综掘工作面分段控风控尘技术研究与应用

陈 芳

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

近年来，随着煤矿安全形势的好转，对矿井粉尘防治要求越来越高。煤矿井下掘进工作面的产尘量在井下总产尘量中所占的比例仅次于综采工作面，而巷道掘进又以其工序多、尘源集中、粉尘分散度高的特点，成为防尘的重点[1-3]。由于掘进工作面采用主动压风、被动出风的通风模式，使得综掘机割煤和煤壁垮落冲击产生的大量粉尘在巷道风流扰动下，会迅速扩散至整个作业空间，司机处瞬时总粉尘浓度高达1000～3000mg/m3，致使工作面能见度降低，影响作业人员正常操作，严重威胁矿井的安全生产和作业人员身心健康[4，5]。

目前，综掘工作面的粉尘防治措施主要有高压喷雾、风流控尘、长压短抽通风除尘等[6-9]，但在现场使用时存在一些不利因素：一是综掘工作面高压外喷雾虽雾化效果好，降尘效率可达到80%左右，但使工作面气流变为气雾状，弥漫至整个巷道，反而加重了对作业人员操作视线的影响，有一定的生产隐患；二是工作面虽安装了除尘效果较好的长压短抽除尘器系统和附壁风筒控尘装置进行控除尘抽尘净化，但是由于控尘装置没有对压入风流出风口与煤壁距离相对位置进行匹配控制，致使控尘效果有限，除尘器吸尘罩不能快速抽吸含尘气流，捕集粉尘效率较低，导致除尘器整体使用效率低，不能完全发挥长压短抽除尘系统高效除尘的功能，工作面粉尘污染依然比较严重[10-12]。目前蒋仲安、程卫民等多位学者对综掘工作面控风控尘技术进行了相关研究，阐述了控尘的重要性，但未能给出控尘参数选择理论计算依据，轴径向出风风量与出风距离参数匹配关系依然不明确，现场应用中没有可参考计算依据[13-16]。本论文就是在现有研究结果基础上，更进一步研究控风控尘参数影响关系，达到控风控尘目的，提升除尘系统捕集效率，从而达到高效除尘。

1 分段控风控尘原理

分段控风控尘系统主要由附壁风筒、调风阀门、整流风筒等组成。分段控风控尘主要是将原有供风风筒单一轴向出风改变成轴向和径向两段出风，即在巷道一侧供风风筒上添加附壁风筒，实现径向出风，而附壁风筒上开有若干并列小窗口，实现径向二次分段出风，使得径向风流尽量均匀进入巷道，在附壁效应的作用下最终形成均匀向前推进的风墙，使作业人员处于新鲜风流中，同时在抽尘系统的配合下，风墙可持续有效控制粉尘向作业空间扩散，达到控风控尘的目的。控风控尘可利用调风装置实现轴径向出风量的调节。经过大量现场试验发现，轴径向出风口出风量、出风口与煤壁距离等因素与控尘效果有直接影响关系，适当减小迎头风速对粉尘治理有积极作用。分段控风控尘原理如图1所示。

图1 分段控风控尘原理

工作面正常工作时，轴径向出风形成的新鲜风流风墙向前移动，达到工作面煤壁后夹带割煤粉尘形成含尘气流并转向向后移动，由于后续新鲜风流不断加入到含尘气流中，使得含尘气流云团不断壮大并逐渐向后扩散，这时工作面前部区域会持续存在新鲜风流与含尘气流相互作用面，该作用面就是控制粉尘向外扩散的临界面，称其为控尘面(如图1所示)。为达到控尘目的，就需要对控尘面的位置进行控制。在抽尘系统的作用下，含尘气流不断被抽走，在后部新鲜风流的推动作用下控尘面会向前移动，当控尘面前移到抽尘系统抽尘口处时抽尘系统会抽走新鲜风流，加之综掘机缓慢前行，前部含尘气流又会向后扩散移动，以此循环往复，控尘面就会在工作面前部出现前后循环移动。为了作业人员避免粉尘危害和提高抽尘效率，就需要对控尘面的位置进行有效控制，即控尘面的位置应位于综掘机司机和前部抽尘口之间。要控制控尘面的位置，可通过调节阀门使轴径向出风口与工作面煤壁之间的距离和出风量相匹配，保证作业人员始终处于新鲜分流中，使控尘区域内的含尘气流始终保持在司机前方，同时控尘面还必须保证所有吸风口均位于控尘区域内，使各个吸风口均抽吸含尘气流，将除尘器抽尘净化功能发挥到最大限度。

2 控风控尘参数的确定

2.1 轴向出风距离与出风量的关系

综掘工作面压入式通风由于受到巷道壁的影响，其风流流动实际上是有限空间的受限粘附射流通风，符合粘附射流特征。根据综掘面通风布置条件，建立计算模型如图2所示。

式中，Q0为轴向出风风量，m3/min；d0为风筒直径，m；简化后，得到：

依据综掘工作面巷道允许最小风速要求，即煤巷掘进迎头最小风速应大于0.25m/s，因此要使风筒射流断面风速达到迎头煤壁且风速达到规定要求，即V≥k×0.25m/s，其中k为风速安全系数，此时轴向出风风量与出风口与掘进面迎头煤壁距离S0的关系：

出风量与出风口距离、出风口形状及大小有关，当出风口直径一定时，出风量与出风口距离成正比关系，出风口距离越远所需风量越大，出风量与出风口距离之间的关系如图3所示。

图3 出风距离与出风风量关系曲线

2.2 径向出风距离与出风量的关系

径向分风是通过附壁风筒多个矩形小窗口来实现的，每个小窗口以等距、等面积均匀分布于附壁风筒上的，可以保证径向出风的均匀性，实现每个矩形窗口等风量分风。

由于径向出风同属于粘附射流，射流断面到达迎头煤壁时，射流断面平均风速也需满足相关规定的最小风速要求，同时由于附壁风筒分段出风口矩形，宽为a，高为b，且满足宽高比小于5，根据相关文献研究结果，也可利用式(1)—(4)进行计算。由于径向出风口为矩形，为减小出风形状对风流的影响误差，可通过面积等效原理，将矩形窗口等效成圆形出口，计算得到单个小窗口出风有效直径。

即：

径向出风参照轴向出风作近似处理，射流风速到达迎头煤壁风速同样要满足最小风速要求，因此将式(6)参照带入式(5)得到单个径向出风口有效出风量与出风距离关系为：

将式(8)带入式(7)得到单个径向出风口距迎头距离S1为：

通过以上分析，可得到轴径向出风量与出风距离的关系如公式(10)所示，当工作面条件确定后，就可计算得到相应的理论控风控尘参数。

其中，α为紊流系数，一般取0.08～0.12；k为最低风速安全系数，一般取1.1；Q0为轴向出风风量，m3/min；Qc为除尘系统处理风量，m3/min；Qy为工作面供风风量，m3/min；S0为轴向出风口与迎头煤壁距离，m；S1为径向出风口与迎头煤壁距离，m；d0为风筒直径，m；n为径向出风附壁风筒上开口数量；a为附壁风筒单个开口宽度，m；b为附壁风筒单个开口高度，m。

3 现场应用效果分析

为了验证控尘参数理论计算公式的有效性，选取中煤华晋王家岭煤矿综掘面开展了现场应用效果试验研究。

3.1 控尘参数的确定

综掘面巷道宽度为5.0m，高为3.6m，选择Φ1000风筒供风，设计供风量为550m3/min，实测风量为500m3/min，同时配备了KCS-550D型湿式过滤除尘器及抽尘管道与综掘机机面吸尘罩连接，形成长压短抽通风控除尘系统，实际处理风量450m3/min，现场作业规程规定轴向出风口距离迎头5～10m，径向出风口宽×高=200×250mm，开口数量为8个。对于软风筒供风，紊流系数α取0.11，安全系数k取1.1，计算得到相应控风控尘参数关系。

根据现场实际情况，计算得到综掘面具体控尘参数，详见表1。

表1 控风控尘参数表

3.2 应用效果分析

根据理论分析得到的控尘参数，在现场开展了测试试验，通过测试粉尘浓度变化情况，验证控尘参数的有效性和正确性。

现场测试通过调节附壁风筒前端的调风阀门改变轴径向出风量，调节风筒长度改变轴径向出风口与工作面迎头煤壁的距离，在控风控尘最佳匹配参数条件下，多次测试综掘机司机位置处、一运转载点和二运转载点总粉尘平均浓度变化情况，测试记录见表2。

经过现场测定在在只使用喷雾措施时，综掘面司机位置原始粉尘浓度为2744mg/m3，在增加了通风控除尘系统且控尘参数未经改进优化前，司机位置总粉尘浓度平均为1224.8mg/m3，综掘机机尾一运转载点总粉尘浓度平均为489.7mg/m3，机尾二运转载点总粉尘浓度平均为253.2mg/m3，此时工作面降尘效率在46%～65%之间，降尘效果不佳。

表2 控风控尘参数优化前后粉尘浓度对比情况

注：附壁风筒+除尘系统+喷雾。

按照控风控尘参数关系式计算得到在轴径向出风比为1∶3、1∶4、1∶5三种条件下对应轴径向出风口距离迎头煤壁距离，经现场对控尘参数改进优化后，与未优化前相比，司机位置粉尘浓度从1224.8mg/m3下降到28.2mg/m3，粉尘浓度下降了97.7%；一运、二运转载点粉尘浓度分别下降到14.5mg/m3和11.2mg/m3，降尘效率提高了97.0%和 95.5%。分段控风控尘对比效果如图4所示。

图4 控风控尘参数优化前后粉尘浓度变化

总之，通过采取对原通风除尘系统分段出风控尘参数优化后，经过多次测试验证，整个工作面总降尘效率提升了95%以上，总体降尘效率都达到98.4%以上，工作面通风控除尘效果有明显改观，工作面粉尘浓度有大幅下降，高浓度粉尘被控制在工作面前部一定范围内，作业环境得到明显改善。现场应用表明：通过理论分析得到控风控尘参数能够大幅提高综掘工作面降尘效率，对该类条件的综掘工作面粉尘治理具有一定指导意义，可在类似工作面进行推广应用。

4 结 论

1)根据综掘工作面压入式通风的布置形式，分析了压风分流分段控风控尘的基本原理，提出了控尘面的存在，并建立了数学关系模型，揭示了轴径向出风量与出风距离之间的数学关系。研究表明：轴径向出风量与出风口距离、出风口形状及大小有关，当出风口大小一定时，出风量与出风口距离成正比关系，出风口距离越远所需风量越大。

2)通过现场应用验证，理论计算得到的控风控尘参数匹配后，司机位置粉尘浓度从1224.8mg/m3下降到28.2mg/m3，粉尘浓度下降了97.7%；一运、二运转载点粉尘浓度分别下降到14.5mg/m3和11.2mg/m3，降尘效率提高了97.0%和 95.5%，降尘效果显著。

3)经过多次测试验证，控风控尘参数优化后，整个工作面总降尘效率提升了95%以上，总体降尘效率都达到98.4%以上，高浓度粉尘被控制在工作面前部一定范围内，说明理论分析得到控风控尘参数匹配关系能够大幅提高综掘工作面降尘效率，验证了分段控风控尘的有效性，对该类条件的综掘工作面具有一定指导意义。