陳 芳

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

近年來，隨著煤礦安全形勢的好轉(zhuǎn)，對礦井粉塵防治要求越來越高。煤礦井下掘進工作面的產(chǎn)塵量在井下總產(chǎn)塵量中所占的比例僅次于綜采工作面，而巷道掘進又以其工序多、塵源集中、粉塵分散度高的特點，成為防塵的重點[1-3]。由于掘進工作面采用主動壓風、被動出風的通風模式，使得綜掘機割煤和煤壁垮落沖擊產(chǎn)生的大量粉塵在巷道風流擾動下，會迅速擴散至整個作業(yè)空間，司機處瞬時總粉塵濃度高達1000～3000mg/m3，致使工作面能見度降低，影響作業(yè)人員正常操作，嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)和作業(yè)人員身心健康[4，5]。

目前，綜掘工作面的粉塵防治措施主要有高壓噴霧、風流控塵、長壓短抽通風除塵等[6-9]，但在現(xiàn)場使用時存在一些不利因素：一是綜掘工作面高壓外噴霧雖霧化效果好，降塵效率可達到80%左右，但使工作面氣流變?yōu)闅忪F狀，彌漫至整個巷道，反而加重了對作業(yè)人員操作視線的影響，有一定的生產(chǎn)隱患；二是工作面雖安裝了除塵效果較好的長壓短抽除塵器系統(tǒng)和附壁風筒控塵裝置進行控除塵抽塵凈化，但是由于控塵裝置沒有對壓入風流出風口與煤壁距離相對位置進行匹配控制，致使控塵效果有限，除塵器吸塵罩不能快速抽吸含塵氣流，捕集粉塵效率較低，導致除塵器整體使用效率低，不能完全發(fā)揮長壓短抽除塵系統(tǒng)高效除塵的功能，工作面粉塵污染依然比較嚴重[10-12]。目前蔣仲安、程衛(wèi)民等多位學者對綜掘工作面控風控塵技術(shù)進行了相關(guān)研究，闡述了控塵的重要性，但未能給出控塵參數(shù)選擇理論計算依據(jù)，軸徑向出風風量與出風距離參數(shù)匹配關(guān)系依然不明確，現(xiàn)場應(yīng)用中沒有可參考計算依據(jù)[13-16]。本論文就是在現(xiàn)有研究結(jié)果基礎(chǔ)上，更進一步研究控風控塵參數(shù)影響關(guān)系，達到控風控塵目的，提升除塵系統(tǒng)捕集效率，從而達到高效除塵。

1 分段控風控塵原理

分段控風控塵系統(tǒng)主要由附壁風筒、調(diào)風閥門、整流風筒等組成。分段控風控塵主要是將原有供風風筒單一軸向出風改變成軸向和徑向兩段出風，即在巷道一側(cè)供風風筒上添加附壁風筒，實現(xiàn)徑向出風，而附壁風筒上開有若干并列小窗口，實現(xiàn)徑向二次分段出風，使得徑向風流盡量均勻進入巷道，在附壁效應(yīng)的作用下最終形成均勻向前推進的風墻，使作業(yè)人員處于新鮮風流中，同時在抽塵系統(tǒng)的配合下，風墻可持續(xù)有效控制粉塵向作業(yè)空間擴散，達到控風控塵的目的?？仫L控塵可利用調(diào)風裝置實現(xiàn)軸徑向出風量的調(diào)節(jié)。經(jīng)過大量現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，軸徑向出風口出風量、出風口與煤壁距離等因素與控塵效果有直接影響關(guān)系，適當減小迎頭風速對粉塵治理有積極作用。分段控風控塵原理如圖1所示。

圖1 分段控風控塵原理

工作面正常工作時，軸徑向出風形成的新鮮風流風墻向前移動，達到工作面煤壁后夾帶割煤粉塵形成含塵氣流并轉(zhuǎn)向向后移動，由于后續(xù)新鮮風流不斷加入到含塵氣流中，使得含塵氣流云團不斷壯大并逐漸向后擴散，這時工作面前部區(qū)域會持續(xù)存在新鮮風流與含塵氣流相互作用面，該作用面就是控制粉塵向外擴散的臨界面，稱其為控塵面(如圖1所示)。為達到控塵目的，就需要對控塵面的位置進行控制。在抽塵系統(tǒng)的作用下，含塵氣流不斷被抽走，在后部新鮮風流的推動作用下控塵面會向前移動，當控塵面前移到抽塵系統(tǒng)抽塵口處時抽塵系統(tǒng)會抽走新鮮風流，加之綜掘機緩慢前行，前部含塵氣流又會向后擴散移動，以此循環(huán)往復，控塵面就會在工作面前部出現(xiàn)前后循環(huán)移動。為了作業(yè)人員避免粉塵危害和提高抽塵效率，就需要對控塵面的位置進行有效控制，即控塵面的位置應(yīng)位于綜掘機司機和前部抽塵口之間。要控制控塵面的位置，可通過調(diào)節(jié)閥門使軸徑向出風口與工作面煤壁之間的距離和出風量相匹配，保證作業(yè)人員始終處于新鮮分流中，使控塵區(qū)域內(nèi)的含塵氣流始終保持在司機前方，同時控塵面還必須保證所有吸風口均位于控塵區(qū)域內(nèi)，使各個吸風口均抽吸含塵氣流，將除塵器抽塵凈化功能發(fā)揮到最大限度。

2 控風控塵參數(shù)的確定

2.1 軸向出風距離與出風量的關(guān)系

綜掘工作面壓入式通風由于受到巷道壁的影響，其風流流動實際上是有限空間的受限粘附射流通風，符合粘附射流特征。根據(jù)綜掘面通風布置條件，建立計算模型如圖2所示。

式中，Q0為軸向出風風量，m3/min；d0為風筒直徑，m；簡化后，得到：

依據(jù)綜掘工作面巷道允許最小風速要求，即煤巷掘進迎頭最小風速應(yīng)大于0.25m/s，因此要使風筒射流斷面風速達到迎頭煤壁且風速達到規(guī)定要求，即V≥k×0.25m/s，其中k為風速安全系數(shù)，此時軸向出風風量與出風口與掘進面迎頭煤壁距離S0的關(guān)系：

出風量與出風口距離、出風口形狀及大小有關(guān)，當出風口直徑一定時，出風量與出風口距離成正比關(guān)系，出風口距離越遠所需風量越大，出風量與出風口距離之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 出風距離與出風風量關(guān)系曲線

2.2 徑向出風距離與出風量的關(guān)系

徑向分風是通過附壁風筒多個矩形小窗口來實現(xiàn)的，每個小窗口以等距、等面積均勻分布于附壁風筒上的，可以保證徑向出風的均勻性，實現(xiàn)每個矩形窗口等風量分風。

由于徑向出風同屬于粘附射流，射流斷面到達迎頭煤壁時，射流斷面平均風速也需滿足相關(guān)規(guī)定的最小風速要求，同時由于附壁風筒分段出風口矩形，寬為a，高為b，且滿足寬高比小于5，根據(jù)相關(guān)文獻研究結(jié)果，也可利用式(1)—(4)進行計算。由于徑向出風口為矩形，為減小出風形狀對風流的影響誤差，可通過面積等效原理，將矩形窗口等效成圓形出口，計算得到單個小窗口出風有效直徑。

即：

徑向出風參照軸向出風作近似處理，射流風速到達迎頭煤壁風速同樣要滿足最小風速要求，因此將式(6)參照帶入式(5)得到單個徑向出風口有效出風量與出風距離關(guān)系為：

將式(8)帶入式(7)得到單個徑向出風口距迎頭距離S1為：

通過以上分析，可得到軸徑向出風量與出風距離的關(guān)系如公式(10)所示，當工作面條件確定后，就可計算得到相應(yīng)的理論控風控塵參數(shù)。

其中，α為紊流系數(shù)，一般取0.08～0.12；k為最低風速安全系數(shù)，一般取1.1；Q0為軸向出風風量，m3/min；Qc為除塵系統(tǒng)處理風量，m3/min；Qy為工作面供風風量，m3/min；S0為軸向出風口與迎頭煤壁距離，m；S1為徑向出風口與迎頭煤壁距離，m；d0為風筒直徑，m；n為徑向出風附壁風筒上開口數(shù)量；a為附壁風筒單個開口寬度，m；b為附壁風筒單個開口高度，m。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為了驗證控塵參數(shù)理論計算公式的有效性，選取中煤華晉王家?guī)X煤礦綜掘面開展了現(xiàn)場應(yīng)用效果試驗研究。

3.1 控塵參數(shù)的確定

綜掘面巷道寬度為5.0m，高為3.6m，選擇Φ1000風筒供風，設(shè)計供風量為550m3/min，實測風量為500m3/min，同時配備了KCS-550D型濕式過濾除塵器及抽塵管道與綜掘機機面吸塵罩連接，形成長壓短抽通風控除塵系統(tǒng)，實際處理風量450m3/min，現(xiàn)場作業(yè)規(guī)程規(guī)定軸向出風口距離迎頭5～10m，徑向出風口寬×高=200×250mm，開口數(shù)量為8個。對于軟風筒供風，紊流系數(shù)α取0.11，安全系數(shù)k取1.1，計算得到相應(yīng)控風控塵參數(shù)關(guān)系。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，計算得到綜掘面具體控塵參數(shù)，詳見表1。

表1 控風控塵參數(shù)表

3.2 應(yīng)用效果分析

根據(jù)理論分析得到的控塵參數(shù)，在現(xiàn)場開展了測試試驗，通過測試粉塵濃度變化情況，驗證控塵參數(shù)的有效性和正確性。

現(xiàn)場測試通過調(diào)節(jié)附壁風筒前端的調(diào)風閥門改變軸徑向出風量，調(diào)節(jié)風筒長度改變軸徑向出風口與工作面迎頭煤壁的距離，在控風控塵最佳匹配參數(shù)條件下，多次測試綜掘機司機位置處、一運轉(zhuǎn)載點和二運轉(zhuǎn)載點總粉塵平均濃度變化情況，測試記錄見表2。

經(jīng)過現(xiàn)場測定在在只使用噴霧措施時，綜掘面司機位置原始粉塵濃度為2744mg/m3，在增加了通風控除塵系統(tǒng)且控塵參數(shù)未經(jīng)改進優(yōu)化前，司機位置總粉塵濃度平均為1224.8mg/m3，綜掘機機尾一運轉(zhuǎn)載點總粉塵濃度平均為489.7mg/m3，機尾二運轉(zhuǎn)載點總粉塵濃度平均為253.2mg/m3，此時工作面降塵效率在46%～65%之間，降塵效果不佳。

表2 控風控塵參數(shù)優(yōu)化前后粉塵濃度對比情況

注：附壁風筒+除塵系統(tǒng)+噴霧。

按照控風控塵參數(shù)關(guān)系式計算得到在軸徑向出風比為1∶3、1∶4、1∶5三種條件下對應(yīng)軸徑向出風口距離迎頭煤壁距離，經(jīng)現(xiàn)場對控塵參數(shù)改進優(yōu)化后，與未優(yōu)化前相比，司機位置粉塵濃度從1224.8mg/m3下降到28.2mg/m3，粉塵濃度下降了97.7%；一運、二運轉(zhuǎn)載點粉塵濃度分別下降到14.5mg/m3和11.2mg/m3，降塵效率提高了97.0%和 95.5%。分段控風控塵對比效果如圖4所示。

圖4 控風控塵參數(shù)優(yōu)化前后粉塵濃度變化

總之，通過采取對原通風除塵系統(tǒng)分段出風控塵參數(shù)優(yōu)化后，經(jīng)過多次測試驗證，整個工作面總降塵效率提升了95%以上，總體降塵效率都達到98.4%以上，工作面通風控除塵效果有明顯改觀，工作面粉塵濃度有大幅下降，高濃度粉塵被控制在工作面前部一定范圍內(nèi)，作業(yè)環(huán)境得到明顯改善?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：通過理論分析得到控風控塵參數(shù)能夠大幅提高綜掘工作面降塵效率，對該類條件的綜掘工作面粉塵治理具有一定指導意義，可在類似工作面進行推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)綜掘工作面壓入式通風的布置形式，分析了壓風分流分段控風控塵的基本原理，提出了控塵面的存在，并建立了數(shù)學關(guān)系模型，揭示了軸徑向出風量與出風距離之間的數(shù)學關(guān)系。研究表明：軸徑向出風量與出風口距離、出風口形狀及大小有關(guān)，當出風口大小一定時，出風量與出風口距離成正比關(guān)系，出風口距離越遠所需風量越大。

2)通過現(xiàn)場應(yīng)用驗證，理論計算得到的控風控塵參數(shù)匹配后，司機位置粉塵濃度從1224.8mg/m3下降到28.2mg/m3，粉塵濃度下降了97.7%；一運、二運轉(zhuǎn)載點粉塵濃度分別下降到14.5mg/m3和11.2mg/m3，降塵效率提高了97.0%和 95.5%，降塵效果顯著。

3)經(jīng)過多次測試驗證，控風控塵參數(shù)優(yōu)化后，整個工作面總降塵效率提升了95%以上，總體降塵效率都達到98.4%以上，高濃度粉塵被控制在工作面前部一定范圍內(nèi)，說明理論分析得到控風控塵參數(shù)匹配關(guān)系能夠大幅提高綜掘工作面降塵效率，驗證了分段控風控塵的有效性，對該類條件的綜掘工作面具有一定指導意義。