黃立寧

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)

掘進工作面作為煤礦井下粉塵的主要來源之一，隨著開采工藝和掘進技術(shù)的不斷提高，粉塵濃度呈上升趨勢，危害性日趨嚴(yán)重，無論是總粉塵濃度還是呼吸性粉塵濃度在不采取任何防治措施的情況下都嚴(yán)重超過《煤礦安全規(guī)程規(guī)定》的標(biāo)準(zhǔn)[1-6]。工人長期暴露在粉塵嚴(yán)重超標(biāo)的作業(yè)環(huán)境，增加了塵肺病的患病率，統(tǒng)計表明，我國煤礦塵肺病患者85%以上來源于掘進工作面，而且呈逐年遞增的態(tài)勢[7]。粉塵還能引發(fā)煤塵爆炸，降低煤礦設(shè)備的使用壽命，影響作業(yè)人員的視線等[8]。抽出式通風(fēng)作為掘進工作面的通風(fēng)方式之一，能使雜亂無章的粉塵運動變的相對定向有序，研究抽出式通風(fēng)巷道的流場，如風(fēng)速分布，有助于控制粉塵擴散和進行粉塵治理，從而降低粉塵濃度[9-10]，對降低塵肺病的發(fā)生率和粉塵爆炸率有著重要的意義。本文通過實驗室試驗對抽出式通風(fēng)巷道的風(fēng)速分布進行研究，找出其分布規(guī)律，為礦井掘進工作面粉塵治理提供理論指導(dǎo)。

1 試驗系統(tǒng)的構(gòu)建

模擬試驗巷道斷面為矩形，凈寬3.6m，凈高3.4m，巷道凈斷面積為12.24m2。采用KCS-250型變頻除塵器作為實驗系統(tǒng)的局部通風(fēng)機，額定風(fēng)量為250m3/min，風(fēng)量可調(diào)。抽出式風(fēng)筒直徑為600mm，風(fēng)筒中心到巷道右側(cè)距離為1.25m，距離底板高度為1m，風(fēng)筒入風(fēng)口到工作面的距離為3m。試驗系統(tǒng)如圖1所示：用X表示巷道寬度方向值，巷道正中位置為X=0，X取值范圍為-1.8～1.8m；用Y表示巷道軸向方向上的值(即巷道內(nèi)任意點距工作面的垂直距離)，工作面為Y=0處，Y的取值范圍為Y≥0m；用Z表示巷道高度方向上的值，巷道底板為Z=0處，Z的取值范圍為0～3.4m。

圖1 抽出式通風(fēng)掘進工作面試驗系統(tǒng)示意圖

2 測點布置和風(fēng)速的測定

2.1 測點布置

為了保證試驗的準(zhǔn)確性，風(fēng)速測量時需對巷道斷面進行網(wǎng)格劃分，劃分的單元格數(shù)量和巷道對應(yīng)的面積應(yīng)滿足表1的要求。模擬試驗巷道斷面面積為12.24m2，按表1要求應(yīng)將斷面劃分為至少16個單元格，結(jié)合巷道斷面形狀，按圖2所示將巷道斷面平均劃分為24個單元格，每個網(wǎng)格的邊長為0.85m×0.6m，滿足表1的要求。每個單元格的中心為一個測點，測定每一個單元格中心的風(fēng)速代表該單元格區(qū)域的風(fēng)速，通過計算求出巷道斷面的平均風(fēng)速和風(fēng)速分布均勻系數(shù)等[11]。

表1 巷道斷面測點數(shù)對照表

圖2 巷道斷面風(fēng)速測點布置圖

2.2 風(fēng)速的測量與計算

采用超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器和數(shù)據(jù)記錄儀FC-2測量并記錄風(fēng)速信息，每個測點的測量時間不低于5分鐘，每間隔10s記錄一次數(shù)據(jù)，依次測量Y值分別為1m、2m、3m、4m、5m、7m巷道斷面(即距工作面為1m、2m、3m、4m、5m、7m的巷道斷面)各個測點的風(fēng)速，記錄數(shù)據(jù)并進行計算分析，計算得出各巷道斷面平均風(fēng)速、風(fēng)速分布均勻系數(shù)[12]。

巷道斷面平均風(fēng)速的計算公式為

(1)

式中：vi為巷道斷面各測點測得的風(fēng)速值，m/s；n為巷道斷面上的測點數(shù)量，取24。

巷道斷面風(fēng)速平均偏差絕對值的計算公式為

(2)

巷道斷面上的平均風(fēng)速與風(fēng)速平均偏差絕對值跟平均風(fēng)速之和的比值為風(fēng)速分布均勻系數(shù)K0。

(3)

風(fēng)速分布均勻系數(shù)表示巷道斷面上各個區(qū)域風(fēng)速分布的均勻性，其中在0～1之間。均勻系數(shù)越接近于0，表示巷道斷面上不同區(qū)域的風(fēng)速差值越大，風(fēng)速分布越不均勻；均勻系數(shù)越接近于1，表示巷道斷面上不同區(qū)域的風(fēng)速差值越小，巷道斷面上風(fēng)速分布越均勻。

3 試驗結(jié)果分析

為了避免電壓波動、通風(fēng)系統(tǒng)阻力等因素對除塵器風(fēng)量的影響，確保試驗過程中風(fēng)量、風(fēng)速保持恒定。試驗時以風(fēng)量150m3/min為基礎(chǔ)，對巷道斷面水平方向上的風(fēng)速分布規(guī)律、軸向方向上的風(fēng)速分布規(guī)律進行分析研究。并將風(fēng)量依次調(diào)整到120m3/min、130m3/min、140m3/min和160m3/min，分析風(fēng)量變化對風(fēng)速分布以及風(fēng)速分布均勻系數(shù)的變化趨勢的影響。

3.1 沿巷道斷面水平方向上的風(fēng)速分布規(guī)律

3.1.1 距工作面3m和5m巷道斷面在不同高度水平上的風(fēng)速分布

工作面風(fēng)量為150m3/min，在距工作面3m和5m的斷面上(即Y為3m和5m的斷面上)，在距離底板高度分別為0.7m、1.5m、2.3m、2.9m高度的水平上依次測量各點的風(fēng)速，分別計算并分析得出如圖3和圖4所示的風(fēng)速變化曲線。

圖3 距工作面3m(即Y=3m)巷道斷面不同高度水平上的風(fēng)速分布

圖4 距工作面5m(即Y=5m)巷道斷面不同高度水平上的風(fēng)速分布

從圖3中可以看出：在距工作面3m的巷道斷面(即風(fēng)筒入風(fēng)口所在位置的巷道斷面)上，距底板高度為0.7m和1.5m兩個水平上的風(fēng)速變化較大，在風(fēng)筒入風(fēng)口附近(即4、5、10、11號單元格附近)風(fēng)速最大，在距底板2.3m和2.9米兩個水平上的風(fēng)速較小且變化不大。

從圖4中可以看出：在距工作面5m的巷道斷面上，各個高度水平上的風(fēng)速分布比較均勻，風(fēng)速變化不大。

3.1.2 不同巷道斷面同一高度水平上的風(fēng)速分布

工作面風(fēng)量為150m3/min，在距工作面分別為1m、2m、3m、4m、5m、7m的巷道斷面上，距底板為1.5m高度(即呼吸帶高度)的水平上，依次測量各點的風(fēng)速值，計算并分析得出如圖5所示的風(fēng)速變化曲線。

從圖5可以看出：在距工作面3m的巷道斷面(即風(fēng)筒入風(fēng)口所在的巷道斷面)風(fēng)速變化最大，在風(fēng)筒入風(fēng)口附近(即10、11號單元格附近)風(fēng)速最大且變化劇烈，在距巷道2m的巷道斷面在風(fēng)筒入風(fēng)口附近風(fēng)速出現(xiàn)小幅增加，且變化不明顯，其余巷道斷面風(fēng)速分布比較均勻。

圖5 不同巷道斷面同一高度水平上的風(fēng)速分布

3.2 巷道軸向方向上風(fēng)速分布規(guī)律

3.2.1 呼吸帶高度沿巷道軸向方向上的風(fēng)速分布規(guī)律

工作面風(fēng)量為150m3/min，在呼吸帶高度(即距底板1.5m高度)，在距巷道中心線左右兩側(cè)0.3m、0.9m、1.5m(即X=±0.3m、±0.9m、±1.5m)的軸線上，在距工作面分別為1m、2m、3m、4m、5m、7m的位置依次測量各點的風(fēng)速，計算并分析得出如圖6所示的風(fēng)速變化曲線圖。

圖6 呼吸帶高度沿巷道軸向方向上風(fēng)速分布

從圖6可以看出：在沿巷道軸向方向，各軸線在距工作面3m位置(即風(fēng)筒入風(fēng)口位置)處風(fēng)速波動較大，距離風(fēng)筒較近的兩條軸線(即X=0.3m、0.9m)上風(fēng)速波動最大；在風(fēng)筒入風(fēng)口前后1m范圍以外，各軸線上風(fēng)速波動較小。

3.2.2 沿巷道軸向方向巷道各斷面平均風(fēng)速、均勻系數(shù)分析

在風(fēng)量分別為120m3/min、130m3/min、140m3/min、150m3/min、160m3/min時，分別測量并計算距工作面1m、2m、3m、4m、5m、7m巷道斷面的平均風(fēng)速和風(fēng)速分布均勻系數(shù)，得出圖7所示的風(fēng)速變化曲線圖和圖8所示的風(fēng)速分布均勻系數(shù)變化曲線圖。

從圖7和圖8分析得出：在不同風(fēng)量條件下，在距工作面3m處(及風(fēng)筒入風(fēng)口)所在巷道斷面的平均風(fēng)速最大；在距工作面3m處巷道斷面的風(fēng)速分布均勻系數(shù)最小，風(fēng)速變化最大，風(fēng)速最不均勻；風(fēng)筒入風(fēng)口前后1m以外風(fēng)速分布比較均勻，風(fēng)筒入風(fēng)口后方1m以外(即距工作面大于4m的區(qū)域)風(fēng)速均勻系數(shù)大于風(fēng)筒入風(fēng)口前1m以外(即距工作面2m以內(nèi)區(qū)域)的風(fēng)速均勻系數(shù)，風(fēng)筒入風(fēng)口后方風(fēng)速分布比風(fēng)筒入風(fēng)口前方更均勻；不同風(fēng)量對風(fēng)速分布以及風(fēng)速分布均勻系數(shù)的變化趨勢影響不大。

圖7 不同風(fēng)量條件下沿巷道軸向各斷面平均風(fēng)速分布曲線圖

圖8 不同風(fēng)量條件下沿巷道軸向各斷面風(fēng)速分布均勻系數(shù)曲線圖

3.3 呼吸帶高度巷道軸向粉塵濃度變化規(guī)律

風(fēng)筒入風(fēng)口距工作面3m，風(fēng)量150m3/min，通過模擬掘進機掘進過程中產(chǎn)塵，在距底板高度1.5m的位置(測點位置如圖9)分別測試距工作面2m 、3m 、4m、5m、7m、9m、12m、15m的粉塵濃度，測得的粉塵濃度分別為118.1mg/m3、38.5mg/m3、10.8mg/m3、3.6mg/m3、2.7mg/m3、2.3mg/m3、2.6mg/m3、2.5mg/m3，粉塵變化規(guī)律如圖10所示。

由圖10可以看出，在距工作面4m范圍以內(nèi)時粉塵濃度隨到工作面距離的增大而快速下降，其中風(fēng)筒前端區(qū)域(即距工作面3m范圍內(nèi))下降最快，距工作面距離為5～15m巷道斷面，粉塵濃度趨于穩(wěn)定，接近于環(huán)境背景值。

圖9 測點位置圖

圖10 粉塵濃度變化規(guī)律趨勢圖

4 結(jié)論

(1)相同風(fēng)量條件下：沿巷道斷面水平方向，風(fēng)筒入風(fēng)口所在位置的巷道斷面風(fēng)速變化最大，離風(fēng)筒入風(fēng)口越近風(fēng)速越大；沿巷道軸向方向，在呼吸帶高度靠近風(fēng)筒的軸線上風(fēng)速變化最大，在風(fēng)筒入風(fēng)口處風(fēng)速最大。

(2)不同風(fēng)量條件下：巷道各斷面平均風(fēng)速和風(fēng)速分布均勻系數(shù)的變化趨勢趨于一致，風(fēng)筒入風(fēng)口所在的巷道斷面平均風(fēng)速最大，風(fēng)速均勻系數(shù)最小，風(fēng)速分布最不均勻；風(fēng)筒入風(fēng)口前后1m以外風(fēng)速分布比較均勻，且風(fēng)筒入風(fēng)口后方風(fēng)速分布比風(fēng)筒入風(fēng)口前方更均勻。

(3)抽出式通風(fēng)巷道掘進工作面的粉塵主要集中在風(fēng)筒入風(fēng)口附近及以內(nèi)區(qū)域，距風(fēng)筒入風(fēng)口1m以外的巷道空間均處于新鮮風(fēng)流中。