楊俊磊

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

煤炭是我國(guó)的主要能源[1]，為保證煤炭的持續(xù)安全供應(yīng)，近年來(lái)，一大批高產(chǎn)高效礦井集中涌現(xiàn)，其主要特征是，機(jī)械化程度高、單面產(chǎn)量高、巷道掘進(jìn)快[2]。快速掘進(jìn)造成工作面生產(chǎn)時(shí)粉塵污染嚴(yán)重，為此，常采用長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)除塵技術(shù)進(jìn)行治理[3-6]，取得了一定的效果，但并不理想。其原因是除塵系統(tǒng)未采用控塵裝置或者是控除塵工藝參數(shù)設(shè)置不合理，造成除塵系統(tǒng)的收塵效率較低。在不影響工作面安全生產(chǎn)的前提下，如何解決原除塵系統(tǒng)增加控塵裝置后，控塵裝置軸徑向出風(fēng)比及軸徑向出風(fēng)距離的耦合作用同控塵效果的關(guān)系，得出合理的控除塵工藝參數(shù)，成為工作面降塵效率提升的關(guān)鍵。

筆者以紅柳林煤礦3-1煤回風(fēng)巷為研究對(duì)象，通過(guò)采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法，開展分風(fēng)控除塵技術(shù)的研究，為類似條件的工作面粉塵治理提供借鑒。

1 模型建立與參數(shù)設(shè)定

1.1 工作面概況

紅柳林煤礦3-1煤回風(fēng)巷采用EBZ-200H型綜掘機(jī)，沿煤層頂板掘進(jìn)，二運(yùn)配合DSJ-800型膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤。巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 527 m，掘進(jìn)斷面寬6 m、高3.5 m。采用兩班生產(chǎn)，一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺為3 m，日進(jìn)尺12 m。工作面采用直徑0.8 m風(fēng)筒供風(fēng)，供風(fēng)量460 m3/min。

1.2 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，確定其位置和顆粒粒徑等參數(shù)，通過(guò)離散相模型計(jì)算粉塵在風(fēng)流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)[7-11]。

1.3 物理模型的建立

根據(jù)3-1煤回風(fēng)巷的設(shè)備布置，簡(jiǎn)化后，建立了該工作面等比例的物理模型，模型中主要部件及位置關(guān)系如圖1所示。掘進(jìn)巷道為50 m×6 m×3.5 m的長(zhǎng)方體；供風(fēng)風(fēng)筒為φg=0.8 m的圓柱體，附壁風(fēng)筒為φf(shuō)=0.8 m、l=4 m的圓柱體，附壁風(fēng)筒出風(fēng)口為φc=0.5 m的圓柱體，其軸線與水平面的夾角為30°，斜向上，整流風(fēng)筒為φz=0.8 m的圓柱體，出風(fēng)口距工作面6 m，風(fēng)筒中軸線距頂板0.6 m，距巷道左幫0.7 m；掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)化為11 m×3.2 m×1.9 m的長(zhǎng)方體；除塵器簡(jiǎn)化為3 m×1.3 m×1.1 m的長(zhǎng)方體，距工作面29 m；二運(yùn)過(guò)渡風(fēng)筒為φe=0.6 m、lc=1.9 m的圓柱體；抽塵風(fēng)筒為φch=0.6 m、lch=18.7 m的圓柱體；機(jī)面吸塵罩為4.2 m×1.0 m×0.5 m的長(zhǎng)方體，距離工作面4.3 m。

圖1 工作面物理模型Fig. 1 Physical model of working surface

1.4 邊界條件及參數(shù)的設(shè)定

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：湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，開啟DPM模型，關(guān)閉能量方程；風(fēng)筒出風(fēng)口設(shè)置為速度入口，供風(fēng)量為460 m3/min，巷道出口設(shè)置為自由出流，除塵風(fēng)機(jī)出口設(shè)置為速度出口，處理風(fēng)量為450 m3/min，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的壁面設(shè)置為粉塵捕獲面，巷道及所有部件壁面均為無(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)見(jiàn)表1。其中，dmin為最小粒徑、dmax為最大粒徑、dmed為中粒徑。

表1 粉塵源參數(shù)

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

為了確定3-1煤回風(fēng)巷最佳的控除塵工藝參數(shù)，提高除塵系統(tǒng)的收塵效率，在保證有效稀釋工作面瓦斯?jié)舛鹊臈l件下，對(duì)不同軸徑向出風(fēng)比與不同軸徑向出風(fēng)距離兩者耦合作用下的風(fēng)流場(chǎng)-粉塵場(chǎng)進(jìn)行了研究。

2.1 不同通風(fēng)參數(shù)下風(fēng)流場(chǎng)-粉塵場(chǎng)分布規(guī)律

對(duì)軸向出風(fēng)口距工作面6 m、附壁風(fēng)筒徑向出風(fēng)口與工作面的距離分別為10、15、20、25 m、軸徑向出風(fēng)比分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5(見(jiàn)表2)時(shí)，不同通風(fēng)參數(shù)下的風(fēng)流場(chǎng)-粉塵場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析。其中，Q為出風(fēng)量，S為出風(fēng)口面積，v為出風(fēng)口風(fēng)速。工作面主要作業(yè)人員是綜掘機(jī)司機(jī)，其呼吸帶高度約為2.3 m。因此，取Y=2.3 m對(duì)不同通風(fēng)方式下粉塵流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 不同軸徑向出風(fēng)比下風(fēng)量分配

附壁風(fēng)筒是將長(zhǎng)壓通風(fēng)的軸向供風(fēng)，改為軸向與徑向出風(fēng)兩部分，軸向出風(fēng)稀釋瓦斯、粉塵等，徑向出風(fēng)形成沿巷道軸向的螺旋風(fēng)流，如圖2所示，并在工作面吸塵口的負(fù)壓抽吸作用下向工作面推進(jìn)，且沿程風(fēng)流動(dòng)能衰減，風(fēng)速不斷降低；并在工作面附近與軸向出風(fēng)回風(fēng)流相互作用，隨著軸徑向出風(fēng)距離及出風(fēng)量的大小，影響工作面范圍內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)-粉塵場(chǎng)的分布。

圖2 附壁風(fēng)筒出風(fēng)口斷面風(fēng)流狀態(tài)Fig. 2 Air condition at outlet section of wall duct

不同通風(fēng)參數(shù)下的粉塵場(chǎng)分布如圖3所示。不同通風(fēng)參數(shù)下不同斷面的風(fēng)流狀態(tài)如圖4所示。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)徑向出風(fēng)口距工作面25 m時(shí)，由于距離較遠(yuǎn)，徑向旋流風(fēng)流到達(dá)工作面后衰減嚴(yán)重，與軸向射流回風(fēng)流的“平衡區(qū)域”在掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾以后，造成掘進(jìn)機(jī)范圍內(nèi)的巷道污染嚴(yán)重，隨著軸徑向出風(fēng)比的減小，徑向旋流風(fēng)量的增加，平衡區(qū)域有向前推進(jìn)的趨勢(shì)，但1∶5的軸徑向出風(fēng)比仍不能將“平衡區(qū)域”推進(jìn)到吸塵口附近的理想位置，如圖3a所示。

當(dāng)徑向出風(fēng)口距工作面20 m時(shí)，軸徑向出風(fēng)比在1∶2時(shí)，在旋流風(fēng)流進(jìn)入掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾后(z=11m)形成供風(fēng)風(fēng)筒側(cè)指向工作面、掘進(jìn)機(jī)機(jī)面上方及右側(cè)空間指向-x方向的旋流控塵風(fēng)幕，如圖4a所示，此時(shí)風(fēng)幕厚度約為2.5 m，高濃度粉塵被控制在工作面4.3 m范圍內(nèi)，掘進(jìn)機(jī)范圍內(nèi)巷道粉塵濃度大大降低，如圖3b所示。并隨著軸徑向出風(fēng)比的減小，徑向出風(fēng)量的增加，風(fēng)幕厚度不斷增加，控塵效果不斷增強(qiáng)，在軸徑向出風(fēng)比1∶5時(shí)，風(fēng)幕厚度達(dá)到4.5 m。

圖3 不同軸徑向出風(fēng)比與不同徑向出風(fēng)距離耦合作用下粉塵場(chǎng)分布Fig. 3 Dust field distribution under coupling effects of different axial and radial air outlet ratios and different radial air outlet distances

隨著徑向出風(fēng)口的繼續(xù)前移及軸徑向出風(fēng)比的減小，掘進(jìn)機(jī)右側(cè)的回風(fēng)流，在徑向出風(fēng)口距工作面15 m、軸徑向出風(fēng)比為1∶2時(shí)，形成供風(fēng)風(fēng)筒側(cè)指向工作面、掘進(jìn)機(jī)機(jī)面上方及右側(cè)空間指向-x方向、機(jī)尾直至吸塵口的旋流控塵風(fēng)幕，如圖4b所示。風(fēng)幕在軸徑向出風(fēng)比1∶3時(shí)，隨著徑向出風(fēng)量增加，形成風(fēng)筒附近、掘進(jìn)機(jī)右側(cè)風(fēng)流方向指向工作面，掘進(jìn)機(jī)左側(cè)下部、機(jī)面上方指向x方向、機(jī)尾直至吸塵口的旋流控塵風(fēng)幕，如圖4c所示。此時(shí)，掘進(jìn)機(jī)刮板輸送機(jī)通道風(fēng)流方向由-z方向轉(zhuǎn)變?yōu)閦方向，高濃度粉塵沿此通道運(yùn)移到掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾，如圖5所示。在機(jī)尾渦流的作用下，又被風(fēng)流帶回工作面，造成掘進(jìn)機(jī)范圍內(nèi)巷道嚴(yán)重的粉塵污染，隨著軸徑向出風(fēng)比的減小，平衡區(qū)域向供風(fēng)風(fēng)筒區(qū)域偏移，司機(jī)區(qū)作業(yè)環(huán)境惡化，如圖3c所示。因此，非常有必要在掘進(jìn)機(jī)刮板輸送機(jī)通道設(shè)置密閉此通道的全斷面噴霧，對(duì)粉塵進(jìn)行徹底的沉降。

圖4 不同通風(fēng)參數(shù)下不同斷面的風(fēng)流狀態(tài)Fig. 4 Air flow at different sections under different ventilation parameters

圖5 徑向出風(fēng)距離15 m、軸徑向出風(fēng)比1∶3時(shí)粉塵沿刮板輸送機(jī)通道運(yùn)移Fig. 5 Radial air outlet distance of 15 m, axial diameter air outlet ratio of 1∶3, dust migration along scraper conveyor channel

隨著徑向出風(fēng)口前移到距工作面10 m，附壁風(fēng)筒徑向旋流出風(fēng)形成指向工作面的強(qiáng)控塵風(fēng)幕，并在軸徑向出風(fēng)比1∶2時(shí)，形成掘進(jìn)機(jī)機(jī)面x方向指向的控塵風(fēng)幕，且在掘進(jìn)機(jī)截割部范圍內(nèi)的巷道中形成逆時(shí)針?lè)较虻臏u流，在此渦流的作用下，工作面粉塵被控制偏向供風(fēng)風(fēng)筒側(cè)，造成排塵速度減慢，此部分粉塵濃度很高，嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的視線，隨著軸徑向出風(fēng)比的減小，高濃度粉塵團(tuán)被進(jìn)一步壓縮到供風(fēng)風(fēng)筒側(cè)，并局部擴(kuò)散，造成掘進(jìn)機(jī)司機(jī)作業(yè)環(huán)境的惡化，如圖3d所示。同時(shí)，掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾轉(zhuǎn)載位置因與橋架皮帶有高差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)載時(shí)煤炭撞擊產(chǎn)生大量粉塵，此時(shí)，徑向旋流出風(fēng)正好經(jīng)過(guò)此位置，因此更會(huì)加劇作業(yè)環(huán)境的惡化。

2.2 不同軸向出風(fēng)距離風(fēng)流場(chǎng)-粉塵場(chǎng)分布規(guī)律

以徑向出風(fēng)口距工作面20 m，軸徑向出風(fēng)比1∶2為例，對(duì)軸向出風(fēng)口與工作面距離2、4、6、8、10 m五種情況進(jìn)行了模擬，如圖6所示。隨著軸向出風(fēng)口距工作面距離的減小，軸向出風(fēng)到達(dá)工作面工作面風(fēng)速的提高，其對(duì)工作面的擾動(dòng)作用越來(lái)越強(qiáng)。軸向出風(fēng)口距工作面6～10 m，控塵效果差別不大，高濃度粉塵基本被控制在工作面約4.3 m范圍內(nèi)；軸向出風(fēng)口距工作面4 m，高濃度粉塵開始逐步擴(kuò)散；在軸向出風(fēng)口距工作面2 m時(shí)，高濃度粉塵已擴(kuò)散到約15.0 m，司機(jī)位置的粉塵濃度已高達(dá)444.3 mg/m3。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證模擬的合理性，選取軸向出風(fēng)口距工作面6 m、徑向出風(fēng)口距工作面15、20 m、軸徑向出風(fēng)比1∶2、1∶3、1∶4、未采取分風(fēng)，以及徑向出風(fēng)口距工作面20 m、軸徑向出風(fēng)比1∶2、軸向出風(fēng)口距工作面2、4、6、8 m共10種情況，并對(duì)刮板輸送機(jī)流道治理前后，依據(jù)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》，采用CCZ20型個(gè)體呼吸性粉塵采樣器，對(duì)司機(jī)位置進(jìn)行了連續(xù)8 h測(cè)量，其結(jié)果如表3所示，其中，dz為軸向出風(fēng)距離，dj為徑向出風(fēng)距離，γ為軸徑向出風(fēng)比，ρq為治理前呼吸性粉塵時(shí)間加權(quán)濃度，ρh為治理后呼吸性粉塵時(shí)間加權(quán)濃度，ηq為治理前降塵效率，ηh為治理后降塵效率。

表3 不同控塵參數(shù)司機(jī)位置粉塵濃度

由表3可知，采取控塵措施后，司機(jī)位置呼吸性粉塵濃度明顯降低，降粉效率達(dá)88.7%～94.4%，司機(jī)視野能見(jiàn)度大幅度提高。軸向出風(fēng)口距工作面6 m、徑向出風(fēng)口距工作面15、20 m、不同軸徑向出風(fēng)比下，降塵效果與數(shù)值模擬趨勢(shì)基本一致；徑向出風(fēng)口距工作面20 m控塵效果略好于徑向出風(fēng)口距工作面15 m；刮板輸送機(jī)流道治理后，粉塵濃度出現(xiàn)不同程度的降低，其中，徑向出風(fēng)口距工作面15 m、軸徑向出風(fēng)比1∶3，降塵效率提高41.3%。徑向出風(fēng)距離20 m、軸徑向出風(fēng)比1∶2、軸向出風(fēng)口距工作面2、4、6、8 m，控塵效果與數(shù)值模擬趨勢(shì)基本一致。軸向出風(fēng)距離8、6 m，降塵效果要好于4 m，軸向出風(fēng)距離2 m降塵效果最差。

4 結(jié) 論

(1)從控塵、排塵以及避免轉(zhuǎn)載揚(yáng)塵的角度出發(fā)，徑向出風(fēng)距離應(yīng)控制在15～20 m左右，軸徑向出風(fēng)比控制在1∶2～1∶5，距迎頭距離越近，軸徑向出風(fēng)比偏向1∶2，距迎頭距離越遠(yuǎn)，軸徑向出風(fēng)比偏向1∶5，且應(yīng)在刮板輸送機(jī)通道設(shè)置全斷面噴霧，以降低通過(guò)此通道運(yùn)移的粉塵濃度及增加煤炭濕度，降低轉(zhuǎn)載產(chǎn)塵。為達(dá)到比較理想的控塵效果，軸向出風(fēng)距離應(yīng)控制在6～10 m。

(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，刮板輸送機(jī)流道未采取治理措施時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。軸向出風(fēng)口距工作面6 m、徑向出風(fēng)口距工作面15～20 m、軸徑向出風(fēng)比1∶2～1∶4，司機(jī)位置呼吸性粉塵可控制在20.3 mg/m3以內(nèi)，降塵效率提升到91.6%以上，降塵效果明顯。