喬金林，孫連勝，王 嘉

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719300)

長期以來，粉塵治理始終是保障礦井安全生產(chǎn)的難題之一。隨著我國現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)效率的提高，粉塵問題愈加嚴(yán)重。粉塵不僅影響礦工的身心健康，還存在引發(fā)煤塵爆炸的危險(xiǎn)[1-2]。綜掘工作面是煤礦井下主要的產(chǎn)塵場所之一，其產(chǎn)塵量約占井下總產(chǎn)塵量的30%～40%[3-4]。據(jù)實(shí)測，綜掘工作面不采取防塵措施時，空氣中的粉塵質(zhì)量濃度可達(dá)3 000 mg/m3以上[5-8]，其中呼吸性粉塵占比近40%[9-11]。特別是巖巷綜掘工作面，在生產(chǎn)期間產(chǎn)生的粉塵粒徑更小，對礦工的身體危害更大[12]。近年來，為了滿足巷道快速掘進(jìn)的需要，巖巷綜掘、連續(xù)采煤機(jī)、掘錨一體機(jī)、智能型大斷面快速掘錨成套設(shè)備等先進(jìn)技術(shù)裝備已先后在煤礦井下得到應(yīng)用，有效提高了巷道掘進(jìn)速度[6,13-15]，但同時也帶來了產(chǎn)塵強(qiáng)度高、產(chǎn)塵量大、粉塵治理困難等一系列問題。筆者以寸草塔煤礦22120工作面運(yùn)輸巷快速掘錨工作面為研究對象，通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場應(yīng)用等手段，設(shè)計(jì)并優(yōu)化快速掘錨工作面控風(fēng)除塵系統(tǒng)，以有效改善工作面作業(yè)環(huán)境，為相似生產(chǎn)工藝的掘進(jìn)工作面粉塵治理提供參考。

1 工作面概況

22120工作面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)斷面為矩形，寬5.4 m、高3.2 m、巷道長740 m。巷道采用掘錨機(jī)+梭車+膠帶輸送機(jī)的掘進(jìn)工藝，月進(jìn)度660 m。煤層平均厚度為2.35 m，煤質(zhì)水分為7.65%。寸草塔煤礦屬于低瓦斯礦井，掘進(jìn)工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.1 m3/min。工作面使用MB670-185型掘錨機(jī)落煤、裝煤，運(yùn)用10S32-48B型梭車將煤轉(zhuǎn)運(yùn)至破碎機(jī)處，破碎后轉(zhuǎn)載至運(yùn)輸巷膠帶輸送機(jī)，最后經(jīng)過主運(yùn)系統(tǒng)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)降孛婷簜}。工作面選用FBDYNo6.3/2×30 kW礦用隔爆型壓入式對旋軸流局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)，實(shí)測供風(fēng)量約為450 m3/min。由于掘錨機(jī)自帶的除塵器處理風(fēng)量較小，且工作面掘進(jìn)期間會截割巖石，從而導(dǎo)致生產(chǎn)時空氣中的粉塵濃度較高。

經(jīng)采樣測定，該工作面生產(chǎn)時，粒徑小于10 μm的粉塵占總粉塵的43.5%。細(xì)微粉塵對工人身體傷害極大，亟需降低其濃度，以改善作業(yè)場所環(huán)境。該礦原將除塵器放置于橋式轉(zhuǎn)載機(jī)的配套方案因無法實(shí)現(xiàn)，需要重新設(shè)計(jì)除塵系統(tǒng)布置方案。

2 控除塵系統(tǒng)布置方案設(shè)計(jì)

國內(nèi)外研究和實(shí)踐表明，采用含有控塵裝置的長壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)是目前綜掘工作面最常用也是最有效的降塵措施[16-20]。以往，寸草塔煤礦在長距離巷道掘進(jìn)中多采用掘錨機(jī)+橋式轉(zhuǎn)載機(jī)生產(chǎn)工藝，將除塵器安設(shè)于橋式轉(zhuǎn)載機(jī)并通過負(fù)壓抽塵風(fēng)筒接續(xù)至工作面實(shí)現(xiàn)除塵。但22120工作面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長度較短，若將除塵器布置于破碎機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)處，則存在接續(xù)抽塵風(fēng)筒工作量大、登高作業(yè)安全隱患大等不足。通過對比分析經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率，最終確定采用掘錨機(jī)+梭車+膠帶輸送機(jī)的生產(chǎn)工藝。針對上述實(shí)際條件，通過現(xiàn)場測量，對除塵器外形尺寸進(jìn)行改造，將除塵器布置于掘錨機(jī)機(jī)身頂部；將除塵器與掘錨機(jī)自帶的抽塵風(fēng)道連接，通過機(jī)身原有的集塵口吸塵，既能提高收塵效率，也可減少外接抽塵風(fēng)筒的工作量。該系統(tǒng)布置示意圖見圖1。

圖1 22120工作面運(yùn)輸巷通風(fēng)除塵系統(tǒng)布置示意圖

3 掘錨工作面控除塵數(shù)值模擬研究

為了解抽塵凈化通風(fēng)除塵系統(tǒng)工作時巷道內(nèi)的粉塵分布情況，利用FLUENT軟件，采用離散相DPM模型，并選用計(jì)算較穩(wěn)定的一階迎風(fēng)格式及SIMPLE算法進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 物理模型構(gòu)建及邊界條件

根據(jù)22120工作面運(yùn)輸巷生產(chǎn)條件，利用ANSYS DesigenModeler軟件構(gòu)建數(shù)值模擬模型，如圖2所示。

圖2 22120工作面運(yùn)輸巷數(shù)值模擬模型

圖2中，坐標(biāo)系x軸正向表示供風(fēng)側(cè)指向另一側(cè)，y軸正向表示巷道底板指向巷道頂板，z軸正向表示由巷道末端指向掘進(jìn)工作面方向。

為避免不必要的數(shù)值運(yùn)算，進(jìn)行了適當(dāng)簡化：模擬巷道長為60 m、寬為5.4 m、高為3.2 m；將掘錨機(jī)簡化成長為9 m、寬為4 m、高為1.8 m的矩形；供風(fēng)風(fēng)筒、附壁風(fēng)筒和抽塵風(fēng)筒的直徑均為0.8 m；供風(fēng)風(fēng)筒和附壁風(fēng)筒軸心線距底板2.5 m，距最近一側(cè)巷幫0.6 m；抽出風(fēng)筒軸心線距底板2.5 m；擋塵簾長4.8 m、寬2.85 m，距掘進(jìn)工作面2 m；供風(fēng)軸向出風(fēng)口距掘進(jìn)工作面10 m。附壁風(fēng)筒與供風(fēng)風(fēng)筒直徑相同，風(fēng)筒側(cè)壁有長為5 m、寬為0.15 m的徑向出風(fēng)口，距掘進(jìn)工作面12 m。巷道供風(fēng)量為450 m3/min，由供風(fēng)風(fēng)筒噴出的軸向出風(fēng)量根據(jù)工作面瓦斯涌出量確定為40 m3/min。

3.2 控塵效果模擬分析

為了防止粉塵在壓入風(fēng)流影響下向外擴(kuò)散，同時提高除塵器收塵效率，采用附壁風(fēng)筒進(jìn)行控塵。考慮到本工作面采用除塵器機(jī)載式布置方式，為避免附壁風(fēng)筒徑向出風(fēng)風(fēng)流與除塵器排出風(fēng)量相互影響，需減小控塵距離，將附壁風(fēng)筒布置于除塵器附近。根據(jù)22120工作面運(yùn)輸巷實(shí)際情況，設(shè)計(jì)附壁風(fēng)筒徑向出風(fēng)口距掘進(jìn)工作面12 m，軸向供風(fēng)出口距掘進(jìn)工作面10 m。同時考慮到由于控塵距離較近，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)降塵效果不夠理想，為此在附壁風(fēng)筒控塵的基礎(chǔ)上，在掘錨機(jī)截割滾筒后面增設(shè)擋塵簾以提高控塵效果。

在除塵器抽出風(fēng)量為405 m3/min(壓入風(fēng)量的90%)時，分別對不采取附壁風(fēng)筒控塵、附壁風(fēng)筒控塵(軸向出風(fēng)量40 m3/min，徑向出風(fēng)390 m3/min)和 “附壁風(fēng)筒+擋塵簾”3種條件下的降塵效果進(jìn)行模擬。3種條件下，距巷道底板1.5 m(y=1.5 m)處巷道截面上的粉塵質(zhì)量濃度分布情況如圖3所示。

圖3 不同控塵條件下粉塵質(zhì)量濃度分布(y=1.5 m)

由圖3可以看出，在只使用除塵器抽塵而不采用其他控塵措施時，由于受供風(fēng)風(fēng)流的影響，大部分粉塵未來得及被除塵器抽走，就隨供風(fēng)風(fēng)流擴(kuò)散至巷道后方，進(jìn)而彌散到整個巷道空間，這種方式降塵效果很不理想；而采用附壁風(fēng)筒控塵措施后，雖然巷道后部的粉塵質(zhì)量濃度明顯比不采取控塵措施時要低很多，但是仍然有較多的粉塵擴(kuò)散到整個巷道，且粉塵質(zhì)量濃度不低，控塵效果不佳，造成這種情況的原因是由于控塵距離較近；在掘錨機(jī)截割滾筒后面增設(shè)擋塵簾后，掘錨機(jī)割煤產(chǎn)生的粉塵絕大部分被控制在擋塵簾和掘進(jìn)工作面前部煤壁的空間內(nèi)，然后通過抽塵管道吸入除塵器，含塵空氣被凈化后再排出，從而大大提高了除塵系統(tǒng)的抽塵凈化能力，掘錨機(jī)后部巷道內(nèi)的降塵效果十分理想。

3.3 除塵器抽出風(fēng)量對系統(tǒng)降塵效果的影響

分別模擬了除塵器抽出風(fēng)量分別為供風(fēng)風(fēng)量的90%、80%、70%(即抽出風(fēng)量分別為405、360、315 m3/min)時，綜掘工作面的降塵效果。不同抽出風(fēng)量時距巷道底板1.5 m(y=1.5 m)處巷道截面上的粉塵質(zhì)量濃度分布情況如圖4所示。

圖4 不同抽出風(fēng)量時粉塵質(zhì)量濃度分布(y=1.5 m)

由圖4可以看出，在供風(fēng)風(fēng)量不變的情況下，隨著抽出風(fēng)量的增加，系統(tǒng)的降塵效率也隨之提高。當(dāng)抽出風(fēng)量為315 m3/min時，掘錨機(jī)兩側(cè)的人員作業(yè)處部分粉塵擴(kuò)散；在抽出風(fēng)量為360 m3/min時，擴(kuò)散的粉塵量已經(jīng)較小；而在抽出風(fēng)量為405 m3/min時，兩側(cè)幾乎沒有粉塵向外擴(kuò)散，系統(tǒng)降塵效果良好。因此在實(shí)際使用時，在保證工作面安全生產(chǎn)的前提下，為達(dá)到理想的降塵效果，應(yīng)盡可能提高通風(fēng)除塵系統(tǒng)的抽壓風(fēng)量比。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 掘錨工作面控除塵系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和數(shù)值模擬結(jié)果，22120工作面運(yùn)輸巷總體采用“控塵+除塵器抽塵凈化”的長壓短抽式通風(fēng)除塵技術(shù)；利用附壁風(fēng)筒和擋塵簾進(jìn)行控塵，附壁風(fēng)筒控塵距離12 m，軸向出風(fēng)距離10 m，軸向出風(fēng)量40 m3/min；使用KCS-550D-Ⅰ型礦用濕式除塵器抽塵凈化，除塵器布置方式采取機(jī)載式，除塵器出風(fēng)口位置設(shè)計(jì)風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置，避免對控塵風(fēng)流產(chǎn)生干擾。在膠帶輸送機(jī)上的設(shè)備列車處安設(shè)ZTCK660(A)型煤礦機(jī)掘工作面通風(fēng)除塵監(jiān)控裝置，對工作面供風(fēng)風(fēng)量、 除塵器抽出風(fēng)量、 除塵器功率、 除塵器管道內(nèi)瓦斯?jié)舛取?抽壓風(fēng)筒重疊段瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)進(jìn)行在線監(jiān)測；并基于預(yù)先設(shè)定的壓抽風(fēng)量比對除塵器的抽風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，從而保證良好的降塵效果并避免瓦斯積聚。

圖5為煤礦機(jī)掘工作面通風(fēng)除塵監(jiān)控裝置系統(tǒng)原理圖。當(dāng)控制箱接收到風(fēng)量測量裝置傳遞的信號后，利用控制箱內(nèi)風(fēng)量計(jì)算程序?qū)︼L(fēng)量裝置風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，再利用主控箱內(nèi)程序依次推算除塵器所要達(dá)到的目標(biāo)風(fēng)量和頻率，最后主控箱通過程序自動調(diào)節(jié)頻率使除塵器風(fēng)量達(dá)到目標(biāo)風(fēng)量，風(fēng)量測量誤差不超過5%。

1—粉塵濃度傳感器；2—通信電纜；3—防爆電纜(外接設(shè)備)；

4.2 通風(fēng)除塵系統(tǒng)高效控塵措施

為進(jìn)一步提高降塵效率，根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，在附壁風(fēng)筒控塵的基礎(chǔ)上增加擋塵簾控塵。在掘錨機(jī)臨時支撐架上安裝油缸，并加裝擋風(fēng)膠帶，從而起到在截割過程中封閉擋塵的作用，阻止粉塵向外擴(kuò)散。擋塵簾布置和實(shí)際安裝情況如圖6所示。

圖6 掘錨機(jī)擋塵簾布置示意圖和實(shí)際安裝情況

4.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果測試分析

為達(dá)到最佳的降塵效果，按照濾膜質(zhì)量增重法，對系統(tǒng)抽壓風(fēng)量比分別為0.7、0.8和0.9共3種工況時的降塵效果進(jìn)行了測量分析。在掘錨機(jī)懸掛擋塵簾時，調(diào)節(jié)除塵器抽出風(fēng)量分別為315、360、405 m3/min，采用AZF-2型粉塵采樣器，對掘錨機(jī)司機(jī)作業(yè)處和距掘進(jìn)工作面15 m回風(fēng)側(cè)處的總粉塵(總塵)和呼吸性粉塵(呼塵)進(jìn)行采樣，用0.1 mg感量的電子天平進(jìn)行稱量，計(jì)算得出平均粉塵質(zhì)量濃度，并進(jìn)一步計(jì)算得到不同條件時的降塵效率。具體測試結(jié)果見表1。

表1 22120工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面粉塵質(zhì)量濃度測量結(jié)果

由表1可以看出：在掘錨機(jī)設(shè)置擋塵簾，其他通風(fēng)除塵工藝參數(shù)不變的條件下，當(dāng)除塵器抽風(fēng)量為315 m3/min(抽壓風(fēng)量比為0.7)時，司機(jī)位置總塵和呼塵質(zhì)量濃度由使用前的275.60、83.08 mg/m3分別降低到106.68、40.12 mg/m3，總塵和呼塵的降塵效率分別為61.29%和51.71%；距掘進(jìn)工作面15 m回風(fēng)側(cè)處總塵和呼塵質(zhì)量濃度分別由使用前的258.12、72.19 mg/m3降低到110.79、42.25 mg/m3，總塵和呼塵的降塵效率分別為57.08%和41.46%，降塵效果不夠理想。

當(dāng)除塵器抽出風(fēng)量為360 m3/min(抽壓風(fēng)量比為0.8)時，司機(jī)位置的總塵和呼塵質(zhì)量濃度分別降低至20.36、7.52 mg/m3，總塵和呼塵的降塵效率分別提升至92.61%和90.95%；距掘進(jìn)工作面15 m回風(fēng)側(cè)處的總塵和呼吸性粉質(zhì)量濃度降低至17.36、5.39 mg/m3，總塵和呼塵的降塵效率分別提升至93.27%和92.53%，降塵效果較除塵器抽出風(fēng)量為315 m3/min時有了明顯的改善。

當(dāng)除塵器抽出風(fēng)量為405 m3/min(抽壓風(fēng)量比為0.9)時，司機(jī)位置的總塵和呼塵質(zhì)量濃度分別降低至6.68、3.78 mg/m3，總塵和呼塵的降塵效率分別提升至97.58%和95.45%；距掘進(jìn)工作面15 m回風(fēng)側(cè)處的總塵和呼塵質(zhì)量濃度降低至5.16、2.86 mg/m3，總塵和呼塵的降塵效率分別提升至98.00%和96.04%。極大改善了該掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境，降低了高濃度粉塵對司機(jī)及其他作業(yè)人員的危害。

5 結(jié)論

1)針對“掘錨機(jī)+梭車+膠帶輸送機(jī)”的配套施工工藝，將除塵器安設(shè)于掘錨機(jī)頂部，并采用“附壁風(fēng)筒+擋塵簾”控風(fēng)除塵的工藝配套方式，能夠有效解決掘錨工作面的粉塵污染。該配套方式簡單方便，既利用原機(jī)自帶的抽塵風(fēng)道和集塵口，充分發(fā)揮了集塵口處距離截割面近、收集粉塵效率最高的特點(diǎn)，又減少了除塵設(shè)備搬運(yùn)，避免了工人接續(xù)抽塵風(fēng)筒的工作量。

2)當(dāng)掘錨工作面抽壓風(fēng)量比為0.9時，掘錨工作面的總塵和呼塵的降塵效率分別達(dá)到97%和95%以上，極大改善了作業(yè)環(huán)境，保障了作業(yè)人員的身體健康。

3)該控風(fēng)除塵系統(tǒng)采用通風(fēng)除塵監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)除塵系統(tǒng)運(yùn)行過程中主要工藝參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測及壓抽風(fēng)量的自動調(diào)控，保障了掘進(jìn)工作面通風(fēng)防塵系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行。