综掘巷道抽、压组合的通风系统布置参数及效果研究

王登峰

（晋煤集团泽州天安恒源煤业有限公司，山西 晋城 048000）

1 工程概况

山西晋煤集团泽州天安恒源煤业有限公司井田面积5.3542km2，矿井生产规模60万t/a，属低瓦斯矿井。井田位于太行山复式背斜南段西翼，井田主体构造为一向南西倾伏的向斜构造（S1向斜），两翼地层倾角约1°～7°，未发现陷落柱构造，未见岩浆岩侵入。目前所采15#煤为低灰～中灰、中高硫、高固定碳、特高热值之无烟煤，可作为电力、化工及民用煤，煤层无煤尘爆炸危险性，自燃倾向性性质为不易自燃。15#煤层厚1.08～4.3m，平均2.69m，属全区稳定可采中厚煤层；15#煤层直接顶板为K2灰岩，厚度较大，一般厚约8.63m，K2灰岩下局部有薄层炭质泥岩；底板为泥岩，一般厚约2.11m。当前该矿选用EBZ-120型综掘机进行151303工作面两顺槽的掘进作业，顺槽设计断面为宽×高=4.4×3.5m，断面积14.46m2。设计单个掘进工作面循环进度1.5m，每班4个循环，日进12.0m，月掘进进尺为360m。顺槽掘进过程中，采用压入式通风方式，由于掘进速度较快，产尘量大，现场实测掘进工作面迎头粉尘浓度高达900mg/m3，迎头粉尘浓度超限，严重遮挡视线，影响正常掘进作业，拟采用抽、压组合的通风方式来降低掘进工作面的粉尘浓度。

2 151303综掘工作面抽、压组合的通风系统布置参数研究

2.1 模型建立

以恒源煤业151303综掘工作面为研究对象，同时借鉴类似工况下的掘进作业经验[1-2]，通过Fluent软件建立151303综掘工作面抽、压组合的通风系统模型，来研究本工作面在抽、压组合的通风系统中风筒布置的最优参数。数值模拟过程中忽略温度、二次扬尘及截割头喷雾等对粉尘扩散的影响。巷道模型及管路线缆等内部装置进行简化，所建模型为高3.5m，宽4.4m的拱形巷道，研究趋于为50m。在模型中风筒直径1m；压入式风筒距巷帮0.5m，轴心距底板2.4m，风筒中的风速约为11.2m/s，压风筒筒口分别距掘进迎头5m、7m、10m、13m、15m、18m；抽风筒的筒口固定在综掘机机身上距掘进迎头4m，距底板2m，随综掘机移动，距掘进迎头的距离保持不变。最终确定模型为890000个网格节点。

2.2 数值模拟结果分析

图1 压风筒筒口距掘进迎头不同距离时巷道断面粉尘浓度分布云图

如图1为压风筒筒口分别距掘进迎头5m、7m、10m、13m、15m、18m掘进作业时，距掘进迎头5m、10m、15m、20m、25m、30m、40m、50m 的巷道断面粉尘浓度分布云图。观察图1（a）及图1（b）发现压风筒筒口距掘进迎头5m和7m时，由于出风口距离产生粉尘源头距离过近，并且压风筒所射风流在掘进迎头处的速度最大，导致部分粉尘被风流吹散，散布于巷道内，部分粉尘积聚于抽风筒筒口下方，除尘效果不明显；观察图1（c）发现压风筒筒口距掘进迎头10m时，由于抽风筒距离产尘源距离不合适，导致风流在抽风筒附近形成回旋风，部分粉尘由于回旋风作用在抽风筒筒口附近滞留，除尘效果不佳；观察图1（d）发现压风筒筒口距掘进迎头13m时，可以明显看出距掘进迎头不同距离的各断面粉尘浓度都很低，该参数下的抽、压组合的通风系统除尘效果良好，一部分粉尘随巷道的通风风流流出巷道，大部分粉尘经抽、压组合的通风系统处理；观察图1（e）及图1（f）可以发现压风筒筒口距掘进迎头15m和18m时，由于压风筒筒口距离产生粉尘源头太远，导致压风筒所射有效风流到不了掘进迎头，有效风流在抽风筒筒口作用下会在距掘进迎头约10m的位置形成循环风，大部分粉尘被循环风挡在掘进迎头处，掘进迎头附近粉尘浓度会随着综掘机的推进逐渐增加，除尘效果较差。

图2 压风筒筒口距掘进迎头不同距离时巷道断面粉尘浓度分布云图

图2 为压风筒筒口距掘进迎头10m、11m、12m、13m、14m、15m时，巷道内距掘进迎头不同距离的粉尘浓度分布图。观察图2可以发现随着距掘进迎头距离的不断增加，巷道内粉尘的浓度呈下降趋势，并在距掘进迎头40m以后稳定为40mg/m3左右。通过对比压风筒筒口距掘进迎头不同距离的曲线可以发现压风筒筒口距掘进迎头13m时的整体粉尘浓度最低，除尘效果最佳。相较原先的压入式通风，掘进迎头的粉尘浓度下降至240mg/m3。

综上所述恒源煤业151303综掘工作面在采用抽、压组合的通风系统时，压风筒筒口距离掘进迎头13m时的除尘效果最佳。

3 综合降尘措施

3.1 改进综掘机截割头喷雾系统[3]

综掘机截割头原喷雾系统中的内喷雾系统在掘进机掘进作业时，由于截割头直接接触煤岩体，会造成运行过程内喷雾系统水压较低，并且泥浆会堵塞部分喷雾头，使内喷雾系统不能充分发挥降尘作用。综掘机截割头原喷雾系统中的外喷雾系统存在对产尘源除尘效果不强、喷雾头水压不稳定、水流量太大造成地面泥泞湿滑及过滤效果不好致使部分喷雾头堵塞的问题。根据喷雾系统在现场应用中存在的问题，现将改进综掘机的喷雾系统。改进后的喷雾系统由辅助外喷雾和内喷雾构成，共同保证该系统的降尘效果及该系统连续正常运行。改进后的喷雾系统选用空心锥形的螺旋牙水芯，其安装孔径为1.2mm，并在高压水管口设置过滤装置，防止杂物堵塞喷头，将喷雾系统的喷雾压力设定在4～6MPa。外喷雾要求综掘机截割断面腰线以上部分时，外喷雾系统喷雾头的安装角度针对扬尘区，综掘机截割断面腰线以下部分时，外喷雾系统喷雾头的安装角度针对落尘区；内喷雾在截割头运行时由于过滤装置的次存在及螺旋牙水芯的使用，能够保证掘进过程中内喷雾充分发挥抑尘降尘的作用。改进后的喷雾系统示意图如图3所示。

图3 改进后的喷雾系统示意图

3.2 抽、压组合的通风系统[4]

在151303综掘工作面内布置抽、压组合的通风系统。该系统选用的风筒为刚性骨架，直径为800mm。将抽风筒的筒口固定在综掘机机身上距掘进迎头4m，距底板2m，抽风筒筒口布置有吸尘罩，抽风筒随综掘机移动，距掘进迎头的距离保持不变，始终保持有效的吸尘距离。压风筒筒口布置在距离掘进迎头13m的位置处。在这种布置方式下抽、压组合的通风系统随掘进机自动向前移动，简化了作业程序，减少了工作人员的劳动强度，并且在该布置参数下的抽、压组合的通风系统除尘效果最佳。

3.3 综合降尘措施应用效果分析

在现场151303巷道掘进作业时，应用改进后的综掘机截割头喷雾系统和抽、压组合的通风系统进行掘进工作面的通风和降尘。为了观测综合降尘措施应用效果，在距掘进迎头每5m的巷道腰线上布置粉尘采样仪监测巷道内的粉尘浓度，共布置5个测点，测点准备完成进行掘进作业，并记录每个测点的粉尘浓度，结果如图4所示。

图4 综合降尘措施应用效果

观察图4可以发现，151303巷道掘进作业时，应用改进后的综掘机截割头喷雾系统和抽、压组合的通风系统进行掘进工作面的通风和降尘，取得的降尘效果良好，掘进迎头5m范围内的粉尘浓度下降至约98mg/m3，相较原通风方式下掘进迎头900mg/m3的粉尘浓度，下降了约89%，并且掘进工作面后方25m的距离处粉尘浓度降至25mg/m3，能够满足正常安全掘进巷道的要求。

4 结 论

通过Fluent软件建立151303巷道抽、压组合的通风系统模型，研究本工作面在抽、压组合的通风系统中风筒布置的最优参数，研究结果表明压风筒筒口距离掘进迎头13m时，抽风筒固定于综掘机距迎头4m的位置处的除尘效果最佳。并在现场应用改进后的综掘机截割头喷雾系统和抽、压组合的通风系统进行掘进工作面的通风和降尘，取得的降尘效果良好，掘进迎头5m范围内的粉尘浓度下降至约98mg/m3，能够满足正常安全掘进巷道的要求。