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        水峪煤業(yè)全煤巷綜掘工作面降塵技術(shù)研究

        2024-03-30 08:09:50柳瑞忠
        煤炭與化工 2024年2期
        關(guān)鍵詞:附壁風(fēng)筒降塵

        柳瑞忠

        (山西汾西礦業(yè)(集團(tuán)) 有限責(zé)任公司,山西 介休 032000)

        1 工程背景

        水峪煤業(yè)81106 工作面開(kāi)采太原組10+11 號(hào)煤層,煤層平均厚度7.95 m,煤層傾角1°~13°,平均傾角3°,煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作面東部為實(shí)體煤(距81104 工作面350 m),西鄰井田邊界,南距八采區(qū)邊界約1 300 m,北鄰八采區(qū)3 條大巷。工作面具體頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

        表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)Table 1 Coal seam roof and floor structure

        目前正在掘進(jìn)81106 工作面運(yùn)輸巷,巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面,凈寬5.2 m,凈高3.5 m,為全煤巷,采用綜合機(jī)械法掘進(jìn)。由于煤層普式硬度僅為0.5~0.96,且濕潤(rùn)性差,導(dǎo)致煤層干燥且易碎,在掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的粉塵,現(xiàn)有除塵系統(tǒng)治理下的總粉塵濃度仍較高,作業(yè)能見(jiàn)度較低,嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)及工人健康。因此,考慮在風(fēng)筒出風(fēng)口處安置附壁控塵風(fēng)筒[1],為達(dá)到理想的降塵效果,需對(duì)控塵風(fēng)筒合理的軸徑向出風(fēng)比進(jìn)行研究。

        2 數(shù)值模擬分析

        2.1 建立模型

        根據(jù)81106 運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面實(shí)際情況,模型中各風(fēng)筒、掘進(jìn)機(jī)及司機(jī)的位置關(guān)系如圖1(a)所示,采用Fluent 數(shù)值模擬軟件建立CFD 模型如圖1(b) 所示。模型中實(shí)體的表面均設(shè)置為無(wú)滑移邊界,風(fēng)筒出風(fēng)口為自由流體。

        圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

        采用附壁控塵風(fēng)筒后,由于其可在軸向及徑向同時(shí)出風(fēng),在除塵器前方形成一道風(fēng)墻,將掘進(jìn)產(chǎn)生的粉塵控制在掘進(jìn)面范圍內(nèi),并有除塵器及抽塵風(fēng)筒吸出,有效防止粉塵向掘進(jìn)面后方擴(kuò)散,并使司機(jī)等作業(yè)人員處于新鮮風(fēng)流下工作。

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,設(shè)置風(fēng)筒總供風(fēng)量為560 m3/min,分別選取附壁的風(fēng)筒軸徑向出風(fēng)比為1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 進(jìn)行模擬分析,各軸徑向出風(fēng)比的具體風(fēng)流分配參數(shù)見(jiàn)表2。

        表2 附壁風(fēng)筒軸徑向模擬風(fēng)流參數(shù)分配Table 2 Distribution of axial and radial simulated airflowparameters of wall-attached duct

        2.2 模擬結(jié)果分析

        選取距底板高度2.5 m 的位置進(jìn)行風(fēng)流場(chǎng)的分析,如圖2 所示。

        圖2 風(fēng)流場(chǎng)云圖Fig.2 Cloud picture of wind flowfield

        由圖2 可以看出,隨著軸徑向出風(fēng)比的減小,徑向出風(fēng)量增大,掘進(jìn)面迎頭的低風(fēng)速(低于0.25 m·s-1) 的范圍逐漸擴(kuò)大,不利于瓦斯的及時(shí)排出,容易在工作面形成瓦斯積聚,存在一定的安全隱患。而抽塵風(fēng)筒附近的低風(fēng)速區(qū)域則隨著軸徑向出風(fēng)比的減小而減小,有利于粉塵的抽出。出風(fēng)比為1∶2 及1∶3 時(shí)的低風(fēng)速范圍相對(duì)較小,且大部分位于掘進(jìn)面風(fēng)流回轉(zhuǎn)側(cè),便于探測(cè)瓦斯?jié)舛炔㈩A(yù)警示,出風(fēng)比為1∶4 及1∶5 時(shí)的風(fēng)速范圍較大,且基本覆蓋了整個(gè)巷道斷面,不利于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警管理。

        不同軸徑向出風(fēng)比的粉塵濃度分布云圖如圖3所示。

        圖3 粉塵濃度分布云圖Fig.3 Distribution cloud of dust concentration

        由圖3 可知,當(dāng)軸向出風(fēng)比為1∶3、1∶4 及1∶5 時(shí),粉塵基本集中在掘進(jìn)面迎頭后方4 m 的范圍內(nèi),未出現(xiàn)向后擴(kuò)散的趨勢(shì);而軸向出風(fēng)比為1∶2 時(shí),粉塵集中區(qū)域較大,司機(jī)位置完全處于高粉塵濃度環(huán)境下,降塵效果較差。

        提取司機(jī)位置處及抽塵風(fēng)筒內(nèi)的粉塵濃度進(jìn)行對(duì)比分析,如圖4 ~圖5 所示。

        圖4 司機(jī)處粉塵濃度對(duì)比Fig.4 Comparison of dust concentration at driver's place

        圖5 抽塵風(fēng)筒內(nèi)粉塵濃度對(duì)比Fig.5 Comparison of dust concentration in dust extraction duct

        由圖4 可知,未安設(shè)附壁風(fēng)筒進(jìn)行控塵處理時(shí),司機(jī)位置處的粉塵濃度達(dá)到了1 596.43 mg/m3;安設(shè)了附壁風(fēng)筒后,司機(jī)處的粉塵濃度大幅降低,軸徑向出風(fēng)比為1∶2 時(shí),司機(jī)處的粉塵濃度降低至567.86 mg/m3;軸徑向出風(fēng)比為1∶3 時(shí),司機(jī)處的粉塵濃度降至最低,為12.80 mg/m3;軸徑向出風(fēng)比為1∶4 時(shí),司機(jī)處的粉塵濃度降低至18.99 mg/m3;軸徑向出風(fēng)比為1∶4 時(shí),司機(jī)處的粉塵濃度相比1∶2、1∶3 時(shí)有所升高,為61.91 mg/m3。

        由圖5 可知,未安設(shè)附壁風(fēng)筒進(jìn)行控塵處理時(shí),抽塵風(fēng)筒內(nèi)的粉塵濃度最高僅為1 446.78 mg/m3,大部分粉塵在掘進(jìn)面積聚并向后方擴(kuò)散,作業(yè)環(huán)境較差;軸徑向出風(fēng)比為1∶3 時(shí),抽塵風(fēng)筒的抽塵效率最高,其抽吸粉塵濃度最高達(dá)到了5 934.28 mg/m3;軸徑向出風(fēng)比為1∶2 時(shí),抽塵風(fēng)筒的抽塵效率相對(duì)較低,其抽吸粉塵濃度最高為2 325.78 mg/m3;軸徑向出風(fēng)比為1∶4 及1∶5 時(shí),抽塵風(fēng)筒抽吸粉塵濃度最高分別為4 651.58 mg/m3及3 311.15 mg/m3。

        綜上分析,附壁風(fēng)筒軸徑向出風(fēng)比為1∶3 時(shí)的司機(jī)處粉塵濃度最低,且抽塵風(fēng)筒的吸塵效率最高,降塵效果最佳。

        3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

        3.1 直觀效果分析

        未采用附壁風(fēng)筒進(jìn)行控塵降塵處理前,掘進(jìn)面后方35 m 范圍內(nèi)粉塵濃度較大,能見(jiàn)度較低,司機(jī)憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行巷道截割,巷道成型質(zhì)量較差。安設(shè)附壁風(fēng)筒后,掘進(jìn)面能見(jiàn)度大幅改善,粉塵大部分被抽出,司機(jī)割煤視眼較清晰,巷道斷面成型質(zhì)量較高。

        3.2 出風(fēng)比現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比分析

        為明確附壁風(fēng)筒合理的軸徑向出風(fēng)比,在現(xiàn)場(chǎng)布置好控塵系統(tǒng)后,分別進(jìn)行了1∶2、1∶3 及1∶4 的軸徑向出風(fēng)比控塵試驗(yàn),并對(duì)司機(jī)處的粉塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并匯總結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3 不同出風(fēng)比司吉處粉塵濃度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Table 3 Field test of dust concentration at different outlet ratios in Siji

        由表3 可知,3 種軸徑向出風(fēng)比下,司機(jī)位置的粉塵濃度均得到了控制,其中出風(fēng)比為1∶3 時(shí)的控塵效果最佳,其總粉塵平均濃度為25.0 mg/m-3,呼吸性粉塵平均濃度為11.6 mg/m-3,結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果,最終確定附壁風(fēng)筒合理的軸徑向出風(fēng)比為1∶3。

        3.3 綜合效果分析

        在81106 運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面,采用1∶3 軸徑向出風(fēng)比進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn),并對(duì)司機(jī)位置處及掘進(jìn)機(jī)后方5 m 處進(jìn)行粉塵濃度監(jiān)測(cè),與優(yōu)化前的粉塵濃度進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表4 所示。

        表4 81106 運(yùn)輸巷掘進(jìn)面粉塵濃度測(cè)試Table 4 Test of dust concentration in tunneling face of 81106 transportation roadway

        由表4 可知,掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的原始粉塵中,司機(jī)位置的總粉塵濃度高達(dá)2 655 mg/m3,呼吸性粉塵濃度高達(dá)607 mg/m3,僅開(kāi)啟除塵器進(jìn)行降塵處理時(shí),司機(jī)處總粉塵濃度降低至1 221.2 mg/m3,呼吸性粉塵濃度降低至309.7 mg/m3,總粉塵及呼吸性粉塵的降塵效率分別為54.38%及48.98%;而同時(shí)開(kāi)啟除塵器及1∶3 軸徑向出風(fēng)比的附壁風(fēng)筒后,司機(jī)位置的總粉塵濃度降低至25.9 mg/m3,呼吸性粉塵濃度降低至12.4 mg/m3,總粉塵及呼吸性粉塵的降塵效率分別高達(dá)99.02%及97.96%,明顯優(yōu)于原除塵系統(tǒng)。

        掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾后5 m 的原始總粉塵濃度為906 mg/m3,原始呼吸性粉塵濃度為223 mg/m3,僅開(kāi)啟除塵器進(jìn)行降塵處理時(shí),總粉塵濃度降低至482.5 m3,呼吸性粉塵濃度降低至127.4 mg/m3,降塵效率分別為46.74%及42.87%;而同時(shí)開(kāi)啟除塵器及附壁風(fēng)筒后,總粉塵濃度降低至22.2 mg/m3,呼吸性粉塵濃度降低至8.2 mg/m3,降塵效率分別達(dá)到了97.55%及96.32%。

        可以看出,采用1∶3 軸徑向出風(fēng)比的附壁風(fēng)筒后,整個(gè)掘進(jìn)面的粉塵濃度大幅降低,其中總粉塵降塵率為98.28%, 呼吸性粉塵的降塵率為97.14%。治理效果十分顯著,保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。

        4 結(jié)論

        (1) 通過(guò)數(shù)值模擬分析了附壁風(fēng)筒不同軸徑向出風(fēng)比下,掘進(jìn)面風(fēng)速及粉塵濃度的變化情況,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn),綜合確定出合理的軸徑向出風(fēng)比為1∶3。

        (2) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,采用1∶3 軸徑向出風(fēng)比的附壁風(fēng)筒后,司機(jī)位置的總粉塵濃度降低至25.9 mg/m3,呼吸性粉塵濃度降低至12.4 mg/m3,掘進(jìn)機(jī)后5 m 處總粉塵濃度降低至22.2 mg/m3,呼吸性粉塵濃度降低至8.2 mg/m3,治理效果顯著,保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。

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