至工作面端頭。

采用濾膜稱重法對壓入式和抽出式通風條件下，掘進機司機及機身后10 m處的粉塵質量濃度進行檢測，測試結果如表2所示。工作面實際降塵效果如圖8所示，降塵效果良好。

表2 壓入式和抽出式通風條件下的粉塵質量濃度

圖8 抽出式通風除塵系統實施效果圖

5 結論

1)巖巷掘進工作面具有產塵強度更大，巖塵顆粒粒徑更細微，分散度更高，呼吸塵比例更高，反光性更強，對作業人員的危害更大，對生產作業的影響更大，在巷道內的運移沉降規律與煤塵不同等特點。

2)采用單一壓入式通風方式必然會導致粉塵擴散污染整個掘進工作面，而采用抽出式通風方式能夠有效防止掘進工作面粉塵擴散。

3)采用抽出式通風方式時，風筒抽風口距離工作面前端煤壁越近，對粉塵的抽吸就越及時，粉塵的擴散范圍就小；當風筒抽風口距離為1～4 m時，粉塵無法擴散至司機位置。采用抽出式通風方式時，抽風量和風筒直徑發生變化對巷道內粉塵質量濃度無明顯影響。

4)現場應用表明：采用抽出式通風方式，當抽風量為350 m3/min、抽風風筒直徑為1 m、抽風風口與工作面前端煤壁的距離為3 m時，掘進機司機和機尾10 m處的總粉塵質量濃度相比長壓通風方式時分別降低了96.01%和99.06%，呼吸性粉塵質量濃度分別降低了92.02%和97.47%，降塵效果顯著，極大地改善了工作面作業環境。