文偉杰，李 寧

(1.山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司, 山西 晉城 048000; 2.山西蘭花同寶煤業(yè)有限公司, 山西 晉城 048000)

煤礦井下掘進(jìn)開采工作時，綜掘工作面產(chǎn)塵量大。巷道掘進(jìn)機(jī)械化程度的提高，大功率高效掘進(jìn)機(jī)、運(yùn)輸轉(zhuǎn)載機(jī)和局部通風(fēng)裝置的推廣使用，增大了綜掘巷道內(nèi)的產(chǎn)塵源和產(chǎn)塵量，增加了空氣中的粉塵濃度。我國大多數(shù)煤礦的煤塵都具有爆炸性，粉塵能降低作業(yè)場所的能見度，增加事故發(fā)生率。同時，粉塵會誘發(fā)肺塵病，影響工人健康。因此，對煤礦綜掘工作面采取有效的粉塵防治技術(shù)，是生產(chǎn)實(shí)際的客觀要求，也是社會進(jìn)步的必然趨勢。

1 綜掘工作面粉塵分布規(guī)律的現(xiàn)場實(shí)測

1.1 工程背景

實(shí)際生產(chǎn)過程中，綜掘工作面現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，因此還需考慮現(xiàn)場實(shí)際情況。首先對現(xiàn)場壓入式通風(fēng)系統(tǒng)粉塵分布規(guī)律進(jìn)行分析，以山西某礦為工程背景，礦井通風(fēng)方式為兩翼對角分區(qū)通風(fēng)，采取抽出式通風(fēng)方法，主要的進(jìn)回風(fēng)井分別有6個、4個，礦井的總進(jìn)風(fēng)量為27 316 m3/min，總回風(fēng)量為27 618 m3/min，選擇FBDY-NO6.3(2×30 kW)型對旋式風(fēng)機(jī)局部通風(fēng)，該風(fēng)機(jī)的啟動Ⅰ級吸入風(fēng)量為320～350 m3/min，采用d800 mm強(qiáng)力膠質(zhì)風(fēng)筒，壓入式供風(fēng)。該礦地面副斜井口有容積為2×500 m3的防塵水池，井下所有工作面及巷道均安設(shè)了完善的防塵管路和綜合防塵設(shè)施。

1.2 粉塵分布規(guī)律

在綜掘巷道布置1#—7#共7個風(fēng)速測試斷面。其中,1#、2#、3#斷面在工作面附近,1#風(fēng)速測試斷面位于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處(壓入式風(fēng)筒口后方2 m)，風(fēng)筒口距掘進(jìn)頭9 m. 4#和5#斷面稍遠(yuǎn)，以4 m間距布置，5#斷面在巷道轉(zhuǎn)載點(diǎn)處；6#和7#斷面遠(yuǎn)離工作面。為研究風(fēng)速沿程分布，分別以與前斷面距離6 m和10 m位置布置。由于遠(yuǎn)離風(fēng)筒側(cè)為現(xiàn)場主要工作區(qū)域，所以測定了該側(cè)的呼吸性粉塵濃度(測點(diǎn)4、5、6)，研究比較不同高度下全塵和呼塵濃度的沿程分布，呼吸帶高度還需比較巷道中央呼吸性粉塵濃度(測點(diǎn)7). 采用CCD1000-FB便攜式微電腦粉塵儀，調(diào)整靈敏度，設(shè)定相關(guān)系數(shù)K=0.646，測定全塵濃度；調(diào)整相關(guān)系數(shù)K=0.313，測定遠(yuǎn)離風(fēng)筒側(cè)呼吸性粉塵濃度。測得的粉塵濃度見表1.

由表1可知，粉塵濃度大體隨沿程距離的增加而減少，在轉(zhuǎn)載點(diǎn)處有明顯回升，在距掘進(jìn)頭15 m的范圍內(nèi)，粉塵濃度最高。由于大顆粒粉塵先沉降，因此巷道中上部的粉塵濃度較高，之后會有波動，但最終小顆粒粉塵漂浮在空氣中，使得巷道粉塵濃度穩(wěn)定在50 mg/m3以下。此外，對遠(yuǎn)離風(fēng)筒側(cè)和巷道中央全塵和呼吸性粉塵的濃度變化規(guī)律也進(jìn)行了探討，全塵濃度變化大，呼塵濃度變化相對平緩，且只在呼吸帶高度二者變化規(guī)律相近。

表1 綜掘工作面粉塵濃度測定記錄表

2 長壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)的試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究風(fēng)流和粉塵的運(yùn)動規(guī)律，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場良好工作環(huán)境的目的，需要根據(jù)相似理論進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)研究。改變通風(fēng)方式及參數(shù)，研究兩種通風(fēng)除塵系統(tǒng)下的流場和粉塵濃度場的分布情況，得到最優(yōu)的通風(fēng)除塵方案。長壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)是壓抽比。實(shí)驗(yàn)中壓抽風(fēng)筒直徑均為0.4 m，可通過調(diào)整風(fēng)閥改變風(fēng)速來實(shí)現(xiàn)壓抽比的變化。由于實(shí)際電力限制了抽出式風(fēng)機(jī)的功率，抽出式風(fēng)筒口的最大風(fēng)速僅能達(dá)到5.5 m/s左右，變化范圍受限。因此，為了合理調(diào)節(jié)壓抽比參數(shù)，在試驗(yàn)過程中保持吸風(fēng)風(fēng)速穩(wěn)定在5.5 m/s，通過改變壓風(fēng)風(fēng)速，完成壓風(fēng)和吸風(fēng)風(fēng)速的不同配比。該實(shí)驗(yàn)分別取壓抽比值為0.7、1.0、1.3、1.5. 需要指出的是，實(shí)際中壓抽比不能取1，實(shí)驗(yàn)中取1是為了給其他壓抽比作參考，分析不同壓抽比下粉塵的運(yùn)移情況及濃度分布，最終確定此相似系統(tǒng)下合理的壓抽比值。

2.1 測點(diǎn)布置

為了與壓入式通風(fēng)除塵對比，長壓短抽式通風(fēng)除塵相似實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也采取同樣的測試斷面和斷面測點(diǎn)布置，測點(diǎn)布置在壓風(fēng)側(cè)、吸風(fēng)側(cè)和模型中央，見圖1.根據(jù)相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置的尺寸，結(jié)合壓入式通風(fēng)流場理論基礎(chǔ)，在相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部選取1#～6#共6個待測斷面，每個全斷面上布置3×3共9個測點(diǎn)，靠近風(fēng)筒側(cè)、遠(yuǎn)離風(fēng)筒側(cè)、模型中央分別均有3個測點(diǎn)，見圖2.

圖1 測試斷面布置圖

圖2 系統(tǒng)斷面測點(diǎn)布置圖

2.2 風(fēng)速測定及流場分析

按照布置的斷面及測點(diǎn)，采用JFY-4通風(fēng)多參數(shù)測定儀進(jìn)行風(fēng)速測定。為獲取不同的壓抽比，只需調(diào)節(jié)壓風(fēng)風(fēng)閥，測定壓入風(fēng)筒口風(fēng)速，并與抽出風(fēng)筒口風(fēng)速對比，即可得到不同壓抽比情況下的風(fēng)速值。改變通風(fēng)方式之后，分析在壓風(fēng)風(fēng)量不變的情況下，增加抽出風(fēng)量后整個實(shí)驗(yàn)巷道流場的變化，即研究壓抽比為1.3時的模型巷道流場。此時，調(diào)節(jié)壓風(fēng)風(fēng)速與壓入式通風(fēng)風(fēng)速相同為7.15 m/s，抽出風(fēng)速保持為5.5 m/s.

不同通風(fēng)方式下巷道流場的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2,圖3，由此可得分布規(guī)律：

表2 壓抽比為1.3 時的風(fēng)速測定記錄表

圖3 壓抽比為1.3時長壓短抽式通風(fēng)相似模擬巷道流場變化圖

1) 吸風(fēng)側(cè)在距工作面1 m處風(fēng)速最高，這是因?yàn)榭拷槌鲲L(fēng)筒的緣故。隨后各高度風(fēng)速均下降，在3 m處1 m高度風(fēng)速回升較大，風(fēng)速在高度方向大體呈1 m>1.5 m>0.5 m的變化規(guī)律。模型中央風(fēng)速變化較為復(fù)雜，由于風(fēng)流大部分被抽出風(fēng)筒抽走，使得在2 m處1 m高度以上風(fēng)流存在較少，被頂板阻擾而向下運(yùn)動的風(fēng)流則回流至模型中央底部并持續(xù)向遠(yuǎn)處運(yùn)動，即2～3 m處0.5 m高度風(fēng)速較大，隨后在5～10 m位置風(fēng)速減小，不及高度大于1 m的風(fēng)速值。相對而言，壓風(fēng)側(cè)風(fēng)速無明顯變化，只在2 m處受壓風(fēng)射流影響，1 m和1.5 m高度風(fēng)速值較高，隨后隨沿程減小，最終穩(wěn)定在0.3 m/s左右。

2) 0.5 m高度，吸風(fēng)風(fēng)速沿程減小，模型中央風(fēng)速先增后減，壓風(fēng)風(fēng)速先減后增，在2～5 m的主要變化范圍內(nèi)，風(fēng)速呈模型中央>吸風(fēng)側(cè)>壓風(fēng)側(cè)的變化規(guī)律，隨后風(fēng)流向兩幫擴(kuò)散，最后兩幫風(fēng)速比中央高。1 m高度，吸風(fēng)側(cè)和模型中央的風(fēng)速沿程變化規(guī)律相似，均呈先降后升再降的規(guī)律，且吸風(fēng)側(cè)風(fēng)速高。1.5 m高度，除壓風(fēng)側(cè)2 m處風(fēng)流射流風(fēng)速較大，其他變化均不明顯，特別是吸風(fēng)側(cè)和模型中央，在距工作面3 m后，風(fēng)速基本無大的變化。

3) 比較長壓短抽式通風(fēng)和壓入式通風(fēng)，風(fēng)速顯然均是隨著沿程減小的，長壓短抽的風(fēng)速變化相對更集中在距工作面5 m之前，壓入式通風(fēng)的變化范圍更廣泛，一般也均呈現(xiàn)吸風(fēng)側(cè)(遠(yuǎn)離風(fēng)筒側(cè))>模型中央>壓風(fēng)側(cè)(靠近風(fēng)筒側(cè))的風(fēng)速變化規(guī)律。主要區(qū)別在于2～5 m位置，長壓短抽的風(fēng)速和壓入風(fēng)速的變化基本是相反的，這是因?yàn)槌槌鲲L(fēng)筒的存在減弱了壓風(fēng)射流的影響范圍，風(fēng)流回流和渦流的程度以及位置發(fā)生了改變。

在距底板1.5 m高度水平不同壓軸比情況下的風(fēng)速沿程分布見圖4.

圖4 不同壓抽比情況下1.5 m高度風(fēng)速沿程分布圖

分析圖4可知：

1) 在吸風(fēng)側(cè)，4種壓抽比情況下風(fēng)速變化相近，均在1～2 m處風(fēng)速急劇減小，隨后平緩變化，風(fēng)速最終均穩(wěn)定在0.4 m/s以下。

2) 在模型中央，壓抽比為0.7、1.3和1.5時風(fēng)速變化情況相似，壓抽比為1.3時在3 m處存在風(fēng)速回升的狀況，壓抽比為1時風(fēng)速沿程減小無明顯變化，壓抽比為1和1.3時的風(fēng)速最終均穩(wěn)定在0.4 m/s以下，而壓抽比為1.5時的風(fēng)速則穩(wěn)定在0.45 m/s.

3) 在壓風(fēng)側(cè)，4種壓抽比情況下風(fēng)速變化相似。

2.3 粉塵濃度測定及分析

為了得到合理的壓抽比參數(shù)，使得巷道內(nèi)粉塵濃度得到最合適的控制和處理，需要對比不同壓抽比情況下的粉塵濃度分布。對模型巷道每一個待測高度，粉塵在壓吸風(fēng)側(cè)及巷道中央的濃度值進(jìn)行比較分析。不同壓抽比情況下0.5 m高度粉塵濃度沿程分布圖見圖5，在距底板0.5 m高度水平有如下規(guī)律：

1) 在吸風(fēng)側(cè)，距工作面3 m前，壓抽比為0.7和1時的粉塵濃度較高，說明粉塵沉降較多，隨后前者粉塵濃度快速降低趨于平緩，后者卻一直蔓延至整個巷道，濃度值最高。壓抽比為1和1.3時的粉塵濃度變化相近，后者濃度值更大。

2) 在模型中央，壓抽比為0.7時的粉塵濃度無大的變化，壓抽比為1.3和1.5時的粉塵濃度波動較大，特別在3 m處，濃度值后者遠(yuǎn)高于前者，壓抽比為1的粉塵濃度相對波動不大，但在距工作面前5 m，其濃度值比壓抽比為1.3時的要大。

3) 在壓風(fēng)側(cè)，壓抽比為1.3和1.5時的粉塵濃度依舊變化明顯，且后者值更大，但據(jù)總的粉塵濃度值來看，除壓抽比為1.5之外，其他3種壓抽比情況下粉塵濃度均在20 mg/m3及以下。

3 結(jié) 論

在長壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)中，研究了壓風(fēng)風(fēng)速與壓入式通風(fēng)風(fēng)速相同情況下的流場和粉塵濃度場。得到了如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 長壓短抽式通風(fēng)方式下的風(fēng)速變化更集中，壓入通風(fēng)變化更持續(xù)，得到了吸風(fēng)側(cè)>模型中央>壓風(fēng)側(cè)的一般風(fēng)速變化規(guī)律，由于抽出風(fēng)筒的原因，二者風(fēng)速主要相差區(qū)域在于距工作面2～5 m的地方，長壓短抽式通風(fēng)除塵效果更好。

2) 壓抽比為1時巷道內(nèi)風(fēng)速較小，壓抽比為0.7和1.3時，風(fēng)速變化類似，壓抽比為1.5時風(fēng)速波動也最明顯，而高度越高壓抽比對風(fēng)速的變化影響越小，確定了粉塵濃度在壓抽比為0.7時得到了最好地控制，整體維持在較低水平。