快速掘進工作面長壓短抽通風除塵技術優化

李曉斌

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 工程概況

西山煤電馬蘭礦南七采區12702 工作面所開采煤層為二疊系下統山西組2 號煤層。南七采區走向長為2000～3250 m，平均2600 m，傾斜長為850～2375 m，平均1600 m，采區面積為4.86 km2。可采煤層為2#煤層，煤厚1.74～2.60 m，平均2.18 m，煤層傾角1°～4°，屬較穩定可采近水平薄至中厚煤層。12702 工作面為南七采區第二個回采工作面，采煤方法為走向長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤方法，工作面采用雙滾筒采煤機割煤，其螺旋滾筒配合工作面刮板輸送機前移裝煤。運煤由工作面刮板輸送機到轉載機，由轉載機至膠帶輸送機后至南七帶式輸送機。工作面采用ZY5000-12/28 型掩護式液壓支架支護頂板，采用全部垮落法處理采空區。工作面回采巷道包括運輸順槽、回風順槽及開切眼，巷道沿煤層頂板掘進。工作面采用“U”型通風系統，掘進工作面采用長壓短抽式通風、附壁式風筒控塵技術。為進一步降低掘進工作面粉塵濃度，改善工作環境，在12702運輸順槽掘進施工中，開展了通風除塵技術優化研究，取得了良好效果。

2 馬蘭礦快速掘進工作面通風方式

快速掘進工作面施工期間在作業區域產生大量的粉塵顆粒，常用的除塵方式是通過局扇通風，通風方式可分為壓入式、抽出式和混合式[1]，其中降塵效果最顯著且應用最為廣泛的是混合式。馬蘭礦采用長壓短抽式通風，該方式以壓入式通風為主、抽出式為輔，壓風筒出風口距離迎頭較遠，沿作業區全程布置，抽風筒需設置在有效吸程范圍內，距離迎頭處較近，壓、抽風筒間重疊段應在10～60 m之間。具體布置方式如圖1。

圖1 長壓短抽通風示意圖（m）

3 長壓短抽式通風除塵系統數值模型

為分析快速掘進工作面粉塵運移規律，以馬蘭礦12702 運輸順槽掘進為背景，采用Fluent 軟件進行數值模擬分析[2]，采用Solidworks 模塊進行幾何建模，按照1:1 幾何尺寸進行建模。為保證模擬結果的可靠性，對掘進工作面掘錨一體化機組、配套設備進行幾何形狀的簡化，選取模擬巷道總長度60 m，采用矩形斷面，寬×高=5.45 m×3.9 m；采用ABM20 型掘錨機，主體簡化為6 m×4.9 m×3 m 的長方體；壓風筒簡化為直徑1.0 m 的圓柱體，中心軸線距巷道頂板和煤壁分別700 mm；抽風筒簡化為直徑800 mm 的圓柱體，設置于巷道中部掘進機正上方，抽風筒與KCS-225D 礦用濕式除塵風機連接；除塵器簡化為6 m×1.4 m×1.2 m 的長方體；帶式轉載機和膠帶輸送機均簡化為橫截面為1 m×0.2 m 的長方體。快速掘進工作面整體幾何模型如圖2（a），幾何模型建好后采用Tetrahedrons 網格劃分方法劃分后的模型如圖2（b）。

圖2 三維數值模型示意圖

4 長壓短抽式除塵系統參數優化

4.1 壓風筒位置優化

采用上述數值模擬對壓風筒與迎頭最優距離進行模擬研究，結合馬蘭礦快速掘進工作面實際情況，壓風筒出風量為570 m3/min，風筒直徑1.0 m，換算出風口風速為12.1 m/s，抽風筒位置固定在距離迎頭3 m 掘錨機正上方，抽風量500 m3/min，風筒直徑0.8 m，換算抽風口風速為16.6 m/s。分別假設壓風筒出風口與迎頭距離Ly為11～19 m，每2 m 為一個梯度，設計5 組模擬分析方案。考慮到現場施工作業人員呼吸高度為1.5 m，截取高度1.5 m 處粉塵濃度分布情況作為參考依據，整理得到結果如圖3。

圖3 不同 Ly 條件下呼吸帶高度粉塵濃度分布圖

根據圖3 可知，其余條件固定不變，僅改變壓風筒出風口與迎頭距離，巷道內高度1.5 m 呼吸帶粉塵濃度存在顯著差異：當與迎頭距離小于13 m時，吹至迎頭處風速較高，導致塵源處大量粉塵隨風流進入巷道空間，在巷道中部形成多個渦流，粉塵不易抽出，呼吸帶粉塵濃度較高；當與迎頭距離在13～15 m 之間，風流將粉塵控制在掘錨機前方的回風側，呼吸帶內粉塵濃度較低，降塵效果良好；當與迎頭距離大于17 m，由于壓風口距塵源距離過大，壓風作用小，不能將塵源粉塵有效控制，粉塵擴散彌漫在整個巷段內，掘錨機司機位置粉塵濃度達到500 mg/m3，降塵效果不理想。綜上可知，當壓風筒口距迎頭15 m時，工作面整體粉塵濃度較低，除塵效果較理想。

4.2 壓抽比優化模擬研究

長壓短抽通風方式條件下，當抽風量大于壓風量時，會使掘進作業區域新鮮風流過小，不滿足相關規程[3]，因此壓風量通常大于抽風量。為確定馬蘭礦2#煤層快速掘進工作面最佳壓抽比，采用上述模型進行模擬研究。抽風筒位置固定在距離迎頭3 m 掘錨機正上方，抽風量固定為500 m3/min，風筒直徑0.8 m，壓風筒直徑為1.0 m，與迎頭距離固定為15 m，壓抽比分別為1.0～1.4，換算得到各壓抽比條件壓風筒的出風量和風速，得到不同壓抽比條件下巷道內高度1.5 m 處粉塵濃度模擬結果如圖4。

圖4 不同壓抽比條件下呼吸帶高度粉塵濃度分布圖

由圖4 可知，壓抽比與巷道內粉塵分布具有明顯的關聯性，當壓抽比小于1.2 時，掘錨機前方及附近區域粉塵濃度較高，擴散情況嚴重，司機作業位置呼吸帶粉塵濃度達到900～1300 mg/m3，降塵效果較差；當壓抽比為1.3 時，高濃度粉塵集中分布在掘錨機前方，掘錨機及巷道內粉塵濃度較低，長壓短抽式通風除塵系統除塵效果達到最佳；當壓抽比為1.4～1.5 時，由于壓風口出風風速過大，將大量未被凈化的粉塵攜帶擴散，導致巷道被高濃度粉塵充斥，降塵效果極差甚至失效。綜上可知，當壓抽比為1.3 時降塵效果最佳。

5 現場應用效果分析

為考察模擬研究成果的可靠性，馬蘭礦12702運輸順槽掘巷期間采用長壓短抽式通風方式，壓風筒距迎頭15 m，出風量650 m3/min。壓入式局部通風機規格型號：FBD №6.0-2×11kW，風筒型號：D=1000 mm 的礦用抗靜電柔性阻燃風筒。抽風筒距迎頭3.0 m，采用KCS-225D 礦用濕式除塵風機，風筒選用Φ800 mm 抗靜電阻燃伸縮風筒，抽風量500 m3/min。12702 運輸順槽采用上述控塵技術掘巷階段，采用AKFC-92A 型粉塵采樣器進行粉塵采樣[4]，采樣時間20 min，通過稱重得到粉塵濃度數據。測點均布置在高度1.5 m 呼吸帶內，測點1 布置在掘錨機司機位置，位于壓風筒一側，距迎頭7.0 m，測點2～12 布置在巷道回風側，掘錨機后方5～60 m，測定回風側粉塵濃度的變化規律。參考數值模擬研究結果及原12701 工作面回采巷道掘巷階段粉塵測試結果，整理得到結果如圖5。

由圖5 可以看出，原通風條件下，掘錨機司機處粉塵濃度模擬值為514 mg/m3，實測值為486 mg/m3，模擬與實測結果相差很小，說明模擬方案及結果的可靠性。采用參數優化后通風方式條件下，掘錨機司機處粉塵濃度實測值為211 mg/m3，與原有通風條件下相比減小了56.5%，司機處粉塵濃度顯著降低。巷道回風側濃度顯著高于進風側，且粉塵濃度在掘錨機前方和后方呈斷崖式跌落，說明大部分粉塵無法脫離負壓抽吸區的籠罩范圍，僅少部分粉塵涌出至掘進巷道回風側方向。原通風條件下，回風側粉塵濃度實測值為745～186 mg/m3；參數優化后通風條件下，粉塵濃度為510～23 mg/m3，掘進工作面呼吸帶內粉塵濃度顯著降低。綜上可得，采用參數優化后的長壓短抽除塵系統可有效控制快速掘進工作面粉塵。

6 結論

馬蘭礦2#煤層快速掘進工作面采用長壓短抽除塵系統，通過數值模擬研究分析對其參數進行優化，確定壓風筒距迎頭最佳距離為15 m，壓風筒出風量為650 m3/min，抽風筒距迎頭3 m，抽風筒風量為500 m3/min，壓抽比為1.3。在12702 運輸順槽掘進期間現場實測結果表明，采用優化后的長壓短抽除塵系統，掘錨機司機處粉塵濃度降低56.5%，巷道回風側粉塵濃度顯著減小，粉塵基本控制在掘錨機前方，除塵效果效顯著。