综掘工作面粉尘运移规律及控制技术研究

丁厚成，杨 帆，张义坤

(1.安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243000；2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

综掘工作面粉尘运移规律及控制技术研究

丁厚成1，杨 帆1，张义坤2

(1.安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243000；2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

针对煤矿综掘工作面现有粉尘治理措施存在的不足，在长压短抽通风除尘方式中利用附壁风筒的旋流控尘作用将高浓度粉尘聚集在迎头，同时结合新型气水喷雾模块进行综合粉尘防治；以淮南煤矿区某综掘工作面为原型，根据井下实际情况，利用Gambit建立掘进巷道的几何模型，并利用Fluent软件对不同条件下掘进巷道通风过程中粉尘分布情况进行数值模拟计算与分析，确定了综掘工作面高浓度粉尘分布和运移规律；综合以上情况，采用长压短轴通风方式下新型气水喷雾模块附壁风筒配合自激式水浴水膜除尘器治理综掘工作面粉尘，现场检测显示，在回风侧全尘及呼吸性粉尘除尘效率均达到了89%以上。

煤矿综掘工作面；粉尘运移；数值模拟；自激式水浴水膜除尘器；附壁风筒

煤矿粉尘是岩尘和煤尘的统称，是煤矿的主要危险源之一，可引起尘肺病和煤尘爆炸。煤矿采掘机械化程度的提高和采掘强度的增大，导致井下作业地点产尘量急剧增大，严重威胁了煤矿的安全生产和矿工的身体健康。在含尘环境中工作的工人，长期吸入大量的粉尘，易患有尘肺病。同时，当具有爆炸危险的煤尘达到一定浓度，在引爆热源的作用下，可以发生猛烈的爆炸，造成极为惨痛的后果，如果煤尘与瓦斯结合，一旦爆炸，损失将会更加惨重。

为了加强对煤矿粉尘的控制，保障煤矿井下作业人员的身心健康，目前主要采取“减、降、排、除”和个体防护等防尘措施，具体措施包括煤层注水、湿式作业、喷雾洒水、喷射泡沫、添加湿润剂、通风除尘和除尘器等[1-8]。但实践中发现现有防尘措施存在一些不足，主要表现为：井下内喷雾易被堵塞，维护困难，外喷雾雾化效果不理想；煤层注水操作工序较复杂；泡沫除尘成本较高；一些除尘器较为笨重，安装使用不便。基于此，本文在淮南煤矿区某综掘工作面，采用长压短抽通风方式下新型气水喷雾模块、附壁风筒配合自激式水浴水膜除尘器(以下简称除尘器)进行了粉尘综合治理的研究与实践。

1 综掘工作面粉尘浓度测定

1.1 综掘工作面概况

淮南煤矿区某综掘工作面设计长度为1 450 m，煤层倾角为0°～8°，平均为5°，巷道沿煤层顶板掘进。巷道为梯形断面，设计尺寸为净宽×净高=4.0 m×2.6 m，采用锚索网支护。综掘工作面绝对瓦斯涌出量为0.35～0.68 m3/min，采用压入式通风，风筒直径为600 mm，压入风量为350 m3/min。

1.2 综掘工作面粉尘浓度测点布置

根据粉尘浓度测定规程，结合现场实际，在巷道回风侧人行道上呼吸带高度布置采样点，从掘进机司机处开始进行粉尘浓度检测，测点布置见图1。

1.3 综掘工作面粉尘浓度测定及分析

采用AKFC-92A粉尘采样仪进行采样，采样时间为2 min，流量为20 L/min，并对所采样品进行粉尘浓度检测，根据检测数据绘制粉尘浓度分布曲线，如图2所示。

由图2可以看出：在综掘工作面回风侧距离司机处10 m范围内粉尘浓度较高，无除尘措施时在司机处全尘浓度达到968 mg/m3，呼吸性粉尘浓度为772 mg/m3，分别超出国家标准96倍和219倍；由于压入式风筒悬挂在巷道右帮处，高速喷出的风流造成巷道断面风流紊乱，局部风速不均，掘进工作面前方存在许多不稳定的涡流，产生的粉尘被吹向了掘进机左下回风侧，导致回风侧成为高浓度粉尘聚集区；司机处以后大颗粒粉尘由于重力作用沉降，粉尘浓度快速下降，微小粉尘迅速扩散到全巷道并缓慢沉降。

2 粉尘运移规律的数值模拟

2.1 几何模型建立及网格划分

依据现场实际情况，将综掘工作面进行一定简化之后用Gambit建立几何模型[9-12]，如图3所示。巷道长度为100 m，巷道断面规格为4.0 m×2.6 m的梯形；巷道采用长压短抽式通风方式，压入式风筒悬挂在掘进方向右侧，压入风筒直径为600 mm，风筒轴线到巷道底板的距离为1.8 m，附壁风筒安装在压入式风筒前端，出风口到综掘工作面的距离为7 m；除尘器出口位置距离工作面24 m；抽风筒直径为500 mm，抽风量为195 m3/min。

2.2 掘进巷道内风流流场分布规律

本文利用Fluent软件对掘进巷道内风流流场分布进行数值模拟计算，其模拟结果见图4和图5。

由图4可以看出：压入式通风时，掘进巷道内风流自右侧风筒内高速喷射而出，大部分风流因受到迎头和掘进机的阻碍而被导向巷道左侧，经过一段距离的扩散之后风速趋于稳定，并均匀分布于巷道整个断面内；受到掘进机的扰动影响，压入式风筒的高速风流在距离迎头20 m的距离范围内风速高、稳定性差，当其距离迎头超过20 m后，风流流场逐渐趋于稳定分布，风速基本保持在0.4～0.5 m/s。

由图5可以看出：采用综合除尘措施后，在附壁风筒和除尘器共同作用下，掘进工作面前端形成了一个稳定的风流场，大部分风流由附壁风筒侧缝流出，在巷道断面的影响下，将压入式风筒内轴向高速风流转化为旋转的低速风流，在掘进机区域形成一道逆时针旋转向前的风墙，能阻止尘源处的大量粉尘颗粒向掘进巷道后方扩散，同时保证掘进机后面区域内风流流场分布更为均匀，改善了之前风流场紊乱的状况；在风流场中，旋转风流和除尘器共同作用，在吸风口处形成了较大范围的负压区域，能将掘进机至迎头之间区域的风流抽走，避免在该区域内形成旋转涡流，有利于该区域内集聚的粉尘迅速有效地排出。

2.3 掘进巷道内粉尘浓度分布规律

在风流流场基础上开启离散相模型，并分别在掘进机截割头及左右铲板位置加入粉尘源，对掘进巷道内粉尘浓度分布扩散情况进行了数值模拟计算，其模拟结果见图6至图11。

如图6所示，未采取除尘措施时，掘进巷道内掘进机截割头附近粉尘浓度最大，最高超过1 000 mg/m3，粉尘被压入式风筒喷出的高速风流带动，集中在迎头前方20 m范围，尤其是回风侧，形成一个较小的红色区域，即高浓度粉尘聚集区，之后粉尘浓度沿回风侧减小，并迅速扩散至全巷道；如图7所示，采取综合除尘措施后，红色区域，即高浓度粉尘聚集区，在附壁风筒和除尘器吸尘口所产生负压的综合作用下集中在迎头5 m范围内，而不向外扩散，掘进机司机处及其后面的巷道中粉尘浓度很小。

如图8所示，未采取除尘措施时，高浓度粉尘在吸尘口左侧有小范围聚集，并迅速扩散至全巷道；如图9所示，采用综合除尘措施后，吸尘口附近高浓度粉尘聚集区增大，之后粉尘浓度迅速降低。

如图10所示，未采取除尘措施时，在回风侧人行道粉尘浓度很高且扩散得非常严重，一直到距迎头30 m范围内粉尘浓度依然较高；如图11所示，采用综合除尘措施后，在回风侧人行道的高浓度粉尘区域很小且仅聚集在迎头附近范围，并不向后扩散，掘进机司机处及后面巷道粉尘浓度很低。

综上模拟结果可知，综合除尘措施利用附壁风筒和除尘器极大地改善了掘进巷道迎头范围的风流场，有效地控制了粉尘的运移和扩散。

3 现场除尘方案确定及其应用

3.1 自激式水浴水膜除尘器

自激式水浴水膜除尘器主要利用高速含尘气流直接冲击液体形成液膜液滴进而捕尘降尘，其主要结构见图12。含尘气体由进风口进入除尘器，受导流叶片作用转弯向下冲击水面，大粒径粉尘受惯性作用落入水箱中，微小粉尘颗粒随气流高速度进入上导流叶片间的弯曲通道，并冲击水面，激起大量的水滴，水滴与粉尘碰撞而被捕获;之后水气流由于惯性的作用在除尘器内部壁面形成水膜，将碰撞上的尘粒捕捉，最后经过脱水器除掉气流中的水分排出。该除尘器除尘效率高，经测定对呼吸性粉尘除尘率在95%以上。

3.2 附壁风筒

附壁风筒利用气流的附壁效应，将原压入式风筒供给综掘工作面的轴向高速风流改变为沿巷道壁的旋转风流，并以一定的旋转速度向迎头旋转推进，在除尘器吸风流的共同作用下，便形成一股螺旋线状气流(见图13)，在掘进机司机处前方形成空气幕，阻挡粉尘向外扩散，使之经过吸尘罩吸入除尘器中进行净化，提高了除尘器的除尘效率[13-14]。

3.3 综合除尘方案现场布置及效果检验

根据现场情况和相关规程要求，该综掘工作面采用长压短抽式通风方式，压入式风筒出口安装附壁风筒，出风口距综掘工作面7 m，吸风筒直径0.5 m，吸风罩置于掘进机上截割臂后方处，自激式水浴水膜除尘器以轮车承载，与桥式转载相连安设于滑轨上，如图14所示。同时，针对传统外喷雾存在的弊端，对喷嘴的结构、安装位置、数量、布置方式和雾流喷射方向等进行了改进，采用新型气水喷雾模块，在喷嘴前形成均匀稳定的气泡两相流。该方法雾化效果好，雾滴粒径大小合适，喷射动量大、距离远，覆盖范围广，水压要求小，适合井下复杂条件下的使用。

综合除尘方案实施后，在掘进工作面进行粉尘浓度检测，并绘制粉尘浓度分布曲线，见图15。

现场测试数据显示，使用综合除尘方案后，在司机处全尘浓度为62 mg/m3，呼吸性粉尘浓度为48 mg/m3，综合除尘效率达到89%以上，在司机处全尘除尘率高达93.6%，呼吸性粉尘除尘率高达93.8%，除尘效果显著。

4 结 论

(1) 综掘工作面割煤工序粉尘浓度高，单一手段无法达到理想的除尘效果，传统外喷雾除尘率为30%～40%，无法达到对煤矿工人职业病防治的要求。

(2) 采用三维数值模拟的方法对综掘工作面风流流场及其粉尘浓度分布规律进行了研究，结果表明：压入式通风时，压入式风筒的高速风流会对迎头风流产生极大扰动，截割工序产生的大量粉尘随迎头风流经回风侧向后运移，高浓度粉尘集中在迎头前方20 m范围内，之后粉尘浓度逐渐减小，并迅速扩散至全巷道；采取综合除尘措施后，高浓度粉尘聚集区，在附壁风筒和自激式水浴水膜除尘器吸尘口所产生负压的综合作用下集中在迎头5 m范围内，而不向外扩散，掘进机司机处及其后面的巷道中粉尘浓度很小。

(3) 现场实施综合除尘方案后，结果显示附壁风筒可以有效改善迎头风场，在司机处形成旋转向前的风墙，配合除尘器在吸风口处形成了较大范围的负压区域，将迎头集聚的高浓度粉尘迅速有效地吸入并处理，除尘效果显著，全尘和呼吸性粉尘除尘效率均在89%以上，极大地改善了井下作业环境，可为其他煤矿综掘工作面粉尘治理提供指导和参考。

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Research on Dust Migration Law and Control Technology in Fully-mechanized Working Face

DING Houcheng1,YANG Fan1,ZHANG Yikun2

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，AnhuiUniversityofTechnology，Maanshan243002，China;2.Civil&EnvironmentalEngineeringSchool，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

For the purpose of making up for the deficiency of the existing dust removal methods in coal mine fully-mechanized working face,this paper proposes a more effective method using the swirl effect of the ventilator attached to the wall in the way of far-pressing-near-absorption ventilation to gather high concentration dust to head-on and combining with gas water spray to prevent and control dust.The paper takes a fully-mechanized working face in Huainan mine area as the prototype.According to the actual conditions under the mine,the paper applies the Gambit software to establishing roadway geometry and Fluent software to getting the results of dust distribution with different ventilation methods,and then contrasts the simulation results with the experiment results to get the high dust concentration zones.Based on the above results,the paper proposes a method of applying self-excited wet dust scrubber,wall attaching chimney and original gas water spray to prevent dust.The measurement data from the site shows that dust removal rate of full dust and respiratory dust reaches 89%.

coal mine fully-mechanized working face;dust migration;numerical simulation;self-excited wet dust scrubber;wall attaching chimney

1671-1556(2015)04-0082-06

2014-11-06

2015-04-27

安徽高校省级科学研究项目(KJ2012 Z025)

丁厚成(1973—)，男，博士，高级工程师，主要从事安全技术与工程方面的研究。E-mail：hnhoucheng@163.com

X701.2

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.014