回風巷防塵水幕優(yōu)化設(shè)計研究

范 旭

（晉能控股集團煤業(yè)有限公司云崗礦，山西 大同 037000）

引言

隨著煤礦井下高功率、高智能化的大型自動化機械綜采設(shè)備的推廣使用，井下各環(huán)節(jié)的粉塵產(chǎn)量也不斷提高，導致粉塵污染不斷加劇。粉塵污染不僅會加劇井下設(shè)備磨損，而且會增加井下工作人員肺病發(fā)病率，高密度的粉塵污染甚至會引起粉塵爆炸事故?；仫L巷是采煤工作面風流清洗后吹入的首要巷道，采煤工作面產(chǎn)生的粉塵會大量涌入回風巷，使回風巷粉塵污染嚴重?，F(xiàn)階段，大多數(shù)煤礦所采用的回風巷除塵技術(shù)為風流凈化水幕技術(shù)，但該技術(shù)發(fā)展并不成熟，許多的回風巷除塵效果并不理想。本文擬采用基于FLUENT 模擬的方法進行回風巷防塵水幕優(yōu)化研究分析，以期通過FLUENT 模擬的方法提高回風巷防塵水幕除塵效果，保障煤炭井下生產(chǎn)的人員、財產(chǎn)安全。

1 礦井粉塵簡要分析

煤礦井下粉塵按照不同的粒徑進行劃分共可分為粗塵、細塵、微塵和超微塵四種，其具體劃分指標如表1 所示。不同粒徑的粉塵對人體危害程度不盡相同，粒徑大于5μm 的粉塵人體吸入后可隨呼吸呼出，但當粉塵粒徑小于5μm 后，粉塵會隨呼吸進入人體肺部，引起肺部組織疾病，當小于2μm 后危害更大。煤礦井下粉塵的產(chǎn)生主要來源于采煤機割煤點、掘進工作面、錨噴作業(yè)點以及回風巷作業(yè)點等位置，其中采煤機割煤點是粉塵產(chǎn)量最高處。煤礦井下粉塵的危害主要包括危害人體健康、引發(fā)爆炸、降低能見度以及對機械磨損等。其中，危害人體健康主要包括引發(fā)塵肺病以及各類呼吸道疾病等。粉塵爆炸主要是指當粉塵濃度達到300～500 g/m3時，遇到高溫火源，煤體會釋放可燃氣體，從而引發(fā)巨大爆炸，嚴重威脅企業(yè)人身財產(chǎn)安全[1-2]。

表1 粉塵分類指標

2 防塵水幕FLUENT 模擬分析

2.1 模型建立

常見的兩相流計算模型有離散相模型、歐拉模型、混合物模型以及VOF 模型等。由于煤炭井下粉塵粒徑在0～100μm 范圍內(nèi)，中位粒徑約為3μm，粒徑對于其他流場影響較小，故選取離散相模型最為合適，模擬計算過程中可對顆粒之間作用與顆粒對氣流場作用忽略不計[3-4]。

礦井內(nèi)的氣流與粉塵運動主要呈布朗運動或混合等速沉降，為方便研究，模型的建立會對實際應用場景做簡化處理，主要對主要影響因素進行研究。其中，需將粉塵顆粒視為連續(xù)介質(zhì)，分布以及運動存在連續(xù)性、平均線以及可預測性[5]；由于可忽略顆粒之間以及顆粒對氣流場的作用，故應將粉塵顆粒視為不具黏附性的光滑圓形顆粒；粉塵顆粒所處環(huán)境應視為溫度恒定、氣流穩(wěn)定的長方體規(guī)則穩(wěn)定場所。

依據(jù)上述要求并結(jié)合某煤礦實際回風巷參數(shù)進行回風巷模型建立可得防塵水幕設(shè)置示意圖如圖1所示。

圖1 回風巷防塵水幕設(shè)置示意圖（單位：m）

2.2 模擬分析

通過對某煤礦未運行防塵水幕時粉塵的分布情況與運移規(guī)律進行測量分析發(fā)現(xiàn)，回風巷巷道內(nèi)粉塵濃度整體偏高，平均濃度約為240 mg/m3，最高濃度可達420 mg/m3。經(jīng)重力沉降后，回風巷底部粉塵濃度逐漸升高，2 m 以上空間粉塵濃度逐漸降低，有噴霧架處由于風流作用，濃度也較低。對粉塵濃度進行橫向?qū)Ρ?，回風巷入口處粉塵濃度為310 mg/m3，為回風巷內(nèi)濃度最高位置。噴霧架處粉塵濃度較低，噴嘴處為濃度相對較高位置，這主要是由于風流在該位置受阻形成不規(guī)則漩渦流，粉塵活動較為頻繁，引起局部濃度偏高。其他位置由入口處向回風巷內(nèi)部逐漸降低，直到距離水幕10 m 處濃度下降平緩。

對比不同除塵效果的防塵水幕，其主要差別在于水幕與豎直方向傾角不同。運用上述模型，對水幕與豎向方向夾角為0°、5°、10°、15°時防塵水幕除塵效果進行模擬分析，以呼吸帶1.5 m 高處為研究高度，其粉塵濃度分布示意圖如圖2 所示。由圖2 可知，不加水幕時，回風巷巷道濃度約為240 mg/m3，開啟水幕后回風巷內(nèi)粉塵濃度顯著下降[6]。水幕豎直噴出時，粉塵濃度約降低為50 mg/m3，隨著噴霧角度的不斷增大，除塵效果逐漸提高，經(jīng)分析，噴霧角度的增大會增加水霧與粉塵之間的接觸面積，提高防塵水幕的除塵率，提高除塵效果。當防塵水幕噴霧傾角增加至10°后，呼吸帶粉塵濃度降至最低，濃度約為8 mg/m3。隨后繼續(xù)增加噴霧傾角，粉塵濃度降低不明顯，故當噴霧角度為10°時即可達到理想防塵水幕除塵效果，其除塵率約為95%。

圖2 不同噴霧角度粉塵濃度（mg/m3）分布示意圖

3 防塵水幕裝置設(shè)計

依據(jù)上述研究進行防塵水幕自動系統(tǒng)進行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。自動噴霧防塵水幕系統(tǒng)主要由控制模塊、智能水箱模塊以及防塵水幕模塊三部分組成。其中，防塵水幕模塊包括高壓管道、噴霧架以及相應的噴頭組成；控制模塊由電源、電路以及微處理器模塊組成；其他還包括水泵、開關(guān)以及相應的濃度傳感器。自動噴霧防塵水幕系統(tǒng)首道水幕安裝于工作面20 m處，后續(xù)水幕與前一道水幕相隔距離為50 m，以防礦車等設(shè)備造成的二次粉塵污染[7]。噴霧架為管狀封閉設(shè)計，左右兩側(cè)對稱設(shè)計，其具體尺寸依據(jù)回風巷實際尺寸進行設(shè)計，水泵與進水管連接。系統(tǒng)噴霧頭均勻分布，噴霧架兩側(cè)各有一個噴頭，采用噴嘴為普通噴嘴。濃度傳感器設(shè)置高度為1.5 m，水幕紅外感應器安裝于距離框架30 m 處。

圖3 自動噴霧防塵水幕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

通常情況下，采用普通水源進行噴霧降塵時由于水表面張力較大，使得水顆粒與粉塵顆粒結(jié)合效果降低，無法達到理想的降塵效果，故需對表面添加活性劑。在實際生產(chǎn)過程中，運用人工進行添加成本高、延遲性大，故本文進行了智能水箱設(shè)計，其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。智能水箱主要由水箱、管道、加料箱、攪拌器以及相關(guān)電氣設(shè)備組成。智能水箱可通過液位傳感器控制液位，通過濃度傳感器控制活性劑濃度，保證噴霧溶液試劑的調(diào)配合理，解放人力。

圖4 智能水箱結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的回風巷除塵技術(shù)主要采用風流凈化水幕技術(shù)，但該技術(shù)發(fā)展并不成熟，無法達到理想的除塵效果。針對這一現(xiàn)象，本文對防塵水幕進行了優(yōu)化設(shè)計研究，通過分析得出了以下結(jié)論：

1）經(jīng)分析，相同防塵水幕不同的降塵效果產(chǎn)生原因主要在于水幕與豎直方向傾角不同，設(shè)計合理的水幕與豎直方向傾角可有效提高防塵水幕除塵效果。

2）對水幕與豎向方向夾角為0°、5°、10°、15°時防塵水幕除塵效果進行模擬分析可知，當水幕與豎向方向夾角為10°時，除塵效果最佳，其除塵率約為95%。

3）依據(jù)上述研究對防塵水幕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計分析，并為減少企業(yè)人力成本，提高了除塵濕潤劑成本配比科學準確性，對智能水箱系統(tǒng)進行了設(shè)計，提高了系統(tǒng)智能性，增強了系統(tǒng)除塵性能。