蘇 斌

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

山西焦煤西山煤電集團公司馬蘭礦12054工作面開采2號煤層，煤層均厚3.26 m，平均含有一層夾矸，夾矸巖性為粉砂質(zhì)泥巖，厚度0.17 m；工作面采用一次采全高的采煤方法，采用MG-250/600-WD型采煤機，采高為3.26 m，循環(huán)進度為0.6 m，采用全部垮落法管理頂板，工作面的絕對瓦斯涌出量為23.73 m3/min，煤層爆炸性指數(shù)為25.34%，屬于Ⅱ類自燃煤層；工作面采用“U”型通風(fēng)，通風(fēng)量為1 575m3/min。現(xiàn)為有效優(yōu)化回采工作面的作業(yè)環(huán)境，特進行工作面粉塵運移規(guī)律的分析及降塵方案的設(shè)計與實施。

2 粉塵擴散運移規(guī)律分析

根據(jù)眾多試驗研究和工程實踐表明[1-2]，工作面采煤機割煤作業(yè)時，此時的粉塵濃度較高[1-2]，現(xiàn)為掌握工作面粉塵運移規(guī)律，特以采煤機割煤作業(yè)時為研究對象，使用F luent數(shù)值模擬軟件建立模擬模型，模型中設(shè)置工作面風(fēng)流速度為0.25～4 m/s，假設(shè)采煤機割煤作業(yè)時的產(chǎn)塵量一定，工作面內(nèi)的氣液體為穩(wěn)態(tài)的兩相流動，根據(jù)工作面采煤機的型號，建立一個尺寸為：長×寬×高=7 m×2.3 m×3.882 m采煤機滾筒區(qū)域的模型，同時為充分研究采煤機滾筒在不同工況下的粉塵運移規(guī)律，進行采煤機4種工況下割煤作業(yè)時粉塵濃度的模擬分析，模擬方案見表1。

表1 采煤機不同運行工況模擬方案表

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出采煤機在不同工況下，滾動區(qū)域附近粉塵濃度三維分布如圖1所示。

圖1 采煤機不同運行工況下粉塵濃度分布云圖

分析圖1可知，A工況下采煤機割煤作業(yè)時，粉塵擴散到溜槽上的濃度較低，但靠近煤壁位置處的粉塵濃度較大，粉塵濃度最大的區(qū)域為采煤機滾筒下側(cè)四分之一圓周的位置，粉塵濃度最大值約為426 mg/m3；B工況下，割煤作業(yè)時產(chǎn)生的粉塵濃度最大值同樣出現(xiàn)在滾筒機身下側(cè)四分之一圓周的位置處，，粉塵濃度在該工況下除靠近煤壁的區(qū)域稍微偏大，其余區(qū)域粉塵在風(fēng)流的作用下呈現(xiàn)出均勻擴散的形式；C工況下滾筒靠近機身側(cè)和溜槽的上部為粉塵濃度最大的區(qū)域，且溜槽上部的粉塵濃度還要大于滾筒靠近機身側(cè)，該工況下采煤機截割產(chǎn)生的粉塵在煤壁與滾筒靠近機身側(cè)形成死角，該區(qū)域的粉塵濃度達到529 mg/m3，另外在溜槽上部及滾筒靠近機身側(cè)也形成了高濃度區(qū)域，粉塵濃度高達320 mg/m3；D工況下采煤機割煤產(chǎn)生的粉塵濃度較高的區(qū)域為溜槽上部，粉塵濃度達到340 mg/m3，在逆風(fēng)風(fēng)流的作用下，粉塵逐漸擴散，導(dǎo)致溜槽上部下風(fēng)向的粉塵濃度可達到429 mg/m3；采煤機在進行割煤作業(yè)產(chǎn)生的粉塵向溜槽區(qū)域移動后，其濃度約為240 mg/m3，隨后其會在風(fēng)流的作用逐漸向外擴散。

基于上述工作面在4種工況下的粉塵運移規(guī)律的分析可知，工作面采煤機在進行順風(fēng)割煤作業(yè)時，此時粉塵高濃度區(qū)域主要出現(xiàn)在滾筒下側(cè)四分之一圓周處以及滾筒靠近機身側(cè)；工作面采煤機進行逆風(fēng)割煤時，此時粉塵高濃度區(qū)域主要出現(xiàn)在滾筒靠近機身側(cè)的附近以及溜槽上部；據(jù)此可知無論工作面是在順風(fēng)割煤還是逆風(fēng)割煤時，采煤機后滾筒上的粉塵濃度均大于前滾筒上產(chǎn)生的粉塵濃度，且在工作面下風(fēng)向3 m的位置處，其粉塵濃度仍達到160～320 mg/m3，該數(shù)值模擬結(jié)果為工作面氣水噴霧系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

3 氣水噴霧降塵技術(shù)

3.1 方案設(shè)計

為確保12504工作面氣水噴霧的實施效果，現(xiàn)基于采煤機割煤作業(yè)時的粉塵擴散運移規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果，特進行氣水噴霧系統(tǒng)的具體設(shè)計，主要包括噴嘴的選擇與設(shè)計、氣水比的確定、噴霧系統(tǒng)的布置。

1）噴嘴的選擇與設(shè)計：常規(guī)噴嘴噴出的水霧顆粒較大，對呼吸性粉塵的降塵效果影響較大，現(xiàn)基于壓氣霧化液體原理對常規(guī)噴嘴進行優(yōu)化改進，利用高頻聲波對水進行高度霧化，優(yōu)化后噴嘴見圖2；同時該噴嘴可實現(xiàn)調(diào)節(jié)氣水壓力及流量的配比，以對不同粒徑的粉塵進行捕捉，，基于眾多研究表明[3-4]，該類噴嘴噴出的水霧顆粒基本在7～50μm的范圍內(nèi)，其能夠產(chǎn)生的霧化角在40°～50°的范圍內(nèi)。

圖2 氣水霧化噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2）最佳氣水比的確定：噴霧系統(tǒng)所產(chǎn)生的霧粒徑大小是影響噴霧系統(tǒng)降塵效果的主要因素，其中霧粒徑大小的主要由氣壓、水壓等因素決定，根據(jù)相關(guān)研究表明[5-6]，氣水霧粒在直徑為15～35μm、噴霧速度控制在20～40 m/s時除塵效果較好，此時對應(yīng)的氣壓與水壓數(shù)據(jù)見表2。

表2 噴霧降塵系統(tǒng)氣壓選擇參數(shù)表

3）噴霧系統(tǒng)的布置：基于上述數(shù)值模擬結(jié)果，現(xiàn)設(shè)置噴霧系統(tǒng)主要實現(xiàn)抑制采煤機滾筒處的粉塵、降低采煤機前方的粉塵濃度、并對采煤機與刮板輸送機間的粉塵進行隔離，防止其向人行道進行擴散，結(jié)合上述原則，確定噴霧系統(tǒng)的噴嘴主要設(shè)置在滾筒處、滾筒前方及采煤機與刮板輸送機之間。

滾筒處降塵：采煤機滾筒區(qū)域為主要的產(chǎn)塵點，若此處噴霧系統(tǒng)中的噴嘴布置不合理時，便難以達到水霧對滾筒全面包裹的效果，現(xiàn)基于單個噴嘴的霧化角需小于橫向和縱向霧化角的原則，設(shè)置2組并排的噴嘴，每組噴嘴布置2個，以此實現(xiàn)噴嘴產(chǎn)生的水霧全面包裹滾筒，具體噴霧降塵系統(tǒng)滾筒處的水霧覆蓋效果如圖3所示。

圖3 噴霧降塵系統(tǒng)滾筒處噴霧覆蓋效果圖

滾筒前方降塵：在采煤機滾筒前方，由于該處的粉塵濃度較高且無法實測得出，噴嘴覆蓋角的計算公式如下：

式中：σ為滾筒前方噴霧覆蓋角；L為滾筒中心軸到采煤機主體邊緣的距離；h為滾筒厚度；R為滾筒半徑；l為系統(tǒng)安排外邊緣到采煤機主體邊緣間的距離；結(jié)合工作面采煤機型號，計算得出滾筒前方噴霧覆蓋角σ大于單個噴嘴的覆蓋角α，但小于單個噴嘴的覆蓋角α的2倍，故在此處設(shè)計一排2個噴嘴，具體該處噴嘴噴霧的覆蓋效果如圖4所示。

圖4 滾筒前方噴霧降塵效果示意圖

采煤機搖臂與刮板輸送機間噴霧：基于上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，在采煤機搖臂與刮板輸送機之間產(chǎn)生的另一個主要的產(chǎn)塵點，現(xiàn)為確保采煤機搖臂外側(cè)與人行道之間形成一道水霧帶，以防止采煤機附近的粉塵向人行道區(qū)域運移，在采煤機內(nèi)側(cè)設(shè)置一個四分之一圓，并在圓上設(shè)置噴嘴，噴嘴設(shè)置的個數(shù)主要與單個噴嘴所能覆蓋的角度α決定，具體噴嘴設(shè)置個數(shù)的表達式為：

式中：n為噴嘴的布置個數(shù)，基于上述選擇的噴嘴類型可知，噴嘴霧化的角度在30°～40°之間，代入式（2）中后，確定在圓弧上均勻布置4個噴嘴，4個噴嘴的角度分別為0°、30°、60°和90°；另外考慮到0°角下方為綜采工作面的另一個主要的產(chǎn)塵點，現(xiàn)為抑制該處粉塵的產(chǎn)生，在原有噴嘴的基礎(chǔ)上再增加1個垂直向下的噴嘴，以此實現(xiàn)抑制粉塵擴散的目的，其所能實現(xiàn)噴霧覆蓋效果如圖5所示。

圖5 采煤機搖臂與刮板輸送機間噴霧覆蓋效果圖

3.2 效果分析

為評價氣水噴霧系統(tǒng)實施后的降塵效果，分別在噴霧系統(tǒng)實施前后采煤機順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤時溜槽沿程的粉塵濃度進行測試，根據(jù)測試結(jié)果得出如圖6所示曲線。

圖6 氣水噴霧系統(tǒng)實施前后粉塵濃度曲線圖

分析圖6可知，氣水噴霧系統(tǒng)實施后，無論在順風(fēng)割煤還是逆風(fēng)割煤時，工作面溜槽沿程的粉塵濃度均大幅降低，其中順風(fēng)割煤時溜槽的降塵率可達到60%～80%，逆風(fēng)割煤時溜槽的降塵率可達到40%～70%，降塵效果顯著。

4 結(jié)論

根據(jù)12054工作面煤層賦存特征，采用數(shù)值模擬進行粉塵擴散運移規(guī)律分析，得出工作面高濃度粉塵的主要區(qū)域，結(jié)合模擬結(jié)果進行氣水噴霧降塵方案的設(shè)計，根據(jù)降塵方案實施前后的粉塵濃度測試結(jié)果可知，噴霧系統(tǒng)降塵效果顯著，優(yōu)化了回采作業(yè)環(huán)境。