李曉斌

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 工程概況

西山煤電馬蘭礦南七采區(qū)12702 工作面所開采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2 號煤層。南七采區(qū)走向長為2000～3250 m，平均2600 m，傾斜長為850～2375 m，平均1600 m，采區(qū)面積為4.86 km2?？刹擅簩訛?#煤層，煤厚1.74～2.60 m，平均2.18 m，煤層傾角1°～4°，屬較穩(wěn)定可采近水平薄至中厚煤層。12702 工作面為南七采區(qū)第二個回采工作面，采煤方法為走向長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤方法，工作面采用雙滾筒采煤機割煤，其螺旋滾筒配合工作面刮板輸送機前移裝煤。運煤由工作面刮板輸送機到轉載機，由轉載機至膠帶輸送機后至南七帶式輸送機。工作面采用ZY5000-12/28 型掩護式液壓支架支護頂板，采用全部垮落法處理采空區(qū)。工作面回采巷道包括運輸順槽、回風順槽及開切眼，巷道沿煤層頂板掘進。工作面采用“U”型通風系統(tǒng)，掘進工作面采用長壓短抽式通風、附壁式風筒控塵技術。為進一步降低掘進工作面粉塵濃度，改善工作環(huán)境，在12702運輸順槽掘進施工中，開展了通風除塵技術優(yōu)化研究，取得了良好效果。

2 馬蘭礦快速掘進工作面通風方式

快速掘進工作面施工期間在作業(yè)區(qū)域產生大量的粉塵顆粒，常用的除塵方式是通過局扇通風，通風方式可分為壓入式、抽出式和混合式[1]，其中降塵效果最顯著且應用最為廣泛的是混合式。馬蘭礦采用長壓短抽式通風，該方式以壓入式通風為主、抽出式為輔，壓風筒出風口距離迎頭較遠，沿作業(yè)區(qū)全程布置，抽風筒需設置在有效吸程范圍內，距離迎頭處較近，壓、抽風筒間重疊段應在10～60 m之間。具體布置方式如圖1。

圖1 長壓短抽通風示意圖（m）

3 長壓短抽式通風除塵系統(tǒng)數(shù)值模型

為分析快速掘進工作面粉塵運移規(guī)律，以馬蘭礦12702 運輸順槽掘進為背景，采用Fluent 軟件進行數(shù)值模擬分析[2]，采用Solidworks 模塊進行幾何建模，按照1:1 幾何尺寸進行建模。為保證模擬結果的可靠性，對掘進工作面掘錨一體化機組、配套設備進行幾何形狀的簡化，選取模擬巷道總長度60 m，采用矩形斷面，寬×高=5.45 m×3.9 m；采用ABM20 型掘錨機，主體簡化為6 m×4.9 m×3 m 的長方體；壓風筒簡化為直徑1.0 m 的圓柱體，中心軸線距巷道頂板和煤壁分別700 mm；抽風筒簡化為直徑800 mm 的圓柱體，設置于巷道中部掘進機正上方，抽風筒與KCS-225D 礦用濕式除塵風機連接；除塵器簡化為6 m×1.4 m×1.2 m 的長方體；帶式轉載機和膠帶輸送機均簡化為橫截面為1 m×0.2 m 的長方體?？焖倬蜻M工作面整體幾何模型如圖2（a），幾何模型建好后采用Tetrahedrons 網格劃分方法劃分后的模型如圖2（b）。

圖2 三維數(shù)值模型示意圖

4 長壓短抽式除塵系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

4.1 壓風筒位置優(yōu)化

采用上述數(shù)值模擬對壓風筒與迎頭最優(yōu)距離進行模擬研究，結合馬蘭礦快速掘進工作面實際情況，壓風筒出風量為570 m3/min，風筒直徑1.0 m，換算出風口風速為12.1 m/s，抽風筒位置固定在距離迎頭3 m 掘錨機正上方，抽風量500 m3/min，風筒直徑0.8 m，換算抽風口風速為16.6 m/s。分別假設壓風筒出風口與迎頭距離Ly為11～19 m，每2 m 為一個梯度，設計5 組模擬分析方案?？紤]到現(xiàn)場施工作業(yè)人員呼吸高度為1.5 m，截取高度1.5 m 處粉塵濃度分布情況作為參考依據(jù)，整理得到結果如圖3。

圖3 不同 Ly 條件下呼吸帶高度粉塵濃度分布圖

根據(jù)圖3 可知，其余條件固定不變，僅改變壓風筒出風口與迎頭距離，巷道內高度1.5 m 呼吸帶粉塵濃度存在顯著差異：當與迎頭距離小于13 m時，吹至迎頭處風速較高，導致塵源處大量粉塵隨風流進入巷道空間，在巷道中部形成多個渦流，粉塵不易抽出，呼吸帶粉塵濃度較高；當與迎頭距離在13～15 m 之間，風流將粉塵控制在掘錨機前方的回風側，呼吸帶內粉塵濃度較低，降塵效果良好；當與迎頭距離大于17 m，由于壓風口距塵源距離過大，壓風作用小，不能將塵源粉塵有效控制，粉塵擴散彌漫在整個巷段內，掘錨機司機位置粉塵濃度達到500 mg/m3，降塵效果不理想。綜上可知，當壓風筒口距迎頭15 m時，工作面整體粉塵濃度較低，除塵效果較理想。

4.2 壓抽比優(yōu)化模擬研究

長壓短抽通風方式條件下，當抽風量大于壓風量時，會使掘進作業(yè)區(qū)域新鮮風流過小，不滿足相關規(guī)程[3]，因此壓風量通常大于抽風量。為確定馬蘭礦2#煤層快速掘進工作面最佳壓抽比，采用上述模型進行模擬研究。抽風筒位置固定在距離迎頭3 m 掘錨機正上方，抽風量固定為500 m3/min，風筒直徑0.8 m，壓風筒直徑為1.0 m，與迎頭距離固定為15 m，壓抽比分別為1.0～1.4，換算得到各壓抽比條件壓風筒的出風量和風速，得到不同壓抽比條件下巷道內高度1.5 m 處粉塵濃度模擬結果如圖4。

圖4 不同壓抽比條件下呼吸帶高度粉塵濃度分布圖

由圖4 可知，壓抽比與巷道內粉塵分布具有明顯的關聯(lián)性，當壓抽比小于1.2 時，掘錨機前方及附近區(qū)域粉塵濃度較高，擴散情況嚴重，司機作業(yè)位置呼吸帶粉塵濃度達到900～1300 mg/m3，降塵效果較差；當壓抽比為1.3 時，高濃度粉塵集中分布在掘錨機前方，掘錨機及巷道內粉塵濃度較低，長壓短抽式通風除塵系統(tǒng)除塵效果達到最佳；當壓抽比為1.4～1.5 時，由于壓風口出風風速過大，將大量未被凈化的粉塵攜帶擴散，導致巷道被高濃度粉塵充斥，降塵效果極差甚至失效。綜上可知，當壓抽比為1.3 時降塵效果最佳。

5 現(xiàn)場應用效果分析

為考察模擬研究成果的可靠性，馬蘭礦12702運輸順槽掘巷期間采用長壓短抽式通風方式，壓風筒距迎頭15 m，出風量650 m3/min。壓入式局部通風機規(guī)格型號：FBD №6.0-2×11kW，風筒型號：D=1000 mm 的礦用抗靜電柔性阻燃風筒。抽風筒距迎頭3.0 m，采用KCS-225D 礦用濕式除塵風機，風筒選用Φ800 mm 抗靜電阻燃伸縮風筒，抽風量500 m3/min。12702 運輸順槽采用上述控塵技術掘巷階段，采用AKFC-92A 型粉塵采樣器進行粉塵采樣[4]，采樣時間20 min，通過稱重得到粉塵濃度數(shù)據(jù)。測點均布置在高度1.5 m 呼吸帶內，測點1 布置在掘錨機司機位置，位于壓風筒一側，距迎頭7.0 m，測點2～12 布置在巷道回風側，掘錨機后方5～60 m，測定回風側粉塵濃度的變化規(guī)律。參考數(shù)值模擬研究結果及原12701 工作面回采巷道掘巷階段粉塵測試結果，整理得到結果如圖5。

由圖5 可以看出，原通風條件下，掘錨機司機處粉塵濃度模擬值為514 mg/m3，實測值為486 mg/m3，模擬與實測結果相差很小，說明模擬方案及結果的可靠性。采用參數(shù)優(yōu)化后通風方式條件下，掘錨機司機處粉塵濃度實測值為211 mg/m3，與原有通風條件下相比減小了56.5%，司機處粉塵濃度顯著降低。巷道回風側濃度顯著高于進風側，且粉塵濃度在掘錨機前方和后方呈斷崖式跌落，說明大部分粉塵無法脫離負壓抽吸區(qū)的籠罩范圍，僅少部分粉塵涌出至掘進巷道回風側方向。原通風條件下，回風側粉塵濃度實測值為745～186 mg/m3；參數(shù)優(yōu)化后通風條件下，粉塵濃度為510～23 mg/m3，掘進工作面呼吸帶內粉塵濃度顯著降低。綜上可得，采用參數(shù)優(yōu)化后的長壓短抽除塵系統(tǒng)可有效控制快速掘進工作面粉塵。

6 結論

馬蘭礦2#煤層快速掘進工作面采用長壓短抽除塵系統(tǒng)，通過數(shù)值模擬研究分析對其參數(shù)進行優(yōu)化，確定壓風筒距迎頭最佳距離為15 m，壓風筒出風量為650 m3/min，抽風筒距迎頭3 m，抽風筒風量為500 m3/min，壓抽比為1.3。在12702 運輸順槽掘進期間現(xiàn)場實測結果表明，采用優(yōu)化后的長壓短抽除塵系統(tǒng)，掘錨機司機處粉塵濃度降低56.5%，巷道回風側粉塵濃度顯著減小，粉塵基本控制在掘錨機前方，除塵效果效顯著。