梁新潮

基于數(shù)值模擬的掘進(jìn)面通風(fēng)除塵分析

梁新潮

(山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司，山西 呂梁市 033000)

煤炭資源回采過程中伴隨著大量的煤塵產(chǎn)生，容易造成大量的煤塵積聚，嚴(yán)重威脅煤礦工人健康與安全，因此，除塵對(duì)于提高煤礦安全保護(hù)工人身心健康具有重要意義。以抽、壓組合式通風(fēng)方式為試驗(yàn)對(duì)象，采用數(shù)值模擬對(duì)除塵設(shè)備除塵效果進(jìn)行模擬分析，研究結(jié)果表明：掘進(jìn)工作面吸塵口的煤塵濃度始終處于高位；隨著間距的不斷增加，煤塵的濃度不斷降低，當(dāng)間距為9～12 m時(shí)，煤塵濃度下降的趨勢(shì)不明顯，除塵效果好；加除塵裝置的煤塵濃度較低，其效果較好，但距迎頭面的距離越大效果越不明顯，平均除塵效率為52.5%。

煤礦安全;除塵;掘進(jìn)工作面;數(shù)值模擬

0 引 言

煤炭資源回采過程中伴隨著大量的煤塵產(chǎn)生。特別是超長(zhǎng)工作面，容易造成大量的煤塵積聚。大量的煤塵嚴(yán)重影響工作面生產(chǎn)安全，同時(shí)，影響井下施工人員的身體健康。因此，必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，降低煤塵含量，以保證工作面安全生產(chǎn)、保障井下施工人員身心健康[1-3]。

對(duì)于通風(fēng)降塵技術(shù)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。馬勝利等[4]采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)玉華煤礦2410綜掘工作面通風(fēng)除塵進(jìn)行研究，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析了抽、壓組合的通風(fēng)方式下綜掘工作面煤塵分布特征，研究結(jié)果表明，將壓風(fēng)筒布置在距離掘進(jìn)工作面約12.5 m，可以起到很好的作用，除塵效果非常好；李修鎮(zhèn)等[5]采用封閉式除塵系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)工作面煤塵進(jìn)行消除處理，克服了以外除塵設(shè)備的能量消耗高以及設(shè)備噪音大的缺點(diǎn)，還減輕了設(shè)備重量，降低了除塵設(shè)備的安裝成本，該設(shè)備在不影響煤礦正常生產(chǎn)的情況下，降低了噪音對(duì)健康造成的威脅，凈化了煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境；李延河等[6]根據(jù)注水降塵的機(jī)理，對(duì)降塵措施進(jìn)行了研究，以二1～13110工作面煤層為試驗(yàn)煤層，分析了粉塵顆粒間的作用力，提出了基于注水降塵機(jī)理的新措施，研究結(jié)果表明，當(dāng)煤層含水量增加到6%時(shí)，工作面的煤塵含量下降了50%以上，該降塵措施效果明顯，為治理三軟煤層提供了參考。

以上作者主要通過相關(guān)降塵措施對(duì)工作面煤塵進(jìn)行處理，而針對(duì)掘進(jìn)工作面的研究較少。本文以掘進(jìn)工作面為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法對(duì)通風(fēng)除塵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 通風(fēng)除塵模型

1.1 本構(gòu)關(guān)系

依據(jù)掘進(jìn)工作面通風(fēng)除塵的實(shí)際情況，可以將掘進(jìn)工作面的通風(fēng)作為連續(xù)流。而粉塵屬于不連續(xù)顆粒，可以作為分散相。因此，數(shù)值模擬過程中采用連續(xù)?分散模型，采用歐拉法則建立掘進(jìn)工作面通風(fēng)降塵模型，得出掘進(jìn)工作面的動(dòng)能等相關(guān)技術(shù)參數(shù)。并根據(jù)掘進(jìn)工作面中的粉塵得出其在掘進(jìn)工作面的分布規(guī)律[7]，其計(jì)算本構(gòu)關(guān)系為：

式中，m為粉塵質(zhì)量，kg；為粉塵密度，g/cm3；d為粉塵直徑，m；為掘進(jìn)工作面空氣密度，g/cm3；u為粉塵速度，m/s；F為通風(fēng)過程中風(fēng)阻，kN；F為粉塵在空氣中的浮力，kN；F為粉塵自身重力，kN；F為其它相關(guān)阻力，kN。

1.2 模型建立

模擬的工作面長(zhǎng)為1500 m，模擬的高度為3.7 m，模擬的寬度為4.5 m，斷面面積為16.6 m2。采用三維繪圖軟件建立巷道模型，由于巷道內(nèi)存在相關(guān)設(shè)備以及地質(zhì)條件復(fù)雜，為了降低繪圖難度，將相關(guān)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。計(jì)算相關(guān)區(qū)域的巷道長(zhǎng)度為75 m，抽出式通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的直徑為1.2 m，煤塵消除風(fēng)筒直徑為1.0 m，風(fēng)筒的位置在巷道上方1.7 m處，距離頂板2.0 m。相關(guān)模型如圖1所示。

圖1 除塵模擬模型

1.3 邊界條件和參數(shù)

根據(jù)該煤礦的地質(zhì)條件以及掘進(jìn)過程中工作面的實(shí)際特征，按照絕對(duì)速度進(jìn)行求解，抽出式風(fēng)量為601.02 m3/min，風(fēng)筒的直徑為1.2 m，根據(jù)換算公式得出掘進(jìn)工作面的風(fēng)速為11.4 m/s，而在實(shí)際掘進(jìn)工作面通風(fēng)過程中其風(fēng)速是不穩(wěn)定的，模擬采用迭代進(jìn)行計(jì)算。相關(guān)參數(shù)為掘進(jìn)工作面入口的風(fēng)速為11.4 m/s，風(fēng)筒直徑為1.2 m，粉塵的最小直徑為0.421 μm，粉塵的最大直徑為0.128 mm。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 粉塵分布規(guī)律

首先對(duì)掘進(jìn)工作面巷道粉塵濃度進(jìn)行分析，得出其水平和垂直方向上的動(dòng)態(tài)云圖如圖2所示。

圖2 水平、垂直方向上煤塵分布特征

由圖2可知，掘進(jìn)工作面吸塵口的煤塵濃度始終處于高位，經(jīng)分析，該處處于負(fù)壓狀態(tài)下，掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的煤塵絕大數(shù)在壓力的作用下移動(dòng)到該位置，在吸口的作用下不斷被吸入并且被排出掘進(jìn)工作面巷道，而另一部分煤塵會(huì)隨著風(fēng)流進(jìn)入到回風(fēng)順槽中，但其濃度相對(duì)煤塵吸口較低。這與實(shí)際情況相同，模擬結(jié)果表明，較小部分煤塵的排出主要是由于風(fēng)流的流動(dòng)作用。

2.2 不同工況下煤塵分布特征

考慮到掘進(jìn)工作面采用的抽、壓組合的通風(fēng)方式，隨著掘進(jìn)的不斷進(jìn)行，壓風(fēng)口每隔5~10 m會(huì)與迎頭產(chǎn)生一個(gè)距離，而吸風(fēng)口始終與迎頭面保持不變，依據(jù)綜合通風(fēng)方式的原理，計(jì)算不同間距下的煤塵濃度分布特征，其模擬數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同間距下煤塵分布特征

由圖3可知，隨著間距的不斷增加，煤塵的濃度不斷降低，當(dāng)間距在9~12 m時(shí)，煤塵濃度下降的趨勢(shì)不明顯，此時(shí)，除塵的效果最好。

當(dāng)間距為6 m時(shí)，其與煤塵源的間距較近，同時(shí)受到掘進(jìn)機(jī)的影響，一部分在吸口下方集聚，另一部分彌漫到整個(gè)巷道中，沒有辦法被吸風(fēng)口 抽出。

當(dāng)間距為15 m時(shí)，由于吸風(fēng)口距煤塵源間距較遠(yuǎn)，射流降低到最小，吸風(fēng)口對(duì)于煤塵的吸作用降低，而高濃度煤塵在距迎頭大約12 m的地方集聚，該區(qū)域的能見度較低。

2.3 實(shí)測(cè)對(duì)比分析

實(shí)測(cè)與模擬煤塵濃度對(duì)比如圖4所示。

圖4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖4可知，加除塵裝置的煤塵濃度較低，其效果較好，但距迎頭面的距離越大效果越不明顯，平均除塵效率為52.5%。

3 結(jié) 論

（1）掘進(jìn)工作面吸塵口的煤塵濃度始終處于高位。

（2）隨著間距的不斷增加，煤塵的濃度不斷降低，當(dāng)間距為9~12 m時(shí)，煤塵濃度下降的趨勢(shì)不明顯，除塵效果好。

（3）加除塵裝置時(shí)的煤塵濃度較低，其效果較好，但距迎頭面的距離越大效果越不明顯，平均除塵效率為52.5%。

[1] 王曉蕾,秦啟榮,熊祖強(qiáng),等.層次注漿工藝在松軟巷道破碎圍巖加固中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2017,13(1):206-212.

[2] 熊祖強(qiáng),王曉蕾.承壓水上工作面破壞及裂隙演化相似模擬試驗(yàn)[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào),2014,10(5):1114-1120.

[3] 王曉蕾.深部巷道破碎圍巖注漿加固效果綜合評(píng)價(jià)[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2019,15(3):675-702.

[4] 馬勝利,張 恒,晉繼偉,等.綜掘工作面通風(fēng)除塵效果的數(shù)值模擬研究[J].煤炭技術(shù),2018,37(10):164-166.

[5] 李修鎮(zhèn),吳 斌,李昌偉,等.綜掘工作面封閉式除塵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].化工設(shè)計(jì)通訊,2018,44(10):182.

[6] 李延河,龐龍龍,楊玉中. “三軟”厚煤層深孔注水防塵機(jī)理及應(yīng)用研究[J].煤炭工程,2018,50(10):113-116.

[7] 蔣仲安,陳記合,王 明,等.卸礦站粉塵濃度影響因素的數(shù)值模擬研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2018,43(S1):185-191.

(2018-12-11)

梁新潮(1975—),男,山西孝義人,主要從事煤礦安全的研究與管理工作,Email:583705568@qq.com。