陳 芳

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

近年來(lái)，隨著煤礦安全形勢(shì)的好轉(zhuǎn)，對(duì)礦井粉塵防治要求越來(lái)越高。煤礦井下掘進(jìn)工作面的產(chǎn)塵量在井下總產(chǎn)塵量中所占的比例僅次于綜采工作面，而巷道掘進(jìn)又以其工序多、塵源集中、粉塵分散度高的特點(diǎn)，成為防塵的重點(diǎn)[1-3]。由于掘進(jìn)工作面采用主動(dòng)壓風(fēng)、被動(dòng)出風(fēng)的通風(fēng)模式，使得綜掘機(jī)割煤和煤壁垮落沖擊產(chǎn)生的大量粉塵在巷道風(fēng)流擾動(dòng)下，會(huì)迅速擴(kuò)散至整個(gè)作業(yè)空間，司機(jī)處瞬時(shí)總粉塵濃度高達(dá)1000～3000mg/m3，致使工作面能見(jiàn)度降低，影響作業(yè)人員正常操作，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)和作業(yè)人員身心健康[4，5]。

目前，綜掘工作面的粉塵防治措施主要有高壓噴霧、風(fēng)流控塵、長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)除塵等[6-9]，但在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)存在一些不利因素：一是綜掘工作面高壓外噴霧雖霧化效果好，降塵效率可達(dá)到80%左右，但使工作面氣流變?yōu)闅忪F狀，彌漫至整個(gè)巷道，反而加重了對(duì)作業(yè)人員操作視線(xiàn)的影響，有一定的生產(chǎn)隱患；二是工作面雖安裝了除塵效果較好的長(zhǎng)壓短抽除塵器系統(tǒng)和附壁風(fēng)筒控塵裝置進(jìn)行控除塵抽塵凈化，但是由于控塵裝置沒(méi)有對(duì)壓入風(fēng)流出風(fēng)口與煤壁距離相對(duì)位置進(jìn)行匹配控制，致使控塵效果有限，除塵器吸塵罩不能快速抽吸含塵氣流，捕集粉塵效率較低，導(dǎo)致除塵器整體使用效率低，不能完全發(fā)揮長(zhǎng)壓短抽除塵系統(tǒng)高效除塵的功能，工作面粉塵污染依然比較嚴(yán)重[10-12]。目前蔣仲安、程衛(wèi)民等多位學(xué)者對(duì)綜掘工作面控風(fēng)控塵技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，闡述了控塵的重要性，但未能給出控塵參數(shù)選擇理論計(jì)算依據(jù)，軸徑向出風(fēng)風(fēng)量與出風(fēng)距離參數(shù)匹配關(guān)系依然不明確，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中沒(méi)有可參考計(jì)算依據(jù)[13-16]。本論文就是在現(xiàn)有研究結(jié)果基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步研究控風(fēng)控塵參數(shù)影響關(guān)系，達(dá)到控風(fēng)控塵目的，提升除塵系統(tǒng)捕集效率，從而達(dá)到高效除塵。

1 分段控風(fēng)控塵原理

分段控風(fēng)控塵系統(tǒng)主要由附壁風(fēng)筒、調(diào)風(fēng)閥門(mén)、整流風(fēng)筒等組成。分段控風(fēng)控塵主要是將原有供風(fēng)風(fēng)筒單一軸向出風(fēng)改變成軸向和徑向兩段出風(fēng)，即在巷道一側(cè)供風(fēng)風(fēng)筒上添加附壁風(fēng)筒，實(shí)現(xiàn)徑向出風(fēng)，而附壁風(fēng)筒上開(kāi)有若干并列小窗口，實(shí)現(xiàn)徑向二次分段出風(fēng)，使得徑向風(fēng)流盡量均勻進(jìn)入巷道，在附壁效應(yīng)的作用下最終形成均勻向前推進(jìn)的風(fēng)墻，使作業(yè)人員處于新鮮風(fēng)流中，同時(shí)在抽塵系統(tǒng)的配合下，風(fēng)墻可持續(xù)有效控制粉塵向作業(yè)空間擴(kuò)散，達(dá)到控風(fēng)控塵的目的?？仫L(fēng)控塵可利用調(diào)風(fēng)裝置實(shí)現(xiàn)軸徑向出風(fēng)量的調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，軸徑向出風(fēng)口出風(fēng)量、出風(fēng)口與煤壁距離等因素與控塵效果有直接影響關(guān)系，適當(dāng)減小迎頭風(fēng)速對(duì)粉塵治理有積極作用。分段控風(fēng)控塵原理如圖1所示。

圖1 分段控風(fēng)控塵原理

工作面正常工作時(shí)，軸徑向出風(fēng)形成的新鮮風(fēng)流風(fēng)墻向前移動(dòng)，達(dá)到工作面煤壁后夾帶割煤粉塵形成含塵氣流并轉(zhuǎn)向向后移動(dòng)，由于后續(xù)新鮮風(fēng)流不斷加入到含塵氣流中，使得含塵氣流云團(tuán)不斷壯大并逐漸向后擴(kuò)散，這時(shí)工作面前部區(qū)域會(huì)持續(xù)存在新鮮風(fēng)流與含塵氣流相互作用面，該作用面就是控制粉塵向外擴(kuò)散的臨界面，稱(chēng)其為控塵面(如圖1所示)。為達(dá)到控塵目的，就需要對(duì)控塵面的位置進(jìn)行控制。在抽塵系統(tǒng)的作用下，含塵氣流不斷被抽走，在后部新鮮風(fēng)流的推動(dòng)作用下控塵面會(huì)向前移動(dòng)，當(dāng)控塵面前移到抽塵系統(tǒng)抽塵口處時(shí)抽塵系統(tǒng)會(huì)抽走新鮮風(fēng)流，加之綜掘機(jī)緩慢前行，前部含塵氣流又會(huì)向后擴(kuò)散移動(dòng)，以此循環(huán)往復(fù)，控塵面就會(huì)在工作面前部出現(xiàn)前后循環(huán)移動(dòng)。為了作業(yè)人員避免粉塵危害和提高抽塵效率，就需要對(duì)控塵面的位置進(jìn)行有效控制，即控塵面的位置應(yīng)位于綜掘機(jī)司機(jī)和前部抽塵口之間。要控制控塵面的位置，可通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)使軸徑向出風(fēng)口與工作面煤壁之間的距離和出風(fēng)量相匹配，保證作業(yè)人員始終處于新鮮分流中，使控塵區(qū)域內(nèi)的含塵氣流始終保持在司機(jī)前方，同時(shí)控塵面還必須保證所有吸風(fēng)口均位于控塵區(qū)域內(nèi)，使各個(gè)吸風(fēng)口均抽吸含塵氣流，將除塵器抽塵凈化功能發(fā)揮到最大限度。

2 控風(fēng)控塵參數(shù)的確定

2.1 軸向出風(fēng)距離與出風(fēng)量的關(guān)系

綜掘工作面壓入式通風(fēng)由于受到巷道壁的影響，其風(fēng)流流動(dòng)實(shí)際上是有限空間的受限粘附射流通風(fēng)，符合粘附射流特征。根據(jù)綜掘面通風(fēng)布置條件，建立計(jì)算模型如圖2所示。

式中，Q0為軸向出風(fēng)風(fēng)量，m3/min；d0為風(fēng)筒直徑，m；簡(jiǎn)化后，得到：

依據(jù)綜掘工作面巷道允許最小風(fēng)速要求，即煤巷掘進(jìn)迎頭最小風(fēng)速應(yīng)大于0.25m/s，因此要使風(fēng)筒射流斷面風(fēng)速達(dá)到迎頭煤壁且風(fēng)速達(dá)到規(guī)定要求，即V≥k×0.25m/s，其中k為風(fēng)速安全系數(shù)，此時(shí)軸向出風(fēng)風(fēng)量與出風(fēng)口與掘進(jìn)面迎頭煤壁距離S0的關(guān)系：

出風(fēng)量與出風(fēng)口距離、出風(fēng)口形狀及大小有關(guān)，當(dāng)出風(fēng)口直徑一定時(shí)，出風(fēng)量與出風(fēng)口距離成正比關(guān)系，出風(fēng)口距離越遠(yuǎn)所需風(fēng)量越大，出風(fēng)量與出風(fēng)口距離之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 出風(fēng)距離與出風(fēng)風(fēng)量關(guān)系曲線(xiàn)

2.2 徑向出風(fēng)距離與出風(fēng)量的關(guān)系

徑向分風(fēng)是通過(guò)附壁風(fēng)筒多個(gè)矩形小窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)小窗口以等距、等面積均勻分布于附壁風(fēng)筒上的，可以保證徑向出風(fēng)的均勻性，實(shí)現(xiàn)每個(gè)矩形窗口等風(fēng)量分風(fēng)。

由于徑向出風(fēng)同屬于粘附射流，射流斷面到達(dá)迎頭煤壁時(shí)，射流斷面平均風(fēng)速也需滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)定的最小風(fēng)速要求，同時(shí)由于附壁風(fēng)筒分段出風(fēng)口矩形，寬為a，高為b，且滿(mǎn)足寬高比小于5，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果，也可利用式(1)—(4)進(jìn)行計(jì)算。由于徑向出風(fēng)口為矩形，為減小出風(fēng)形狀對(duì)風(fēng)流的影響誤差，可通過(guò)面積等效原理，將矩形窗口等效成圓形出口，計(jì)算得到單個(gè)小窗口出風(fēng)有效直徑。

即：

徑向出風(fēng)參照軸向出風(fēng)作近似處理，射流風(fēng)速到達(dá)迎頭煤壁風(fēng)速同樣要滿(mǎn)足最小風(fēng)速要求，因此將式(6)參照帶入式(5)得到單個(gè)徑向出風(fēng)口有效出風(fēng)量與出風(fēng)距離關(guān)系為：

將式(8)帶入式(7)得到單個(gè)徑向出風(fēng)口距迎頭距離S1為：

通過(guò)以上分析，可得到軸徑向出風(fēng)量與出風(fēng)距離的關(guān)系如公式(10)所示，當(dāng)工作面條件確定后，就可計(jì)算得到相應(yīng)的理論控風(fēng)控塵參數(shù)。

其中，α為紊流系數(shù)，一般取0.08～0.12；k為最低風(fēng)速安全系數(shù)，一般取1.1；Q0為軸向出風(fēng)風(fēng)量，m3/min；Qc為除塵系統(tǒng)處理風(fēng)量，m3/min；Qy為工作面供風(fēng)風(fēng)量，m3/min；S0為軸向出風(fēng)口與迎頭煤壁距離，m；S1為徑向出風(fēng)口與迎頭煤壁距離，m；d0為風(fēng)筒直徑，m；n為徑向出風(fēng)附壁風(fēng)筒上開(kāi)口數(shù)量；a為附壁風(fēng)筒單個(gè)開(kāi)口寬度，m；b為附壁風(fēng)筒單個(gè)開(kāi)口高度，m。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證控塵參數(shù)理論計(jì)算公式的有效性，選取中煤華晉王家?guī)X煤礦綜掘面開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果試驗(yàn)研究。

3.1 控塵參數(shù)的確定

綜掘面巷道寬度為5.0m，高為3.6m，選擇Φ1000風(fēng)筒供風(fēng)，設(shè)計(jì)供風(fēng)量為550m3/min，實(shí)測(cè)風(fēng)量為500m3/min，同時(shí)配備了KCS-550D型濕式過(guò)濾除塵器及抽塵管道與綜掘機(jī)機(jī)面吸塵罩連接，形成長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)控除塵系統(tǒng)，實(shí)際處理風(fēng)量450m3/min，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)規(guī)程規(guī)定軸向出風(fēng)口距離迎頭5～10m，徑向出風(fēng)口寬×高=200×250mm，開(kāi)口數(shù)量為8個(gè)。對(duì)于軟風(fēng)筒供風(fēng)，紊流系數(shù)α取0.11，安全系數(shù)k取1.1，計(jì)算得到相應(yīng)控風(fēng)控塵參數(shù)關(guān)系。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算得到綜掘面具體控塵參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

表1 控風(fēng)控塵參數(shù)表

3.2 應(yīng)用效果分析

根據(jù)理論分析得到的控塵參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試粉塵濃度變化情況，驗(yàn)證控塵參數(shù)的有效性和正確性。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試通過(guò)調(diào)節(jié)附壁風(fēng)筒前端的調(diào)風(fēng)閥門(mén)改變軸徑向出風(fēng)量，調(diào)節(jié)風(fēng)筒長(zhǎng)度改變軸徑向出風(fēng)口與工作面迎頭煤壁的距離，在控風(fēng)控塵最佳匹配參數(shù)條件下，多次測(cè)試綜掘機(jī)司機(jī)位置處、一運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)和二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)總粉塵平均濃度變化情況，測(cè)試記錄見(jiàn)表2。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定在在只使用噴霧措施時(shí)，綜掘面司機(jī)位置原始粉塵濃度為2744mg/m3，在增加了通風(fēng)控除塵系統(tǒng)且控塵參數(shù)未經(jīng)改進(jìn)優(yōu)化前，司機(jī)位置總粉塵濃度平均為1224.8mg/m3，綜掘機(jī)機(jī)尾一運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)總粉塵濃度平均為489.7mg/m3，機(jī)尾二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)總粉塵濃度平均為253.2mg/m3，此時(shí)工作面降塵效率在46%～65%之間，降塵效果不佳。

表2 控風(fēng)控塵參數(shù)優(yōu)化前后粉塵濃度對(duì)比情況

注：附壁風(fēng)筒+除塵系統(tǒng)+噴霧。

按照控風(fēng)控塵參數(shù)關(guān)系式計(jì)算得到在軸徑向出風(fēng)比為1∶3、1∶4、1∶5三種條件下對(duì)應(yīng)軸徑向出風(fēng)口距離迎頭煤壁距離，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控塵參數(shù)改進(jìn)優(yōu)化后，與未優(yōu)化前相比，司機(jī)位置粉塵濃度從1224.8mg/m3下降到28.2mg/m3，粉塵濃度下降了97.7%；一運(yùn)、二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵濃度分別下降到14.5mg/m3和11.2mg/m3，降塵效率提高了97.0%和 95.5%。分段控風(fēng)控塵對(duì)比效果如圖4所示。

圖4 控風(fēng)控塵參數(shù)優(yōu)化前后粉塵濃度變化

總之，通過(guò)采取對(duì)原通風(fēng)除塵系統(tǒng)分段出風(fēng)控塵參數(shù)優(yōu)化后，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試驗(yàn)證，整個(gè)工作面總降塵效率提升了95%以上，總體降塵效率都達(dá)到98.4%以上，工作面通風(fēng)控除塵效果有明顯改觀，工作面粉塵濃度有大幅下降，高濃度粉塵被控制在工作面前部一定范圍內(nèi)，作業(yè)環(huán)境得到明顯改善。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：通過(guò)理論分析得到控風(fēng)控塵參數(shù)能夠大幅提高綜掘工作面降塵效率，對(duì)該類(lèi)條件的綜掘工作面粉塵治理具有一定指導(dǎo)意義，可在類(lèi)似工作面進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)綜掘工作面壓入式通風(fēng)的布置形式，分析了壓風(fēng)分流分段控風(fēng)控塵的基本原理，提出了控塵面的存在，并建立了數(shù)學(xué)關(guān)系模型，揭示了軸徑向出風(fēng)量與出風(fēng)距離之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。研究表明：軸徑向出風(fēng)量與出風(fēng)口距離、出風(fēng)口形狀及大小有關(guān)，當(dāng)出風(fēng)口大小一定時(shí)，出風(fēng)量與出風(fēng)口距離成正比關(guān)系，出風(fēng)口距離越遠(yuǎn)所需風(fēng)量越大。

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，理論計(jì)算得到的控風(fēng)控塵參數(shù)匹配后，司機(jī)位置粉塵濃度從1224.8mg/m3下降到28.2mg/m3，粉塵濃度下降了97.7%；一運(yùn)、二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵濃度分別下降到14.5mg/m3和11.2mg/m3，降塵效率提高了97.0%和 95.5%，降塵效果顯著。

3)經(jīng)過(guò)多次測(cè)試驗(yàn)證，控風(fēng)控塵參數(shù)優(yōu)化后，整個(gè)工作面總降塵效率提升了95%以上，總體降塵效率都達(dá)到98.4%以上，高濃度粉塵被控制在工作面前部一定范圍內(nèi)，說(shuō)明理論分析得到控風(fēng)控塵參數(shù)匹配關(guān)系能夠大幅提高綜掘工作面降塵效率，驗(yàn)證了分段控風(fēng)控塵的有效性，對(duì)該類(lèi)條件的綜掘工作面具有一定指導(dǎo)意義。