综掘工作面通风除尘合理压抽比实践与试验研究

文伟杰，李 宁

(1.山西兰花科技创业股份有限公司, 山西 晋城 048000; 2.山西兰花同宝煤业有限公司, 山西 晋城 048000)

煤矿井下掘进开采工作时，综掘工作面产尘量大。巷道掘进机械化程度的提高，大功率高效掘进机、运输转载机和局部通风装置的推广使用，增大了综掘巷道内的产尘源和产尘量，增加了空气中的粉尘浓度。我国大多数煤矿的煤尘都具有爆炸性，粉尘能降低作业场所的能见度，增加事故发生率。同时，粉尘会诱发肺尘病，影响工人健康。因此，对煤矿综掘工作面采取有效的粉尘防治技术，是生产实际的客观要求，也是社会进步的必然趋势。

1 综掘工作面粉尘分布规律的现场实测

1.1 工程背景

实际生产过程中，综掘工作面现场环境复杂，因此还需考虑现场实际情况。首先对现场压入式通风系统粉尘分布规律进行分析，以山西某矿为工程背景，矿井通风方式为两翼对角分区通风，采取抽出式通风方法，主要的进回风井分别有6个、4个，矿井的总进风量为27 316 m3/min，总回风量为27 618 m3/min，选择FBDY-NO6.3(2×30 kW)型对旋式风机局部通风，该风机的启动Ⅰ级吸入风量为320～350 m3/min，采用d800 mm强力胶质风筒，压入式供风。该矿地面副斜井口有容积为2×500 m3的防尘水池，井下所有工作面及巷道均安设了完善的防尘管路和综合防尘设施。

1.2 粉尘分布规律

在综掘巷道布置1#—7#共7个风速测试断面。其中,1#、2#、3#断面在工作面附近,1#风速测试断面位于掘进机司机处(压入式风筒口后方2 m)，风筒口距掘进头9 m. 4#和5#断面稍远，以4 m间距布置，5#断面在巷道转载点处；6#和7#断面远离工作面。为研究风速沿程分布，分别以与前断面距离6 m和10 m位置布置。由于远离风筒侧为现场主要工作区域，所以测定了该侧的呼吸性粉尘浓度(测点4、5、6)，研究比较不同高度下全尘和呼尘浓度的沿程分布，呼吸带高度还需比较巷道中央呼吸性粉尘浓度(测点7). 采用CCD1000-FB便携式微电脑粉尘仪，调整灵敏度，设定相关系数K=0.646，测定全尘浓度；调整相关系数K=0.313，测定远离风筒侧呼吸性粉尘浓度。测得的粉尘浓度见表1.

由表1可知，粉尘浓度大体随沿程距离的增加而减少，在转载点处有明显回升，在距掘进头15 m的范围内，粉尘浓度最高。由于大颗粒粉尘先沉降，因此巷道中上部的粉尘浓度较高，之后会有波动，但最终小颗粒粉尘漂浮在空气中，使得巷道粉尘浓度稳定在50 mg/m3以下。此外，对远离风筒侧和巷道中央全尘和呼吸性粉尘的浓度变化规律也进行了探讨，全尘浓度变化大，呼尘浓度变化相对平缓，且只在呼吸带高度二者变化规律相近。

表1 综掘工作面粉尘浓度测定记录表

2 长压短抽式通风除尘系统的试验

为了进一步研究风流和粉尘的运动规律，实现现场良好工作环境的目的，需要根据相似理论进行相似模拟实验研究。改变通风方式及参数，研究两种通风除尘系统下的流场和粉尘浓度场的分布情况，得到最优的通风除尘方案。长压短抽式通风除尘系统中的关键参数是压抽比。实验中压抽风筒直径均为0.4 m，可通过调整风阀改变风速来实现压抽比的变化。由于实际电力限制了抽出式风机的功率，抽出式风筒口的最大风速仅能达到5.5 m/s左右，变化范围受限。因此，为了合理调节压抽比参数，在试验过程中保持吸风风速稳定在5.5 m/s，通过改变压风风速，完成压风和吸风风速的不同配比。该实验分别取压抽比值为0.7、1.0、1.3、1.5. 需要指出的是，实际中压抽比不能取1，实验中取1是为了给其他压抽比作参考，分析不同压抽比下粉尘的运移情况及浓度分布，最终确定此相似系统下合理的压抽比值。

2.1 测点布置

为了与压入式通风除尘对比，长压短抽式通风除尘相似实验系统也采取同样的测试断面和断面测点布置，测点布置在压风侧、吸风侧和模型中央，见图1.根据相似模拟实验装置的尺寸，结合压入式通风流场理论基础，在相似实验模型内部选取1#～6#共6个待测断面，每个全断面上布置3×3共9个测点，靠近风筒侧、远离风筒侧、模型中央分别均有3个测点，见图2.

图1 测试断面布置图

图2 系统断面测点布置图

2.2 风速测定及流场分析

按照布置的断面及测点，采用JFY-4通风多参数测定仪进行风速测定。为获取不同的压抽比，只需调节压风风阀，测定压入风筒口风速，并与抽出风筒口风速对比，即可得到不同压抽比情况下的风速值。改变通风方式之后，分析在压风风量不变的情况下，增加抽出风量后整个实验巷道流场的变化，即研究压抽比为1.3时的模型巷道流场。此时，调节压风风速与压入式通风风速相同为7.15 m/s，抽出风速保持为5.5 m/s.

不同通风方式下巷道流场的试验数据见表2,图3，由此可得分布规律：

表2 压抽比为1.3 时的风速测定记录表

图3 压抽比为1.3时长压短抽式通风相似模拟巷道流场变化图

1) 吸风侧在距工作面1 m处风速最高，这是因为靠近抽出风筒的缘故。随后各高度风速均下降，在3 m处1 m高度风速回升较大，风速在高度方向大体呈1 m>1.5 m>0.5 m的变化规律。模型中央风速变化较为复杂，由于风流大部分被抽出风筒抽走，使得在2 m处1 m高度以上风流存在较少，被顶板阻扰而向下运动的风流则回流至模型中央底部并持续向远处运动，即2～3 m处0.5 m高度风速较大，随后在5～10 m位置风速减小，不及高度大于1 m的风速值。相对而言，压风侧风速无明显变化，只在2 m处受压风射流影响，1 m和1.5 m高度风速值较高，随后随沿程减小，最终稳定在0.3 m/s左右。

2) 0.5 m高度，吸风风速沿程减小，模型中央风速先增后减，压风风速先减后增，在2～5 m的主要变化范围内，风速呈模型中央>吸风侧>压风侧的变化规律，随后风流向两帮扩散，最后两帮风速比中央高。1 m高度，吸风侧和模型中央的风速沿程变化规律相似，均呈先降后升再降的规律，且吸风侧风速高。1.5 m高度，除压风侧2 m处风流射流风速较大，其他变化均不明显，特别是吸风侧和模型中央，在距工作面3 m后，风速基本无大的变化。

3) 比较长压短抽式通风和压入式通风，风速显然均是随着沿程减小的，长压短抽的风速变化相对更集中在距工作面5 m之前，压入式通风的变化范围更广泛，一般也均呈现吸风侧(远离风筒侧)>模型中央>压风侧(靠近风筒侧)的风速变化规律。主要区别在于2～5 m位置，长压短抽的风速和压入风速的变化基本是相反的，这是因为抽出风筒的存在减弱了压风射流的影响范围，风流回流和涡流的程度以及位置发生了改变。

在距底板1.5 m高度水平不同压轴比情况下的风速沿程分布见图4.

图4 不同压抽比情况下1.5 m高度风速沿程分布图

分析图4可知：

1) 在吸风侧，4种压抽比情况下风速变化相近，均在1～2 m处风速急剧减小，随后平缓变化，风速最终均稳定在0.4 m/s以下。

2) 在模型中央，压抽比为0.7、1.3和1.5时风速变化情况相似，压抽比为1.3时在3 m处存在风速回升的状况，压抽比为1时风速沿程减小无明显变化，压抽比为1和1.3时的风速最终均稳定在0.4 m/s以下，而压抽比为1.5时的风速则稳定在0.45 m/s.

3) 在压风侧，4种压抽比情况下风速变化相似。

2.3 粉尘浓度测定及分析

为了得到合理的压抽比参数，使得巷道内粉尘浓度得到最合适的控制和处理，需要对比不同压抽比情况下的粉尘浓度分布。对模型巷道每一个待测高度，粉尘在压吸风侧及巷道中央的浓度值进行比较分析。不同压抽比情况下0.5 m高度粉尘浓度沿程分布图见图5，在距底板0.5 m高度水平有如下规律：

1) 在吸风侧，距工作面3 m前，压抽比为0.7和1时的粉尘浓度较高，说明粉尘沉降较多，随后前者粉尘浓度快速降低趋于平缓，后者却一直蔓延至整个巷道，浓度值最高。压抽比为1和1.3时的粉尘浓度变化相近，后者浓度值更大。

2) 在模型中央，压抽比为0.7时的粉尘浓度无大的变化，压抽比为1.3和1.5时的粉尘浓度波动较大，特别在3 m处，浓度值后者远高于前者，压抽比为1的粉尘浓度相对波动不大，但在距工作面前5 m，其浓度值比压抽比为1.3时的要大。

3) 在压风侧，压抽比为1.3和1.5时的粉尘浓度依旧变化明显，且后者值更大，但据总的粉尘浓度值来看，除压抽比为1.5之外，其他3种压抽比情况下粉尘浓度均在20 mg/m3及以下。

3 结 论

在长压短抽式通风除尘系统中，研究了压风风速与压入式通风风速相同情况下的流场和粉尘浓度场。得到了如下几点结论：

1) 长压短抽式通风方式下的风速变化更集中，压入通风变化更持续，得到了吸风侧>模型中央>压风侧的一般风速变化规律，由于抽出风筒的原因，二者风速主要相差区域在于距工作面2～5 m的地方，长压短抽式通风除尘效果更好。

2) 压抽比为1时巷道内风速较小，压抽比为0.7和1.3时，风速变化类似，压抽比为1.5时风速波动也最明显，而高度越高压抽比对风速的变化影响越小，确定了粉尘浓度在压抽比为0.7时得到了最好地控制，整体维持在较低水平。