回風巷防塵水幕優化設計研究

范 旭

（晉能控股集團煤業有限公司云崗礦，山西 大同 037000）

引言

隨著煤礦井下高功率、高智能化的大型自動化機械綜采設備的推廣使用，井下各環節的粉塵產量也不斷提高，導致粉塵污染不斷加劇。粉塵污染不僅會加劇井下設備磨損，而且會增加井下工作人員肺病發病率，高密度的粉塵污染甚至會引起粉塵爆炸事故。回風巷是采煤工作面風流清洗后吹入的首要巷道，采煤工作面產生的粉塵會大量涌入回風巷，使回風巷粉塵污染嚴重。現階段，大多數煤礦所采用的回風巷除塵技術為風流凈化水幕技術，但該技術發展并不成熟，許多的回風巷除塵效果并不理想。本文擬采用基于FLUENT 模擬的方法進行回風巷防塵水幕優化研究分析，以期通過FLUENT 模擬的方法提高回風巷防塵水幕除塵效果，保障煤炭井下生產的人員、財產安全。

1 礦井粉塵簡要分析

煤礦井下粉塵按照不同的粒徑進行劃分共可分為粗塵、細塵、微塵和超微塵四種，其具體劃分指標如表1 所示。不同粒徑的粉塵對人體危害程度不盡相同，粒徑大于5μm 的粉塵人體吸入后可隨呼吸呼出，但當粉塵粒徑小于5μm 后，粉塵會隨呼吸進入人體肺部，引起肺部組織疾病，當小于2μm 后危害更大。煤礦井下粉塵的產生主要來源于采煤機割煤點、掘進工作面、錨噴作業點以及回風巷作業點等位置，其中采煤機割煤點是粉塵產量最高處。煤礦井下粉塵的危害主要包括危害人體健康、引發爆炸、降低能見度以及對機械磨損等。其中，危害人體健康主要包括引發塵肺病以及各類呼吸道疾病等。粉塵爆炸主要是指當粉塵濃度達到300～500 g/m3時，遇到高溫火源，煤體會釋放可燃氣體，從而引發巨大爆炸，嚴重威脅企業人身財產安全[1-2]。

表1 粉塵分類指標

2 防塵水幕FLUENT 模擬分析

2.1 模型建立

常見的兩相流計算模型有離散相模型、歐拉模型、混合物模型以及VOF 模型等。由于煤炭井下粉塵粒徑在0～100μm 范圍內，中位粒徑約為3μm，粒徑對于其他流場影響較小，故選取離散相模型最為合適，模擬計算過程中可對顆粒之間作用與顆粒對氣流場作用忽略不計[3-4]。

礦井內的氣流與粉塵運動主要呈布朗運動或混合等速沉降，為方便研究，模型的建立會對實際應用場景做簡化處理，主要對主要影響因素進行研究。其中，需將粉塵顆粒視為連續介質，分布以及運動存在連續性、平均線以及可預測性[5]；由于可忽略顆粒之間以及顆粒對氣流場的作用，故應將粉塵顆粒視為不具黏附性的光滑圓形顆粒；粉塵顆粒所處環境應視為溫度恒定、氣流穩定的長方體規則穩定場所。

依據上述要求并結合某煤礦實際回風巷參數進行回風巷模型建立可得防塵水幕設置示意圖如圖1所示。

圖1 回風巷防塵水幕設置示意圖（單位：m）

2.2 模擬分析

通過對某煤礦未運行防塵水幕時粉塵的分布情況與運移規律進行測量分析發現，回風巷巷道內粉塵濃度整體偏高，平均濃度約為240 mg/m3，最高濃度可達420 mg/m3。經重力沉降后，回風巷底部粉塵濃度逐漸升高，2 m 以上空間粉塵濃度逐漸降低，有噴霧架處由于風流作用，濃度也較低。對粉塵濃度進行橫向對比，回風巷入口處粉塵濃度為310 mg/m3，為回風巷內濃度最高位置。噴霧架處粉塵濃度較低，噴嘴處為濃度相對較高位置，這主要是由于風流在該位置受阻形成不規則漩渦流，粉塵活動較為頻繁，引起局部濃度偏高。其他位置由入口處向回風巷內部逐漸降低，直到距離水幕10 m 處濃度下降平緩。

對比不同除塵效果的防塵水幕，其主要差別在于水幕與豎直方向傾角不同。運用上述模型，對水幕與豎向方向夾角為0°、5°、10°、15°時防塵水幕除塵效果進行模擬分析，以呼吸帶1.5 m 高處為研究高度，其粉塵濃度分布示意圖如圖2 所示。由圖2 可知，不加水幕時，回風巷巷道濃度約為240 mg/m3，開啟水幕后回風巷內粉塵濃度顯著下降[6]。水幕豎直噴出時，粉塵濃度約降低為50 mg/m3，隨著噴霧角度的不斷增大，除塵效果逐漸提高，經分析，噴霧角度的增大會增加水霧與粉塵之間的接觸面積，提高防塵水幕的除塵率，提高除塵效果。當防塵水幕噴霧傾角增加至10°后，呼吸帶粉塵濃度降至最低，濃度約為8 mg/m3。隨后繼續增加噴霧傾角，粉塵濃度降低不明顯，故當噴霧角度為10°時即可達到理想防塵水幕除塵效果，其除塵率約為95%。

圖2 不同噴霧角度粉塵濃度（mg/m3）分布示意圖

3 防塵水幕裝置設計

依據上述研究進行防塵水幕自動系統進行設計，其結構示意圖如圖3 所示。自動噴霧防塵水幕系統主要由控制模塊、智能水箱模塊以及防塵水幕模塊三部分組成。其中，防塵水幕模塊包括高壓管道、噴霧架以及相應的噴頭組成；控制模塊由電源、電路以及微處理器模塊組成；其他還包括水泵、開關以及相應的濃度傳感器。自動噴霧防塵水幕系統首道水幕安裝于工作面20 m處，后續水幕與前一道水幕相隔距離為50 m，以防礦車等設備造成的二次粉塵污染[7]。噴霧架為管狀封閉設計，左右兩側對稱設計，其具體尺寸依據回風巷實際尺寸進行設計，水泵與進水管連接。系統噴霧頭均勻分布，噴霧架兩側各有一個噴頭，采用噴嘴為普通噴嘴。濃度傳感器設置高度為1.5 m，水幕紅外感應器安裝于距離框架30 m 處。

圖3 自動噴霧防塵水幕系統結構示意圖

通常情況下，采用普通水源進行噴霧降塵時由于水表面張力較大，使得水顆粒與粉塵顆粒結合效果降低，無法達到理想的降塵效果，故需對表面添加活性劑。在實際生產過程中，運用人工進行添加成本高、延遲性大，故本文進行了智能水箱設計，其具體結構示意圖如圖4 所示。智能水箱主要由水箱、管道、加料箱、攪拌器以及相關電氣設備組成。智能水箱可通過液位傳感器控制液位，通過濃度傳感器控制活性劑濃度，保證噴霧溶液試劑的調配合理，解放人力。

圖4 智能水箱結構示意圖

4 結論

傳統的回風巷除塵技術主要采用風流凈化水幕技術，但該技術發展并不成熟，無法達到理想的除塵效果。針對這一現象，本文對防塵水幕進行了優化設計研究，通過分析得出了以下結論：

1）經分析，相同防塵水幕不同的降塵效果產生原因主要在于水幕與豎直方向傾角不同，設計合理的水幕與豎直方向傾角可有效提高防塵水幕除塵效果。

2）對水幕與豎向方向夾角為0°、5°、10°、15°時防塵水幕除塵效果進行模擬分析可知，當水幕與豎向方向夾角為10°時，除塵效果最佳，其除塵率約為95%。

3）依據上述研究對防塵水幕系統結構進行了設計分析，并為減少企業人力成本，提高了除塵濕潤劑成本配比科學準確性，對智能水箱系統進行了設計，提高了系統智能性，增強了系統除塵性能。