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)。