長距離巷道粉塵治理技術研究

張秀忠

（山西亞美大寧能源有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

我國煤炭資源儲量豐富且種類齊全，由于我國人口基數較大，所以為保證國民經濟發展及生活需求，在未來很久一段時間煤炭資源仍是我國最為重要的能源形式。隨著多年的開采，我國礦井的采深不斷加深，規模也越來越大，這就使得長距離掘進巷道日益普遍，但在進行長距離巷道開采過程中，通風困難成為了不可避免的問題。在掘進過程中，由于切割、爆破、裝卸等作業使得巷道粉塵濃度大，降塵難度增加，嚴重影響掘進面的環境，若缺乏有效的通風排塵方案，大量粉塵及有害氣體聚集，會嚴重危害作業人員的身體健康。針對粉塵問題，常見的解決方法為局部通風，通風方式可分為抽出式、壓入式和混合式三種[1-2]。根據研究，長距離巷道的通風方式宜采用混合式通風，但實際應用過程中，混合式通風雖然能夠達到通風效果[3]，但后期維護及前期的安裝等都需要較大的人力及財力，所以本文利用Fluent 模擬軟件對巷道粉塵的運移規律進行研究，分析不同通風參數下的通風效果，確定合理的通風參數，為后續巷道的通風方案布置提供一定的理論依據。

1 巷道粉塵運移規律研究

為了研究粉塵運移規律，首先建立模型，根據通風經驗，作業人員主要分布于掌子面附近，所以在進行通風研究時，只要確保掌子面附近空氣達標方可進行下一步作業，模型建立時選用長度50 m 的巷道進行分析。巷道的通風方式選用壓入式通風，巷道選擇拱形巷道，巷道寬3.2 m，拱高1.4 m，幫高2.4 m，巷道凈斷面面積10.51 m2。風筒設置在巷道的進風側（左側）中部，風筒距離地面高度為2.0 m，直徑為0.8 m，風筒的出風口距封閉段10 m，風速為4 m/s，掘進方向設定為X 軸負方向。為了便于后期的模擬，對模型進行簡化，風流不可壓縮，爆破粉塵間無相互作用，空氣流動為穩態紊流，忽略風筒接頭漏風對模擬的影響。對網格進行劃分，根據研究特點，采用結構化網格進行劃分，劃分完成后共計189 531 個網格，對掘進巷道壓入式通風進行模擬，截面局部速度云圖如圖1 所示。

圖1 壓入式通風截面局部速度云圖

從圖1 的流場速度矢量圖可以清楚地看出風流流動方向，在風筒口位置風流速度較大，風流噴射而出后形成高速射流，射流靠近巖壁，在風流噴射中，此時射流不斷卷吸回風區側的風流，同時在垂直方向上不斷擴大，同時隨著射流流動距離的不斷增大，風流的流速不斷衰減，風流逐步進入回流區，回風區的風流部分隨著射流重新進入工作面，形成工作面附近的循環，在風筒出風口、迎頭附近形成一定面積的漩渦區。剩余部分沿著巷道的出口排出。

2 不同通風參數下粉塵分布研究

壓入式通風風筒設置的位置不同對巷道通風效果有著較大的影響，對最佳風筒口到掘進端的距離進行分析。保持巷道結構、風筒直徑、巷道尺寸、風筒高度、風速度等不變，改變風筒出口到掘進斷面的距離，模擬距離10 m、13 m、20 m 三種情況下的巷道粉塵立體圖。

如圖2 所示為500 s 時，不同掘進端面距離風筒口距離下粉塵濃度立體圖。從圖2 中可以看出，當掘進端面距風筒口距離為10 m 時，粉塵運移受到風筒口后方渦流區及風筒口前方渦流區影響較大，呈現出風筒口前方粉塵濃度大及風筒口后方底板上方粉塵分散、濃度大的特點；當掘進端面距風筒口距離為13 m時，由于掘進端面距風筒口距離的增大及風筒口前方大漩渦區的作用，在巷道的漩渦區中心的下側形成一定面積的粉塵團，使得粉塵在巷道上側分布較少；繼續增大掘進端面距風筒口距離，風筒口射流抵達掘進端面強度有所下降，所以會造成掘進端面位置出現粉塵集中的問題，同時由于掘進端面距風筒口距離的增大，回流強度降低，當掘進端面距風筒口距離增大至20 m 時，風筒口后方懸浮粉塵難以被風流帶出，造成粉塵濃度增大，所以最佳壓入式通風掘進端面距風筒口距離為13 m。

圖2 不同掘進端面距離風筒口距離下粉塵濃度立體圖

對風筒在巷道截面不同位置下排塵效果進行研究，分別模擬風筒懸掛側壁高度1.0 m、2.0 m 及巷道頂部中間位置三種情況，其他變量均保持不變，風筒不同布置位置下排塵效果曲線如圖3 所示。

圖3 風筒不同布置位置下排塵效果曲線

圖3 為量化后的排塵規律，通過選定不同時間點下的巷道粉塵數得出粉塵滯留率曲線（滯留率為滯留粉塵粒子數與總噴射粉塵粒子數之比），用以表示粉塵排放情況。從圖3 可以看出，當風筒布設于巷道側壁時，巷道內粉塵在200 s 時排出巷道口，先于風筒布置在巷道頂部中間時，同時風速越大，帶塵效果越好。相同時刻下，風筒布設于巷道側壁2 m 高位置下的粉塵滯留率最低，說明此方法的排塵效果較好，而風筒布置于側壁高1.0 m 位置時的排塵效果較差，粉塵滯留率較高。當時間來到500 s 時，風筒布設于側壁高2 m 位置的粉塵滯留曲線與布設于巷道頂板中間時的粉塵滯留曲線幾乎重合，布置在巷道頂板中間略低，而風筒布設于側壁高1 m 位置下的粉塵滯留率較高，說明布置在此位置時的排塵效果較差。綜合分析可以看出，若要求短期內通風排塵效果，可以選擇將風筒布置于側壁高2.0 m 處，若追求更低的粉塵濃度，則選擇將風筒布設于巷道頂部中間位置。

3 結論

1）壓入式通風在風筒口位置風流速較大，風流噴射而出后形成高速射流，射流靠近巖壁，在風筒出風口、迎頭附近形成一定面積的漩渦區。

2）通過對不同掘進端面距風筒口距離下的粉塵濃度立體圖進行分析，發現最佳壓入式通風掘進端面距風筒口距離為13 m。

3）根據不同時間點下粉塵滯留率曲線可以得出，為保證短期內通風排塵效果，可以選擇將風筒布置于側壁高2.0 m 處，若追求更低的粉塵濃度，則選擇將風筒布設于巷道頂部中間位置。