玉溪煤矿大采高工作面回采期间呼尘分布规律研究与分析

秦 威

(山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司,山西 沁水 048000)

1 工程概况

玉溪煤矿1301工作面位于南部一盘区,工作面开采3号煤层,煤层平均5.85 m,煤层顶板岩层为泥岩和中粒砂岩。工作面采用一次采全高采煤方法,因工作面开采高度大,回采期间产生的粉尘质量浓度会较大,现分析工作面回采期间呼尘质量浓度分布规律,为工作面采取有效降尘措施提供基础参考。

2 呼尘分布规律模拟分析

为有效分析1301工作面回采期间呼尘的分布规律,以1301工作面为原型,采用Fluent数值模拟软件建立长×宽=120 m×8 m的数值模型,模型中设置采煤尺寸为21 m×3.6 m×3.6 m,设置采煤机滚筒直径为4.5 m,模型中支架最大空顶距为6.7 m,支架底座高为0.5 m、中心距为2 m,移架步距为0.8 m,数值模型中对采煤机截齿、液压之间控制系统等不影响计算结果的因素进行了简化,具体数值模型横截面如图1所示。

图1 数值模型几何示意

根据众多理论研究和现场工程实践可知[1-3],大采高工作面粉尘主要来源与采掘作业区域,即采煤机割煤和液压支架移架为主要的产尘作业工序,通过对工作面尘源点的采样分析,得出滚筒割煤时的粉尘质量浓度为704 mg/m3,液压支架移架时的粉尘质量浓度为10 003 mg/m3,粉尘粒径分布服从罗森-拉姆勒函数分布[4],其分布指数分别为1.19和1.56,具体本次模型中呼尘的主要设置参数见表1.

表1 数值模型呼尘主要参数

通过数值模拟分别对工作面逆风割煤和顺风割煤时呼尘质量浓度的时空演化特征进行分析,根据数值模拟结果,具体分析如下:

1) 逆风割煤时:分别对工作面10 s、20 s、30 s、40 s和50 s的呼尘分布情况进行分析,不同时刻呼尘分布情况如图2所示。

图2 逆风工作面滚筒割煤和支架移架时粉尘质量浓度分布规律

分析图2(a)可知,滚动割煤作业时,在运动速度方面,前滚筒处呼尘沿着风流方向的位移较大,粉尘运动10运动20 s后即超过前滚筒区域;在Y轴的方向上,采煤机前滚筒处呼尘基本呈平行煤壁的直线运动;在工作面高度方向上,前滚筒和后滚筒呼尘主要分布在中部和顶部、中部和底部空间。

分析图2(b)可知,采煤机逆风割煤时进行移架时,内机道的呼尘沿着风流方向的位移较大,其在运动30 s即可到达出口位置;在模型Y轴方向上,移架作业的前30 s内,机道和人行道的呼尘分别朝煤壁和采空区偏移;从沉降效果上分析,机道呼尘随着扩散其在Z方向的偏移趋势逐渐减小,即表明其沉降速度慢;人行道呼尘差异较大,产生这种现象的主要原因是人行道侧呼尘受到风流的影响较大。

根据数值模拟结果,得出逆风割煤时采煤机下风侧人行道不同高度和到煤壁不同距离处呼尘质量浓度分布曲线如图3所示。

图3 逆风人行道不同高度和到煤壁不同距离时曲线分布图

分析图3可知,人行道上顶部空间的呼尘质量浓度较大,中部空间的呼尘在30 m处开始逐渐增大,而人行道底部空间的呼尘质量浓度变化小;采煤机下风侧不同位置,呼尘质量浓度随着到煤壁距离的增大而逐渐减小;其呼尘质量浓度的衰减速率随着距下风侧距离的增大而逐渐减小,煤壁处呼尘的浓度超过500 mg/m3,当到煤壁5 m后的位置时,呼尘质量浓度基本稳定在50 mg/m3以内。

2) 顺风割煤时:分别对工作面10 s、20 s、30 s、40 s和50 s的呼尘分布情况进行分析,具体滚筒割煤和移架时不同时刻呼尘分布情况如图4所示。

图4 顺风工作面滚筒割煤和支架移架时粉尘质量浓度分布规律

分析图4可知, 工作面顺风割煤与逆风割煤相比,工作面顺风割煤时,前滚筒产生的呼尘主要向顶部和底部运动,采煤机后滚筒产生的呼尘经过采煤机后主要向工作面中部和底部运动,且工作面中部呼尘有相顶部偏移的现象;相同时间内,人行道上呼尘在X轴方向上的位移较小,在Z轴上的偏移较大,呼尘在Z轴上30 s即可扩散至中底部,且在50 s内即可在下风侧完全扩散开。

根据数值模拟结果,能够得出顺风割煤时,呼尘空间分布演化特征,具体采煤机下风侧人行道不同高度和到煤壁不同距离处呼尘质量浓度分布曲线如图5所示。

分析图5可知, 工作面顺风割煤时,相较于逆风割煤,人行道上顶部呼尘初始浓度较小,呼尘在扩散10 m后,即稳定在150～200 mg/m3范围内,工作面中部呼尘在10 m处开始速度上升,其平均浓度为30 mg/m3;在横向上,呼尘质量浓度(煤壁3 m位置处)以下风侧20 m为界限呈现出先降低后增大的趋势。整体呼尘质量浓度衰减的程度较小,呼尘质量浓度在采煤机下风侧分布更为均匀。

图5 顺风人行道不同高度和到煤壁不同距离时曲线分布图

3 呼尘分布规律现场实测分析

1301工作面回采期间,采用滤膜增重法对工作面粉尘进行采样分析,设置采样流量为20 L/min,采样时间为2 min,呼尘采样点设置如下:X方向在采煤机及其下风侧100 m范围、Y方向在人行道和机道(两者间隔1.5 m)、Z方向设置在底部和中部[5-8],具体采样点布置如图6所示。

图6 工作面呼尘质量浓度采样点布置图

分析得出,采煤机不同位置处粉尘质量浓度分布如图7所示。

分析表2可知,逆风割煤时,呼尘对人行道的污染不大,呼尘质量浓度平均浓度分别为37 mg/m3、51 mg/m3,工作面中部呼尘质量浓度约高出底部38%;工作面顺风割煤时,下风侧粉尘质量浓度大于上风侧,割煤时粉尘对人行道的污染较逆风时大,工作面底部和中部的平均呼尘质量浓度分别为130 mg/m3和57 mg/m3,底部高出中部约128%.

表2 采煤机不同位置呼尘质量浓度数据

根据粉尘采样结果得出,工作面顺风割煤和逆风割煤时,采煤机下风侧呼尘质量浓度沿程分布如图7所示。

图7 呼尘质量浓度沿程分布曲线

分析图7可知,顺风割煤时,工作面呼尘质量浓度分布呈现为机道>人行道、中部>底部,底部呼尘质量浓度呈现逐渐减小的趋势,顺风割煤时,下风侧30 m内的污染较大,呼尘质量浓度超过100 mg/m3;逆风割煤时,随着下风侧距离的增大,机道和人行道呼尘质量浓度差值逐渐减小,呼尘在横向上分布均匀,中部呼尘和底部呼尘分别约为70 mg/m3和50 mg/m3.

综合上述分析可知,割煤时呼尘主要从中部空间向人行道扩散,在下风侧形成30 m的高浓度呼尘区;顺风割煤时,顶部呼尘会先运动至呼吸带高度处;工作面内机道的呼尘质量浓度大于人行道,中部呼尘质量浓度大于底部,综合上述分析可知,通过增大风速、增加挡煤板及提高煤体含水率能够在一定程度上改善工作面的环境。

综上所述,根据1301工作面煤层赋存情况,通过数值模拟和现场实测的方式进行呼尘分布规律的分析,基于分析结果得出,工作面割煤时会在下方侧形成30 m的高浓度呼尘区;工作面内机道的呼尘质量浓度大于人行道,中部呼尘质量浓度大于底部,可通过增大风速、增加挡煤板及提高煤体含水率改善工作面环境。