楊俊磊

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

0 引 言

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)煤礦巖巷掘進(jìn)主要采用鉆爆法[1-2]，隨著大功率綜掘機(jī)的應(yīng)用，越來(lái)越多礦井推廣使用綜掘機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)[3]。由于截割過(guò)程截齒與巖石的相互作用[4-5]，造成作業(yè)時(shí)粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)，而且呼吸性粉塵占比高，嚴(yán)重危害工人的職業(yè)健康安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤礦塵肺病患者中巖巷作業(yè)人員的占比高達(dá)85%以上[6]。為此，常采用噴霧降塵、泡沫除塵、除塵器除塵、通風(fēng)除塵等技術(shù)措施解決粉塵污染問(wèn)題[7]。抽出式通風(fēng)新鮮風(fēng)流沿巷道進(jìn)入工作面，污風(fēng)通過(guò)風(fēng)筒排出，除塵效果極好[8]，但由于粉塵在風(fēng)筒內(nèi)沉積，易造成瓦斯集聚及含瓦斯污風(fēng)通過(guò)局部通風(fēng)機(jī)等因素影響導(dǎo)致在長(zhǎng)距離煤巷掘進(jìn)中應(yīng)用較少，而在短距離以排除粉塵為主的巖巷掘進(jìn)中可克服其上述不利影響[9]。

目前，關(guān)于抽出式通風(fēng)在大斷面全巖綜掘工作面的應(yīng)用及研究未見(jiàn)報(bào)道，對(duì)不同通風(fēng)參數(shù)下粉塵的運(yùn)移規(guī)律認(rèn)識(shí)不清。因此，筆者以紅柳林煤礦3-1煤輔運(yùn)巷全巖段為研究對(duì)象，通過(guò)采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)影響抽出式通風(fēng)除塵效果的通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行分析，得出最佳的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，為類(lèi)似條件的工作面抽出式通風(fēng)除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工作面概況

北二盤(pán)區(qū)3-1煤輔運(yùn)巷巖巷段全長(zhǎng)630.2 m，斷面寬5.8 m、高4.6 m。采用1臺(tái)EBZ-230型綜掘機(jī)掘進(jìn)，1臺(tái)30礦用防爆裝載機(jī)配合5臺(tái)礦用防爆無(wú)軌膠輪車(chē)進(jìn)行巖石轉(zhuǎn)載運(yùn)輸。工作面采用兩班生產(chǎn)，日進(jìn)尺4.0 m。工作面計(jì)算配風(fēng)量300 m3/min。

據(jù)實(shí)測(cè)，采用壓入式通風(fēng)，工作面正常生產(chǎn)未采取措施時(shí)，司機(jī)位置的總粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)1 000 mg/m3以上，呼吸性粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)500 mg/m3以上，遠(yuǎn)超《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)要求。因該巖巷段通風(fēng)距離較短，且臨近總回風(fēng)巷，為達(dá)到理想的除塵效果，改用抽出式通風(fēng)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，風(fēng)量、風(fēng)筒直徑、進(jìn)風(fēng)口與掘進(jìn)工作面距離3個(gè)通風(fēng)參數(shù)是影響抽出式通風(fēng)除塵效果的主要因素[8]。但是對(duì)這3個(gè)參數(shù)與除塵效果的關(guān)系掌握不清，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，首先建立工作面的物理模型，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)比分析，確定合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。

2 數(shù)值模擬

2.1 求解過(guò)程

首先，采用SIMPLE算法計(jì)算風(fēng)流的流場(chǎng)速度等參數(shù)，然后創(chuàng)建離散相噴射源，確定其位置、顆粒粒徑等參數(shù)，采用離散相模型計(jì)算粉塵在風(fēng)流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)[10-14]。

2.2 物理模型的建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置，選取掘進(jìn)工作面30.0 m范圍，簡(jiǎn)化后，建立該工作面等比例物理模型。模型中掘進(jìn)機(jī)長(zhǎng)、寬、高分別為10.4、3.2、1.7 m；司機(jī)位于綜掘機(jī)左側(cè)，距掘進(jìn)工作面7.2 m；選取掘進(jìn)機(jī)炮頭處為塵源點(diǎn)；設(shè)置風(fēng)筒中心高度為3.8 m，離右側(cè)巷道壁面0.5 m，模型尺寸為30.0 m×5.8 m×4.6 m，如圖1所示。

圖1 工作面簡(jiǎn)化物理模型Fig. 1 Simplified physical model of working face

2.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)綜掘工作面具體情況及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合FLUENT的計(jì)算方法和數(shù)學(xué)模型確定數(shù)值模擬的各參數(shù)及邊界條件如下：湍流模型設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，開(kāi)啟DPM模型，關(guān)閉能量方程；風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口圓面設(shè)置為速度進(jìn)口，巷道后端壁面設(shè)置為自由流動(dòng)，巷道四周壁面及掘進(jìn)機(jī)、風(fēng)筒等壁面均為無(wú)滑移固體邊界條件。粉塵粒徑分布服從Rosin-rammler分布規(guī)律。粉塵源主要參數(shù)如表1所示。

表1 粉塵源的主要參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)除塵效果的影響

工作面計(jì)算配風(fēng)量300 m3/min。為了研究風(fēng)量對(duì)除塵效果的影響，設(shè)置風(fēng)量分別為300、350、400、500 m3/min，風(fēng)筒直徑為800 mm，風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口與掘進(jìn)工作面距離為2 m。所得到的不同風(fēng)量下粉塵場(chǎng)分布如圖2所示，其中，ρ為粉塵質(zhì)量濃度。

圖2 不同風(fēng)量下工作面粉塵場(chǎng)分布Fig. 2 Dust flow field distribution on working face at different air volumes

由圖2可知，不同風(fēng)量下，工作面粉塵運(yùn)移及分布規(guī)律基本一致。由于掘進(jìn)工作面進(jìn)風(fēng)口前方區(qū)域風(fēng)流方向基本指向風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口，截割頭產(chǎn)生的高濃度粉塵隨工作面風(fēng)流運(yùn)移，因此，產(chǎn)生的粉塵沒(méi)有向司機(jī)側(cè)擴(kuò)散，總體上向風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口運(yùn)移；同時(shí)，由于自身重力及掘進(jìn)工作面區(qū)域巷道下部局部渦流作用，粉塵在掘進(jìn)機(jī)右側(cè)至掘進(jìn)工作面區(qū)域底板附近聚集，此部分粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)1 000 mg/m3以上。粉塵沿底板擴(kuò)散最遠(yuǎn)，最大擴(kuò)散距離約3.4 m，不同風(fēng)量下此距離基本保持不變。因此，工作面配風(fēng)量已經(jīng)滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)除塵的需要，抽風(fēng)量的增加，除塵效果并未出現(xiàn)明顯變化，反而通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性變差。因此，將工作面計(jì)算配風(fēng)量作為抽出式通風(fēng)的抽風(fēng)量。

3.2 風(fēng)筒直徑對(duì)系統(tǒng)除塵效果的影響

為了研究風(fēng)筒直徑對(duì)除塵效果的影響，分別設(shè)置風(fēng)筒直徑為600、800、1 000、1 200 mm，風(fēng)量為300 m3/min，風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口與掘進(jìn)工作面距離為2.0 m，得到不同風(fēng)筒直徑下粉塵場(chǎng)分布如圖3所示。

圖3 不同風(fēng)筒直徑下工作面粉塵場(chǎng)分布 Fig. 3 Dust flow field distribution on working face under different duct diameters

從圖3可以看出，不同直徑抽風(fēng)風(fēng)筒的控塵效果差別不大。1 200、1 000 mm直徑的風(fēng)筒控塵效果略好于600、800 mm。負(fù)壓抽塵效果與工作面風(fēng)速密切相關(guān)，因此，對(duì)掘進(jìn)工作面0～3.0 m范圍內(nèi)l分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m巷道斷面的平均風(fēng)速[15]及風(fēng)速均勻性系數(shù)[15]進(jìn)行了計(jì)算，如圖4所示。

圖4 不同風(fēng)筒直徑下各斷面平均風(fēng)速及風(fēng)速分布均勻性系數(shù)Fig. 4 Average wind speed and wind speed distribution uniformity coefficient of each section within different duct diameters

由圖4可知，不同直徑下，掘進(jìn)工作面0～3.0 m范圍內(nèi)各斷面平均風(fēng)速及風(fēng)速均勻性差別不大；隨風(fēng)筒直徑的增大，各斷面風(fēng)流分布均勻性越好，風(fēng)筒吸風(fēng)口前各斷面的風(fēng)速有所增加，有利于減少掘進(jìn)工作面風(fēng)速小于0.15 m/s的區(qū)域；風(fēng)筒直徑越小，吸風(fēng)口所在斷面的平均風(fēng)速越高。同時(shí)，通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，高濃度粉塵經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的運(yùn)移后，大顆粒的粉塵會(huì)在風(fēng)筒內(nèi)不斷沉積，造成風(fēng)筒的有效斷面減小，風(fēng)阻增大。因此，綜合考慮控塵效果、粉塵在風(fēng)筒內(nèi)沉積以及安裝便利性等因素，風(fēng)筒直徑建議選擇1 000 mm。

3.3 進(jìn)風(fēng)口與工作面距離對(duì)系統(tǒng)除塵效果的影響

抽出式通風(fēng)為負(fù)壓通風(fēng)，可認(rèn)為風(fēng)流的有效作用范圍為有效吸程區(qū)外邊界流線(xiàn)最遠(yuǎn)點(diǎn)與風(fēng)筒口斷面的距離。在有效吸程以外的區(qū)域，風(fēng)流速度低，粉塵排出困難。按照工程經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口與掘進(jìn)工作面的距離可按下式計(jì)算，即

(1)

式中：L——風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口與掘進(jìn)工作面的距離；

S——巷道斷面面積。

3-1煤輔運(yùn)巷斷面面積為26.68 m2，則風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口與掘進(jìn)工作面的距離應(yīng)控制在7.74 m以?xún)?nèi)。

為了研究進(jìn)風(fēng)口與工作面距離對(duì)除塵效果的影響，設(shè)置進(jìn)風(fēng)口與工作面距離L分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、6.0、8.0 m，風(fēng)量為300 m3/min，風(fēng)筒直徑為1 000 mm，得到進(jìn)風(fēng)口與工作面不同距離下粉塵場(chǎng)分布如圖5所示。

圖5 不同進(jìn)風(fēng)口與工作面距離下工作面粉塵場(chǎng)分布Fig. 5 Dust flow field distribution on working face with different distance between air ducts and working face

由圖5可以看出，隨著風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口與掘進(jìn)工作面距離的增加，高濃度粉塵逐漸向巷道進(jìn)風(fēng)口方向擴(kuò)散，L在0.5～1.5 m范圍時(shí)，產(chǎn)生的粉塵迅速被吸入風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口；L在2.0～4.0 m范圍時(shí)，由于風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口的負(fù)壓作用起主導(dǎo)作用，風(fēng)流主要指向風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口，高濃度粉塵在風(fēng)流作用下，主要分布在掘進(jìn)機(jī)右側(cè)，總體上呈現(xiàn)出以風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口為頂點(diǎn)、以底板為邊的“三角形”分布，高濃度粉塵在底板附近擴(kuò)散最遠(yuǎn)，當(dāng)L分別為2.0、2.5、3.0、4.0 m時(shí)，最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離分別為6.5、6.8、7.0、7.2 m，此部分粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)1 000 mg/m3以上。當(dāng)L為5.0、6.0、8.0 m時(shí)，高濃度粉塵擴(kuò)散到司機(jī)側(cè)。L=5.0 m時(shí)，掘進(jìn)機(jī)左側(cè)高濃度粉塵最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離7.8 m，司機(jī)呼吸帶高濃度粉塵擴(kuò)散距離達(dá)到5.3 m，司機(jī)對(duì)側(cè)粉塵已經(jīng)擴(kuò)散到7.5 m。巖塵在司機(jī)前方呈煙狀懸浮，嚴(yán)重影響司機(jī)的視線(xiàn)，此種情況下，司機(jī)不得不停機(jī)，等待粉塵被風(fēng)筒抽吸干凈，視野清晰后才能繼續(xù)掘進(jìn)，因此，導(dǎo)致掘進(jìn)效率大大降低。當(dāng)L分別為6.0、8.0 m時(shí)，司機(jī)呼吸帶高濃度粉塵擴(kuò)散距離分別達(dá)到6.8、8.7 m，L=8.0 m時(shí)，司機(jī)位置的粉塵質(zhì)量濃度為1 025.2 mg/m3，遠(yuǎn)超國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)2 050余倍。

高濃度粉塵對(duì)司機(jī)的視線(xiàn)影響嚴(yán)重，容易造成工人誤操作，巷道成形差，因此，考慮風(fēng)筒控塵效果及高濃度粉塵對(duì)司機(jī)視線(xiàn)的影響，風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口與工作面距離應(yīng)控制在4.0 m以?xún)?nèi)。

4 抽出式通風(fēng)除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)工作面配風(fēng)量及最大通風(fēng)距離，設(shè)計(jì)采用FBCD№6.3/2×22型抽出式風(fēng)機(jī)，直徑為1 000 mm的抗靜電、阻燃負(fù)壓伸縮風(fēng)筒，風(fēng)筒沿巷道右側(cè)巷頂布置，離右側(cè)、巷頂壁面均為0.5 m。由于風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)臨近總回風(fēng)巷，將風(fēng)機(jī)污風(fēng)通過(guò)風(fēng)筒導(dǎo)入總回風(fēng)巷，同時(shí)，在風(fēng)機(jī)排風(fēng)口下風(fēng)側(cè)集中設(shè)置多道噴霧，對(duì)粉塵進(jìn)行凈化處理。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及應(yīng)用效果

依據(jù)GBZ/T 192.1—2007《工作場(chǎng)所空氣中粉塵測(cè)定 第1部分：總粉塵濃度》、GBZ/T 192.2—2007《工作場(chǎng)所空氣中粉塵測(cè)定 第2部分：呼吸性粉塵濃度》，在正常生產(chǎn)的情況下，對(duì)壓入式通風(fēng)及改造后抽出式通風(fēng)(風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口距工作面約4.0 m)，在綜掘機(jī)司機(jī)處、機(jī)組回風(fēng)側(cè)5.0 m，對(duì)粉塵濃度進(jìn)行多次測(cè)定，取平均值，結(jié)果如表2所示。

表2 不同通風(fēng)方法下的粉塵質(zhì)量濃度

對(duì)進(jìn)風(fēng)口與工作面距離為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 m時(shí)，司機(jī)位置粉塵濃度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果如圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)除塵效果如圖7所示。

圖6 不同進(jìn)風(fēng)口與工作面距離下司機(jī)位置粉塵濃度Fig. 6 Dust concentration at driver’s position with different distances between air inlet and working face

圖7 現(xiàn)場(chǎng)效果Fig. 7 Field rendering

由圖6可知，進(jìn)風(fēng)口與工作面距離與粉塵質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)與數(shù)值模擬基本一致。隨著進(jìn)風(fēng)口與工作面距離的增加，司機(jī)位置粉塵濃度不斷升高；進(jìn)風(fēng)口與工作面距離大于4.0 m，粉塵質(zhì)量濃度出現(xiàn)激增。L=5.0 m時(shí)，司機(jī)位置總粉塵和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別達(dá)到33.7、14.4 mg/m3，已經(jīng)超過(guò)《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)要求的67倍和72倍。

6 結(jié) 論

(1)工作面計(jì)算配風(fēng)量已經(jīng)滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)除塵的需要，增加配風(fēng)量，除塵效果提升不明顯，反而通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性變差。風(fēng)筒直徑對(duì)系統(tǒng)除塵效果的影響不明顯，考慮風(fēng)筒積塵、安裝便利性等，應(yīng)選擇直徑1 000 mm的風(fēng)筒。

(2)進(jìn)風(fēng)口與工作面的距離是影響抽出式通風(fēng)除塵效果的主要影響因素。為了達(dá)到較好的除塵效果，減少高濃度粉塵對(duì)司機(jī)視線(xiàn)的影響，進(jìn)風(fēng)口與工作面的距離應(yīng)控制在4.0 m以?xún)?nèi)。

(3)采用抽出式通風(fēng)方法，進(jìn)風(fēng)口距工作面4.0 m時(shí)，綜掘機(jī)司機(jī)處和機(jī)組回風(fēng)側(cè)5.0 m處，總粉塵降塵效率分別達(dá)到98.7%、99.7%，呼吸性粉塵降塵效率分別達(dá)到98.5%、99.7%，顯著改善了工作面的生產(chǎn)環(huán)境，保證了工人的職業(yè)健康安全。