采煤機機載除塵器抽塵風量對綜采工作面風流場的影響

陳 芳

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

近年來，隨著煤炭開采設備自動化水平不斷提高，礦井開采能力在不斷提升，全國煤炭開采礦井正不斷邁向高產、集約化、智能化生產的發展模式，隨著一礦一面、千萬噸生產面等大型礦井典型綜采面投入生產，導致采場空間粉塵污染越來越嚴重，已經成為現代化高效礦井健康開采的主要問題[1-3]。粉塵不僅會引起煤塵爆炸事故，還會使長期從事煤礦行業的工人患塵肺病、硅肺病等職業病，會產生嚴重的經濟與社會問題[4-5]。

綜采工作面一直以來都是煤礦粉塵危害最為嚴重的地點，綜采工作面作業產生的粉塵主要來自采煤機割煤作業、降柱移架作業過程中，是煤礦產塵量最大的作業場所，其產塵量約占礦井產塵量的60%，其中采煤機割煤產塵又占綜采面產塵量的70%～80%，粉塵濃度超國家有關管理標準幾十倍甚至幾百倍[6-8]。采煤機割煤產塵具有塵源移動且易受風流影響而快速擴散等特點，采煤機對風流產生阻擋效應，滾筒割煤產塵會迅速發生橫向偏移擴散，污染作業人員區域，此區域瞬間粉塵濃度高達500 mg/m3以上，對作業人員造成職業危害[9-10]。針對采煤機滾筒割煤產塵，目前主要采用噴霧降塵手段進行治理，雖可有效解決部分粉塵，但隨著智能化采煤面建設進程加快，生產設備及工作面內將安裝大量傳感器、測量設備及視頻監控等電子監控元件，工作面使用噴霧降塵將受到限制[11-13]，而通風除塵技術則可很好避開上述問題，但通風除塵技術在綜掘工作面應用較多，在采煤機上應用是否有效、對工作面風流會產生怎樣的影響尚不清楚，因此，有必要針對采煤機割煤粉塵通風除塵治理中抽塵風量對工作面風流分布影響關系進行研究。針對以上問題，以寧夏羊場灣煤礦150201 綜放面為工程背景，受采煤機機面空間限制，提出了一種利用噴霧引射原理的機載除塵器對采煤機附近橫向擴散風流而引發的粉塵擴散進行治理，采用數值模擬和現場實測方法，研究采煤機機載除塵器抽塵風量對采場風流分布影響關系，理論上論證機載除塵器對采煤機割煤粉塵治理有效性，為開展采煤機割煤粉塵采用通風除塵方法治理提供技術支撐。

1 工程概況

羊場灣煤礦位于寧夏寧東煤田，主要開采2#煤層，煤層平均水分含量為12.44%，煤層硬度系數1～2，礦井屬低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性。150201 綜放工作面，煤層平均厚度8.8 m，平均傾角8°，工作面長260 m，采用綜采放頂煤開采工藝，采高3.8 m，放煤高度5 m，采用MG750/1920-WD 雙滾筒采煤機割煤，采煤機機身長10 m、寬2.0 m、高1.6 m，滾筒直徑2.5 m。采用140 臺ZF13000/25/43D 型液壓支架支護頂板，工作面設計供風量為1 267 m3/min，工作面平均風速1.0 m/s。

2 數值計算模型

2.1 數學模型

綜采工作面風流流動屬于連續相，氣體流動可看作湍流流動。綜采工作面氣流的湍流流動可以用k-ε 模型求解[14-16]。

k 方程：

式中：t 為時間，s；ρ 為氣流密度，kg/m3；k 為湍流動能，m2/s2；xi、xj為空間坐標，i、j=1，2，3，…；ui、uj為x、y 方向上的速度分量，m/s；μ、μt為層流中的黏性系數，Pa·s；σk為模型常量，取1.0；Gk為由層流速度梯度而產生的湍流動能；Gb為由浮力產生的湍流動能；ε 為湍流動能耗散率；YM為可壓縮湍流中過度的擴散中產生的波動，由于假設氣體為不可壓縮氣體，故取0；Sk、S 為自定義參數。

ε 方程：

式中：C1、C2、C1ε、C3ε、σε為模型常量，分別取0.85、1.92、1.44、0.09、1.2；v 為流體平行與重力的速度分量；Sε、η 為自定義參數。

考慮到氣流中大量粉塵粒子群可能會對氣流流動產生影響，因此利用歐拉-拉格朗日模型描述氣相流場，采用SIMPLE 算法計算連續相的流場速度等參數，求解過程示意圖如圖1。

圖1 求解過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of solution process

2.2 CFD 模型

綜采工作面采場設備布局復雜、設備處于不同位態對空間內風流影響較大，為最大程度反應現場環境，根據影響風流大小程度，對采場內采煤機、液壓支架、擋煤板及刮板輸送機等進行簡化設計。

1）采煤機機體、搖臂及滾筒外形結構復雜，且位于采場風流主要通道中，截斷面大小對風流阻擋作用明顯，在不改變阻擋斷面大小情況下，可近似將采煤機多個部件簡化為幾何尺寸相當的規則多面體。

2）采場空間內液壓支架結構對工作面風流影響較大，尤其是支架立柱、底座、頂梁及掩護梁對風流有阻擋作用，因此應根據液壓支架實際尺寸、結構形式及有效通風斷面進行建模，保證模型采場空間大小與現場實際一致性。

3）擋煤板沿整個工作面縱向布置，其高度為1.6 m，將采場空間分割成靠近煤壁側的割煤區域和支架內部的人行空間，會對風流橫向擴散產生一定阻擋效應，因此應根據現場實踐尺寸設計模型。

4）機載除塵器設計成近似長方體形狀，水平放置在采煤機機面并靠近迎風側位置，按現場實際尺寸及放置位置進行設計模型。CFD 模型如圖2。

圖2 CFD 模型Fig.2 CFD Model

同時，在采場空間中溫度、濕度相對穩定，對風流場影響較小，因此忽略溫濕度對風流速度分布的影響。根據空間實際尺寸建立模型，同時去除實體單元所占空間位置，只保留采場空間實際流場計算空間模型。

2.3 模型邊界條件

模型采用GAMBIT 網格劃分軟件對模型進行多面體網格劃分，間距大小為0.1 m。關于數值模擬的邊界條件，采場空間設置湍流模型為標準k-ε 雙方程模型，關閉能量方程，采場空間設置入口邊界類型為速度進口，設置出口邊界類型為自由出流；機載除塵器迎風側為入口，且為內部自由入口，出口為壓力出口。CFD 模型及邊界基本參數見表1。

表1 CFD 模型及邊界基本參數Table 1 Basic parameters and boundary of CFD model

3 數值模擬結果

通過對綜采面采煤機機載除塵器抽塵風量分別為92、115、155、190、265、345 m3/min 6 種條件進行數值計算，機載除塵器抽塵風量對風流影響云圖如圖3。

由圖3 可知，隨著機載除塵器抽塵風量增加，在采煤機前方區域風速呈現逐漸增加趨勢，人行側風流速度總體呈減小趨勢，尤其是采煤機中部區域出現了低風速區域，說明機載除塵器抽走部分風流，使得巷道風流逐漸沿煤壁運移，減小了風流因采煤機阻擋而發生橫向擴散的影響程度；也進一步說明機載除塵器對阻止粉塵向人行側擴散有積極影響。

圖3 機載除塵器抽塵風量對風流影響云圖Fig.3 Cloud diagrams of influence of air volume on air flow of airborne dust collector

通過提取采煤機區域支架內人行道空間內的人員呼吸帶高度位置的風流速度，定量分析機載除塵器抽塵風量對采煤機附近區域人行側風流影響關系，得到采煤機附近支架內人行道空間風速變化規律，抽塵風量對采煤機區域人行側風流的影響如圖4。

圖4 抽塵風量對采煤機區域人行側風流的影響Fig.4 Influence of dust extraction air volume on pedestrian side air flow in shearer area

對比可知，當風量由92 m3/min 逐漸增加到345 m3/min 時，在采煤機前方區域風速呈現逐漸增加趨勢，當風流到達采煤機上風側端頭時，由于除塵器的抽塵負壓影響，人行側風流發生偏轉并逐漸向煤壁側運移，人行側風流逐漸減小，除塵器抽塵風量為92 m3/min 時，風流速度由1.1 m/s 逐漸減小到0.9 m/s，風速減小了18.2%；當抽塵風量增加到345 m3/min 時，風流速度由1.2 m/s 逐漸減小到0.8 m/s，風速減小了33.3%；說明機載除塵器可以減小人行側風流擴散，該措施可以改善人員通道作業環境。

4 現場實測

為了驗證在采煤機機面增加機載除塵器的方法可以解決因采煤機阻擋風流易橫向擴散而攜帶粉塵進入人行側問題，在羊場灣煤礦150201 綜放工作面開展了現場實測試驗，機載除塵器水平安裝布置在采煤機機面靠近迎風側位置，除塵器采用高壓水作為動力源，利用水力引射原理形成負壓，供水壓力6 MPa 時，處理風量為155 m3/min。通過實測采煤機附近區域支架內人行側采煤機上風側15 m 至下風側15 m 范圍內風流速度變化，驗證該方法的有效性和數值計算結果的正確性。風速測定共布置11 個測點（1#～11#），每間隔1 個支架布置1 個測點，風速測點布置圖如圖5。實測風流變化對比圖如圖6。

圖5 風速測點布置圖Fig.5 Layout of wind speed measuring points

圖6 實測風流變化對比圖Fig.6 Comparison of measured air flow change

通過現場實測可知：在未增加除塵器時，在采煤機附近區域人行側風速呈現先快速增加再趨于穩定再逐漸降低的趨勢，在采煤機機身區域，風流速度穩定在1.3 m/s 左右，與工作面平均風速相比，人行側風速增加了約30%左右；而增加了除塵器后，人行側采煤機附近風流速度呈現先增加再降低在小幅增加趨勢，而在采煤機機身段區域，風流速度在0.85～1.0 m/s 之間變化，與未增加除塵器相比，風流速度明顯降低，人行側風流速度減小了23.1%以上，說明機載除塵器可有效減小因采煤機阻擋而橫向擴散風流速度，降低粉塵橫向擴散程度，能起到很好控塵效果，實測結果與數值計算結果基本一致，驗證了數值計算的準確性。

5 結 語

1）數值模擬表明：隨著機載除塵器抽塵風量增加，在采煤機前方區域風速呈現逐漸增加趨勢，人行側風流速度總體呈減小趨勢；采煤機中部區域出現了低風速區域，說明機載除塵器抽走部分風流，使得工作面風流逐漸沿煤壁運移，減小了風流因采煤機阻擋而發生橫向擴散的影響程度，進一步說明機載除塵器對阻止粉塵向人行側擴散有積極影響。

2）當采煤機機載除塵器抽塵風量由92 m3/min逐漸增加到345 m3/min 時，人行側風流速度隨抽塵風量增加而逐漸減小，人行側風流速度由1.2 m/s 逐漸減小到0.8 m/s，風速減小了33.3%，說明機載除塵器可以降低因采煤機阻擋而橫向流動的含塵氣流擴散程度，該措施可以改善人員通道作業環境。

3）現場實測對比表明：采用機載除塵器后，人行側采煤機附近風流速度呈現先增加再降低在小幅增加趨勢，而在采煤機機身段區域，風流速度在0.85～1.0 m/s 之間變化，與未增加除塵器相比，風流速度明顯降低，人行側風流速度減小了23.1%以上，驗證了機載除塵器可有效減小因采煤機阻擋而橫向擴散風流速度，降低粉塵橫向擴散程度，能起到很好控塵效果，實測結果與數值計算結果基本一致，驗證了計算的準確性。