综掘巷道粉尘运移规律及降尘系统应用浅析

邵国卫

(山西煤炭运销集团 野川煤业有限公司， 山西 高平 048400)

1 工程概况

野川煤业公司设计产量90万t/年，为高瓦斯矿井，现开采平均厚度5.36 m的3#煤层，煤尘无爆炸性。3#煤层顶板从下向上为中粒砂岩和粉砂岩，底板为泥岩。目前进行井田西南部3202胶带顺槽的掘进作业，采用压入式通风。3202胶带顺槽掘进面为矩形断面，掘进宽、高分别为5.8 m、3.1 m；净断面17.98 m2，支护方式为锚网索结合的联合支护方式。现场掘进时，距掘进迎头5 m范围内粉尘浓度较高，影响掘进效率，急需采取措施。

2 3202掘进巷道粉尘运移规律研究

2.1 模型建立

根据野川煤业3202胶带顺槽掘进工作面围岩力学参数，同时借鉴类似模拟掘进巷道粉尘运移规律的建模经验[1-2]，将工程中复杂的实际情况进行合理的简化。假设粉尘颗粒为连续介质，视其为“微观上充分大，宏观上充分小”的体积单元并且均匀地、连续地充满着空间；假设粉尘为球形颗粒且无相互作用；假设掘进速度恒定、迎头产尘量稳定且巷道内气流为定常流动。根据巷道实际情况使用ANSYS软件建立长50 m，宽5.8 m，高3.1 m的拱形巷道几何模型；模型中d0.8 m的压入式风筒悬挂在煤壁一侧，距掘进迎头5 m，距底板2.6 m；综掘机按各部分尺寸适当取值。最终划分890 000个网格节点进行迭代计算得出模拟结果，网格划分后3202胶带顺槽掘进巷道模型见图1.

2.2 模拟结果分析

为了研究3202巷道内的风流规律，需对巷道内风流场进行模拟，模拟结果见图2a)；对掘进巷道内的风流运移规律进行研究后将粉尘参数加入到模型中进行模拟，分析粉尘运移规律，3202巷道内粉尘运移模拟图见图2b). 为了更精确地分析巷道内不同水平及垂直断面上的粉尘浓度变化规律，截取x=0.5 m、x=2.0 m、x=3.5 m及y=1 m、y=2 m、y=3 m时的粉尘浓度沿程变化图，其中x为巷道宽度方向，风筒巷道壁面一侧为x=0 m；y为巷道高度方向，底板处为y=0 m，模拟结果见图3.

图3 不同水平及垂直断面上粉尘浓度沿程变化图

由图2a)可知，掘进巷道压入式通风是受限附壁射流通风，由于空间受到限制，压风筒筒口形成的风流体达到一定长度时便会紊乱，向四周逸散，并且风流冲击掘进壁面后发生回转现象。由图2b)可知，掘进迎头5 m范围内产生的粉尘在回转风流的引导下，发生积聚现象。

由图3可知，掘进迎头距产尘源5 m范围内粉尘浓度大，超过了300 mg/m3，并且与掘进迎头的距离越小粉尘浓度越高。风流从压入式风筒出口处流出后直接作用于工作面，使得工作面产生的粉尘会向着风筒另一侧巷道壁偏移，悬挂风筒一侧的粉尘浓度相较于另一侧明显偏低；在距离掘进工作面产尘源一段距离后，由于风流场内风速减小及降尘系统的影响，粉尘浓度变小并趋于稳定；风流场发展到一定程度后，风流会由于巷道底板的反射作用而使已经沉积下来的粉尘再次被风流带入空气中，使得巷道内粉尘浓度会在某些区域内再一次增大。由图3b)中断面y=1 m和y=2 m的粉尘浓度截图可知，在作业呼吸带高度上综掘机至掘进迎头范围内的粉尘浓度同样高达200 mg/m3.

综上，在压入式通风方式下，距离掘进迎头5 m内粉尘浓度很高，并且巷道后方粉尘排出速度较慢，巷道受粉尘污染时间较长，所以必须在尘源处及巷道内采取有效的防治粉尘的措施。

3 综合喷雾降尘系统设计及应用

目前，3202掘进巷道主要依靠综掘机截割头的喷雾系统进行降尘作业，截割头喷雾系统中的喷嘴为普通喷嘴，雾化效果较差，并且水压较小，过滤能力较差，容易导致喷嘴堵塞。因此，设计了一套针对掘进迎头产尘源的高压喷雾降尘系统及皮带喷雾降尘系统[3].

3.1 综掘机高压喷雾降尘系统

在掘进机上安装油压-水压转换装置，长750 mm，宽580 mm，高350 mm，重约40 kg. 该装置通过吸取掘进机上的液压油，通过压力流量控制阀驱动液压水泵，获得高压水，并且该装置内安装有2级精密水质过滤器，提升对矿井水的过滤能力，避免发生喷嘴堵塞现象[4]. 在综掘机上应用的油压-水压转换系统见图4.

该装置中液压油在液压泵内循环，即使在停水状态下液压泵仍可以正常运转，并且液压水泵本身具有冷却功能，所以在装置运行时液压油的温度不会上升。与传统通过增压装置使用大体积水箱获取高压水喷雾的方式比较，油压-水压转换装置体积小、重量轻并且不会影响综掘机截割作业；可以调节水的压力和流量改变喷雾范围，避免水雾遮挡视线。为了使截割头上的喷嘴所形成的喷雾能形成更好的雾流，提升除尘效率，选用雾粒较细，降尘效果高的螺旋牙水芯喷嘴代替原先截割头上的普通喷嘴。螺旋牙水芯具有所产生喷雾雾粒细，雾粒荷电且均匀，雾化质量高的特点，在旋转时会清除喷嘴处沉积的杂质提升降尘效果，且拆卸方便。

图4 油压-水压转换系统在综掘机上的应用示意图

油压-水压转换系统和螺旋牙水芯式喷嘴的配套使用，使得高压喷嘴中压力水通过时，由于高压及旋转作用，形成运动速度高、密度大并且具有荷电性的喷雾，形成的喷雾与粉尘充分接触、碰撞，产生的静电凝聚效果会加速粉尘的湿润和相互凝结，提高了粉尘的沉降效率。

3.2 皮带喷雾降尘系统

原3202掘进巷道内降尘措施不完善，导致掘进迎头后方很长一段距离巷道内粉尘浓度均较高。综掘机割煤作业后，破碎的煤块通过转载机经过皮带运煤时，煤块跌落至皮带上会产生大量扬尘，现通过在皮带上方应用皮带喷雾降尘系统降低巷道内的粉尘浓度，皮带喷雾降尘系统示意图见图5. 该系统在皮带上方60 cm处设置喷雾水管，为节省用水量，每隔5 m设置横向水管，横向水管上安装4个喷头，经过现场观测分析，每个喷嘴在皮带连续运行10 min时的用水量约为50 L. 该装置具有自动控制喷雾大小的特点，喷雾水管通过液压枪与矿井供水管网相连，皮带上方设置一挡板与液压枪开关相连，皮带运转煤岩通过挡板时会抬起挡板，触发液压枪开关开启喷雾系统，皮带上煤岩量越多，挡板抬起的高度越高，则液压枪开关开启量越大喷雾量随之增大。将废旧液压枪改造成自动开关，不仅操作简单，动作灵敏耐用，并且还节约水量。

图5 皮带喷雾降尘系统示意图

3.3 应用效果分析

综合喷雾降尘系统应用前后，在综掘机司机位置处、刮板转载点和掘进迎头后方运输转载点3个位置测量6次全尘浓度和6次呼尘浓度进行对比分析，实测数据见表1.

由表1可发现：在3202巷道未应用设计综合喷雾降尘系统前，降尘系统下综掘机司机处的呼尘浓度高达200 mg/m3，掘进迎头后方刮板转载点和运输转载点的全尘浓度高达约340 mg/m3；在应用设计综合喷雾降尘系统后，综掘机司机处的全尘浓度降至69.5 mg/m3，呼尘浓度降至38.5 mg/m3，降尘率高达80%. 应用所设计降尘系统后掘进作业工人的作业环境明显改善，并且掘进迎头后方刮板转载点和运输转载点的全尘浓度降至约72 mg/m3，除尘效果显著。

表1 应用降尘系统前后各测点全尘与呼尘浓度测量结果表

4 结 论

通过ANYSY软件建立3202胶带顺槽掘进巷道模型研究该巷道内风流及粉尘的运移规律，模拟结果显示距离掘进迎头5 m范围内粉尘浓度高达300 mg/m3，在压入式通风方式下，含尘污风沿巷道稀释排出缓慢，导致掘进巷道受污染时间长。在应用所设计的掘进迎头高压喷雾降尘系统和皮带喷雾降尘系统后综掘机司机处的呼尘浓度控制在38.5 mg/m3，降尘率高达80%，并且巷道内刮板转载点和运输转载点的降尘率同样高达80%，除尘效果显著，可以满足生产要求。