綜掘工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律及擾動(dòng)撥流控塵技術(shù)研究

摘要：針對(duì)通風(fēng)排塵、噴霧降塵等防塵技術(shù)在高濃度粉塵綜掘工作面中應(yīng)用效果不明顯的問題，以山西蒲縣宏源集團(tuán)富家凹煤業(yè)有限公司11309 綜掘工作面為研究背景，利用Fluent 軟件構(gòu)建了綜掘工作面物理模型，通過數(shù)值模擬分析了風(fēng)流場(chǎng)分布特征和粉塵運(yùn)移規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明：利用正壓風(fēng)筒對(duì)綜掘工作面供風(fēng)時(shí)，風(fēng)流到達(dá)工作面后沿壁面向下運(yùn)動(dòng)并擴(kuò)散，受送風(fēng)和吸塵風(fēng)道吸力作用影響，風(fēng)流形成漩渦，隨著與工作面距離的增加，漩渦現(xiàn)象逐步減弱，直至消失；工作面區(qū)域風(fēng)流流速較高，沿著巷道軸向向后風(fēng)流流速逐漸降低；距綜掘工作面越遠(yuǎn)，粉塵濃度越低；在綜掘機(jī)司機(jī)位置附近粉塵濃度較高。在此基礎(chǔ)上，提出了“以風(fēng)控塵”為除塵思路的擾動(dòng)撥流控塵技術(shù)。通過在正壓風(fēng)筒上增加擾動(dòng)撥流裝置，優(yōu)化出風(fēng)口布局，減少正壓風(fēng)筒最前端出口風(fēng)量，以增加綜掘機(jī)司機(jī)附近徑向出風(fēng)量；將除塵風(fēng)機(jī)吸塵口前置，改變作業(yè)空間巷道風(fēng)流方向，達(dá)到控塵、除塵的目的。通過工程實(shí)測(cè)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果和擾動(dòng)撥流裝置的可靠性，結(jié)果表明，使用擾動(dòng)撥流裝置后，綜掘工作面粉塵濃度顯著降低，降塵效率達(dá)90% 以上。

關(guān)鍵詞：綜掘工作面；粉塵防治；粉塵運(yùn)移；風(fēng)流場(chǎng)；擾動(dòng)撥流控塵

中圖分類號(hào)：TD714.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在綜掘工作面，綜掘機(jī)截割煤巖體是產(chǎn)塵的主要原因[1-2]。煤巖體破碎后，其中的粉塵顆粒解除約束狀態(tài)，本身具有的能量被釋放，從而造成粉塵擴(kuò)散。高濃度粉塵威脅煤礦從業(yè)人員健康，甚至發(fā)生粉塵爆炸引發(fā)礦井災(zāi)害[3-6]。為實(shí)現(xiàn)煤炭安全、高效開采，打造清潔作業(yè)環(huán)境，創(chuàng)建無塵綠色礦井，分析粉塵運(yùn)移分布規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上做好粉塵控制與治理工作至關(guān)重要[7-8]。

目前，眾多學(xué)者對(duì)工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律及控塵技術(shù)進(jìn)行了大量研究。肖旸等[9]通過數(shù)值模擬不同壓風(fēng)筒出口風(fēng)流角度和壓抽比作用下巷道內(nèi)粉塵運(yùn)移特征，提出了一種可改變壓風(fēng)筒出口風(fēng)流角度的長(zhǎng)壓短抽除塵系統(tǒng)。孫連勝[10]對(duì)不同控風(fēng)口形狀和間距進(jìn)行模擬，得到了對(duì)應(yīng)條件下巷道內(nèi)粉塵濃度變化特征。江丙友等[11]測(cè)試分析了塵源在不同運(yùn)動(dòng)工況下對(duì)綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度和粒徑分布的影響，并基于試驗(yàn)得到了最優(yōu)塵源移動(dòng)路徑與通風(fēng)參數(shù)。牟國(guó)禮等[12]模擬了長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)下掘進(jìn)工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)工作面附近區(qū)域的粉塵濃度較高，沿程逐漸降低，絕大部分粉塵集中在掘進(jìn)工作面至抽風(fēng)口的范圍內(nèi)。蔣仲安等[13]研究了掘進(jìn)機(jī)動(dòng)態(tài)截割煤巖時(shí)粉塵污染效應(yīng)，并確定了掘進(jìn)工作面通風(fēng)控塵及排塵參數(shù)。于海里等[14]采用Realizable湍流模型，通過數(shù)值模擬分析了不同風(fēng)速擾動(dòng)下裝載沖擊產(chǎn)塵運(yùn)移規(guī)律，探究了抑塵運(yùn)移方法及其防治粉塵污染的效果。楊鵬等[15]建立了離散相模型，分析了掘進(jìn)巷道長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)條件下的風(fēng)流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)隨著壓風(fēng)口到工作面距離減小，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)側(cè)的紊亂風(fēng)流被消除，粉塵濃度減小，工作面區(qū)域粉塵濃度先減小后增大。龔曉燕等[16]建立了出風(fēng)口參數(shù)可變化的風(fēng)流調(diào)控有限元模型，模擬風(fēng)筒出風(fēng)口參數(shù)變化對(duì)風(fēng)流及粉塵濃度運(yùn)移分布的影響，同時(shí)對(duì)除塵裝置進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。孫峰[17]分析了大斷面掘進(jìn)工作面粉塵產(chǎn)塵與運(yùn)移特征，對(duì)綜掘噴霧機(jī)的高效噴霧降塵裝置進(jìn)行了改造。李斌等[18]提出了一種超遠(yuǎn)距離掘進(jìn)工作面通風(fēng)除塵、降塵捕塵技術(shù)，在巷道布置防塵網(wǎng)、增加噴霧等來降低逸散粉塵濃度。關(guān)萬(wàn)里等[19]構(gòu)建了與礦井現(xiàn)有巷道掘進(jìn)工藝、技術(shù)條件相匹配的一體化除塵系統(tǒng)。楊宏剛等[20]提出在掘進(jìn)工作面壓入風(fēng)筒上增設(shè)多組切向送風(fēng)來增強(qiáng)角動(dòng)量，提高旋流風(fēng)幕的穩(wěn)定性，獲得了較好的除塵效果。

上述研究根據(jù)粉塵運(yùn)移規(guī)律提出了通風(fēng)排塵、噴霧降塵等防塵技術(shù)，但在高濃度粉塵綜掘工作面中應(yīng)用效果不明顯。本文以山西蒲縣宏源集團(tuán)富家凹煤業(yè)有限公司綜掘工作面為研究背景， 采用Fluent 軟件模擬綜掘工作面風(fēng)流場(chǎng)及粉塵運(yùn)移規(guī)律，提出綜掘工作面擾動(dòng)撥流控塵技術(shù)，并開展現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。

1 工程概況

1.1 工作面條件

富家凹煤業(yè)有限公司礦井生產(chǎn)能力為2.5 Mt/a，批準(zhǔn)開采2—11 號(hào)煤層，井田面積為17.862 3 km2，開采標(biāo)高為+1 409.98～+1 099.98 m。煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。礦井通風(fēng)方式為中央并列式，采用機(jī)械抽出式通風(fēng)方法。該礦11309 綜掘工作面布置于11 號(hào)煤層三采區(qū)南側(cè)。工作面整體為單斜構(gòu)造，北西高、南東低，走向118～153°，傾向28～63°，傾角0～?4°。工作面開切眼長(zhǎng)度為285 m， 走向長(zhǎng)度為1 800 m。開采的11 號(hào)煤層位于山西組下部，頂板為泥巖、中粒砂巖，底板為鋁質(zhì)泥巖、K1 石灰?guī)r。煤層厚度為2.15～3.20 m，含1 層夾矸（厚度為0～ 0.1 m） ， 煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1.2 存在的問題

在11309 綜掘工作面，綜掘機(jī)截割部裝配內(nèi)噴霧、外噴霧裝置，并在運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)處設(shè)置噴霧裝置。此外，綜掘工作面安設(shè)KCS?310DX 濕式除塵風(fēng)機(jī)，同時(shí)采取濕式打眼施工、設(shè)置凈化水幕、沖洗巷道、個(gè)體防護(hù)、粉塵在線監(jiān)測(cè)等粉塵防治措施。然而11309 綜掘工作面總體降塵效果仍不夠理想。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，若在綜掘工作面綜掘機(jī)作業(yè)時(shí)未采取任何降塵措施， 粉塵濃度達(dá)1 500 mg/m3 以上。采取一些常規(guī)降塵措施后，工作面粉塵濃度仍達(dá)700 mg/m3 以上。