楊俊磊

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

0 引 言

長期以來，我國煤礦巖巷掘進主要采用鉆爆法[1-2]，隨著大功率綜掘機的應用，越來越多礦井推廣使用綜掘機進行掘進[3]。由于截割過程截齒與巖石的相互作用[4-5]，造成作業(yè)時粉塵濃度嚴重超標，而且呼吸性粉塵占比高，嚴重危害工人的職業(yè)健康安全。據統(tǒng)計，煤礦塵肺病患者中巖巷作業(yè)人員的占比高達85%以上[6]。為此，常采用噴霧降塵、泡沫除塵、除塵器除塵、通風除塵等技術措施解決粉塵污染問題[7]。抽出式通風新鮮風流沿巷道進入工作面，污風通過風筒排出，除塵效果極好[8]，但由于粉塵在風筒內沉積，易造成瓦斯集聚及含瓦斯污風通過局部通風機等因素影響導致在長距離煤巷掘進中應用較少，而在短距離以排除粉塵為主的巖巷掘進中可克服其上述不利影響[9]。

目前，關于抽出式通風在大斷面全巖綜掘工作面的應用及研究未見報道，對不同通風參數下粉塵的運移規(guī)律認識不清。因此，筆者以紅柳林煤礦3-1煤輔運巷全巖段為研究對象，通過采用數值模擬、現場實測相結合的方法，對影響抽出式通風除塵效果的通風參數進行分析，得出最佳的系統(tǒng)設計參數，為類似條件的工作面抽出式通風除塵系統(tǒng)的設計提供參考。

1 工作面概況

北二盤區(qū)3-1煤輔運巷巖巷段全長630.2 m，斷面寬5.8 m、高4.6 m。采用1臺EBZ-230型綜掘機掘進，1臺30礦用防爆裝載機配合5臺礦用防爆無軌膠輪車進行巖石轉載運輸。工作面采用兩班生產，日進尺4.0 m。工作面計算配風量300 m3/min。

據實測，采用壓入式通風，工作面正常生產未采取措施時，司機位置的總粉塵質量濃度高達1 000 mg/m3以上，呼吸性粉塵質量濃度高達500 mg/m3以上，遠超《煤礦安全規(guī)程》的相關要求。因該巖巷段通風距離較短，且臨近總回風巷，為達到理想的除塵效果，改用抽出式通風。

通過現場調研及查閱相關文獻，風量、風筒直徑、進風口與掘進工作面距離3個通風參數是影響抽出式通風除塵效果的主要因素[8]。但是對這3個參數與除塵效果的關系掌握不清，導致系統(tǒng)設計困難。因此，針對上述問題，首先建立工作面的物理模型，采用數值模擬的方法對比分析，確定合理的系統(tǒng)設計參數，并進行現場應用，驗證設計參數的合理性。

2 數值模擬

2.1 求解過程

首先，采用SIMPLE算法計算風流的流場速度等參數，然后創(chuàng)建離散相噴射源，確定其位置、顆粒粒徑等參數，采用離散相模型計算粉塵在風流場中的運動[10-14]。

2.2 物理模型的建立及網格劃分

根據現場布置，選取掘進工作面30.0 m范圍，簡化后，建立該工作面等比例物理模型。模型中掘進機長、寬、高分別為10.4、3.2、1.7 m；司機位于綜掘機左側，距掘進工作面7.2 m；選取掘進機炮頭處為塵源點；設置風筒中心高度為3.8 m，離右側巷道壁面0.5 m，模型尺寸為30.0 m×5.8 m×4.6 m，如圖1所示。

圖1 工作面簡化物理模型Fig. 1 Simplified physical model of working face

2.3 邊界條件及參數設置

根據綜掘工作面具體情況及實測數據，結合FLUENT的計算方法和數學模型確定數值模擬的各參數及邊界條件如下：湍流模型設置為標準k-ε雙方程模型，開啟DPM模型，關閉能量方程；風筒進風口圓面設置為速度進口，巷道后端壁面設置為自由流動，巷道四周壁面及掘進機、風筒等壁面均為無滑移固體邊界條件。粉塵粒徑分布服從Rosin-rammler分布規(guī)律。粉塵源主要參數如表1所示。

表1 粉塵源的主要參數

3 模擬結果分析

3.1 風量對系統(tǒng)除塵效果的影響

工作面計算配風量300 m3/min。為了研究風量對除塵效果的影響，設置風量分別為300、350、400、500 m3/min，風筒直徑為800 mm，風筒進風口與掘進工作面距離為2 m。所得到的不同風量下粉塵場分布如圖2所示，其中，ρ為粉塵質量濃度。

圖2 不同風量下工作面粉塵場分布Fig. 2 Dust flow field distribution on working face at different air volumes

由圖2可知，不同風量下，工作面粉塵運移及分布規(guī)律基本一致。由于掘進工作面進風口前方區(qū)域風流方向基本指向風筒進風口，截割頭產生的高濃度粉塵隨工作面風流運移，因此，產生的粉塵沒有向司機側擴散，總體上向風筒進風口運移；同時，由于自身重力及掘進工作面區(qū)域巷道下部局部渦流作用，粉塵在掘進機右側至掘進工作面區(qū)域底板附近聚集，此部分粉塵質量濃度高達1 000 mg/m3以上。粉塵沿底板擴散最遠，最大擴散距離約3.4 m，不同風量下此距離基本保持不變。因此，工作面配風量已經滿足現場除塵的需要，抽風量的增加，除塵效果并未出現明顯變化，反而通風經濟性變差。因此，將工作面計算配風量作為抽出式通風的抽風量。

3.2 風筒直徑對系統(tǒng)除塵效果的影響

為了研究風筒直徑對除塵效果的影響，分別設置風筒直徑為600、800、1 000、1 200 mm，風量為300 m3/min，風筒進風口與掘進工作面距離為2.0 m，得到不同風筒直徑下粉塵場分布如圖3所示。

圖3 不同風筒直徑下工作面粉塵場分布 Fig. 3 Dust flow field distribution on working face under different duct diameters

從圖3可以看出，不同直徑抽風風筒的控塵效果差別不大。1 200、1 000 mm直徑的風筒控塵效果略好于600、800 mm。負壓抽塵效果與工作面風速密切相關，因此，對掘進工作面0～3.0 m范圍內l分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m巷道斷面的平均風速[15]及風速均勻性系數[15]進行了計算，如圖4所示。

圖4 不同風筒直徑下各斷面平均風速及風速分布均勻性系數Fig. 4 Average wind speed and wind speed distribution uniformity coefficient of each section within different duct diameters

由圖4可知，不同直徑下，掘進工作面0～3.0 m范圍內各斷面平均風速及風速均勻性差別不大；隨風筒直徑的增大，各斷面風流分布均勻性越好，風筒吸風口前各斷面的風速有所增加，有利于減少掘進工作面風速小于0.15 m/s的區(qū)域；風筒直徑越小，吸風口所在斷面的平均風速越高。同時，通過模擬發(fā)現，高濃度粉塵經過長距離的運移后，大顆粒的粉塵會在風筒內不斷沉積，造成風筒的有效斷面減小，風阻增大。因此，綜合考慮控塵效果、粉塵在風筒內沉積以及安裝便利性等因素，風筒直徑建議選擇1 000 mm。

3.3 進風口與工作面距離對系統(tǒng)除塵效果的影響

抽出式通風為負壓通風，可認為風流的有效作用范圍為有效吸程區(qū)外邊界流線最遠點與風筒口斷面的距離。在有效吸程以外的區(qū)域，風流速度低，粉塵排出困難。按照工程經驗，風筒進風口與掘進工作面的距離可按下式計算，即

(1)

式中：L——風筒進風口與掘進工作面的距離；

S——巷道斷面面積。

3-1煤輔運巷斷面面積為26.68 m2，則風筒進風口與掘進工作面的距離應控制在7.74 m以內。

為了研究進風口與工作面距離對除塵效果的影響，設置進風口與工作面距離L分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、6.0、8.0 m，風量為300 m3/min，風筒直徑為1 000 mm，得到進風口與工作面不同距離下粉塵場分布如圖5所示。

圖5 不同進風口與工作面距離下工作面粉塵場分布Fig. 5 Dust flow field distribution on working face with different distance between air ducts and working face

由圖5可以看出，隨著風筒進風口與掘進工作面距離的增加，高濃度粉塵逐漸向巷道進風口方向擴散，L在0.5～1.5 m范圍時，產生的粉塵迅速被吸入風筒進風口；L在2.0～4.0 m范圍時，由于風筒進風口的負壓作用起主導作用，風流主要指向風筒進風口，高濃度粉塵在風流作用下，主要分布在掘進機右側，總體上呈現出以風筒進風口為頂點、以底板為邊的“三角形”分布，高濃度粉塵在底板附近擴散最遠，當L分別為2.0、2.5、3.0、4.0 m時，最遠擴散距離分別為6.5、6.8、7.0、7.2 m，此部分粉塵質量濃度高達1 000 mg/m3以上。當L為5.0、6.0、8.0 m時，高濃度粉塵擴散到司機側。L=5.0 m時，掘進機左側高濃度粉塵最遠擴散距離7.8 m，司機呼吸帶高濃度粉塵擴散距離達到5.3 m，司機對側粉塵已經擴散到7.5 m。巖塵在司機前方呈煙狀懸浮，嚴重影響司機的視線，此種情況下，司機不得不停機，等待粉塵被風筒抽吸干凈，視野清晰后才能繼續(xù)掘進，因此，導致掘進效率大大降低。當L分別為6.0、8.0 m時，司機呼吸帶高濃度粉塵擴散距離分別達到6.8、8.7 m，L=8.0 m時，司機位置的粉塵質量濃度為1 025.2 mg/m3，遠超國家相關標準2 050余倍。

高濃度粉塵對司機的視線影響嚴重，容易造成工人誤操作，巷道成形差，因此，考慮風筒控塵效果及高濃度粉塵對司機視線的影響，風筒進風口與工作面距離應控制在4.0 m以內。

4 抽出式通風除塵系統(tǒng)的設計

根據工作面配風量及最大通風距離，設計采用FBCD№6.3/2×22型抽出式風機，直徑為1 000 mm的抗靜電、阻燃負壓伸縮風筒，風筒沿巷道右側巷頂布置，離右側、巷頂壁面均為0.5 m。由于風機安裝地點臨近總回風巷，將風機污風通過風筒導入總回風巷，同時，在風機排風口下風側集中設置多道噴霧，對粉塵進行凈化處理。

5 現場測試及應用效果

依據GBZ/T 192.1—2007《工作場所空氣中粉塵測定 第1部分：總粉塵濃度》、GBZ/T 192.2—2007《工作場所空氣中粉塵測定 第2部分：呼吸性粉塵濃度》，在正常生產的情況下，對壓入式通風及改造后抽出式通風(風筒進風口距工作面約4.0 m)，在綜掘機司機處、機組回風側5.0 m，對粉塵濃度進行多次測定，取平均值，結果如表2所示。

表2 不同通風方法下的粉塵質量濃度

對進風口與工作面距離為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 m時，司機位置粉塵濃度進行了現場測試，結果如圖6所示，現場除塵效果如圖7所示。

圖6 不同進風口與工作面距離下司機位置粉塵濃度Fig. 6 Dust concentration at driver’s position with different distances between air inlet and working face

圖7 現場效果Fig. 7 Field rendering

由圖6可知，進風口與工作面距離與粉塵質量濃度的變化趨勢與數值模擬基本一致。隨著進風口與工作面距離的增加，司機位置粉塵濃度不斷升高；進風口與工作面距離大于4.0 m，粉塵質量濃度出現激增。L=5.0 m時，司機位置總粉塵和呼吸性粉塵質量濃度分別達到33.7、14.4 mg/m3，已經超過《煤礦安全規(guī)程》相關要求的67倍和72倍。

6 結 論

(1)工作面計算配風量已經滿足現場除塵的需要，增加配風量，除塵效果提升不明顯，反而通風經濟性變差。風筒直徑對系統(tǒng)除塵效果的影響不明顯，考慮風筒積塵、安裝便利性等，應選擇直徑1 000 mm的風筒。

(2)進風口與工作面的距離是影響抽出式通風除塵效果的主要影響因素。為了達到較好的除塵效果，減少高濃度粉塵對司機視線的影響，進風口與工作面的距離應控制在4.0 m以內。

(3)采用抽出式通風方法，進風口距工作面4.0 m時，綜掘機司機處和機組回風側5.0 m處，總粉塵降塵效率分別達到98.7%、99.7%，呼吸性粉塵降塵效率分別達到98.5%、99.7%，顯著改善了工作面的生產環(huán)境，保證了工人的職業(yè)健康安全。