长距离巷道粉尘治理技术研究

2024-01-07张秀忠

山西冶金 2023年10期

张秀忠

（山西亚美大宁能源有限公司，山西晋城 048000）

0 引言

我国煤炭资源储量丰富且种类齐全，由于我国人口基数较大，所以为保证国民经济发展及生活需求，在未来很久一段时间煤炭资源仍是我国最为重要的能源形式。随着多年的开采，我国矿井的采深不断加深，规模也越来越大，这就使得长距离掘进巷道日益普遍，但在进行长距离巷道开采过程中，通风困难成为了不可避免的问题。在掘进过程中，由于切割、爆破、装卸等作业使得巷道粉尘浓度大，降尘难度增加，严重影响掘进面的环境，若缺乏有效的通风排尘方案，大量粉尘及有害气体聚集，会严重危害作业人员的身体健康。针对粉尘问题，常见的解决方法为局部通风，通风方式可分为抽出式、压入式和混合式三种[1-2]。根据研究，长距离巷道的通风方式宜采用混合式通风，但实际应用过程中，混合式通风虽然能够达到通风效果[3]，但后期维护及前期的安装等都需要较大的人力及财力，所以本文利用Fluent 模拟软件对巷道粉尘的运移规律进行研究，分析不同通风参数下的通风效果，确定合理的通风参数，为后续巷道的通风方案布置提供一定的理论依据。

1 巷道粉尘运移规律研究

为了研究粉尘运移规律，首先建立模型，根据通风经验，作业人员主要分布于掌子面附近，所以在进行通风研究时，只要确保掌子面附近空气达标方可进行下一步作业，模型建立时选用长度50 m 的巷道进行分析。巷道的通风方式选用压入式通风，巷道选择拱形巷道，巷道宽3.2 m，拱高1.4 m，帮高2.4 m，巷道净断面面积10.51 m2。风筒设置在巷道的进风侧（左侧）中部，风筒距离地面高度为2.0 m，直径为0.8 m，风筒的出风口距封闭段10 m，风速为4 m/s，掘进方向设定为X 轴负方向。为了便于后期的模拟，对模型进行简化，风流不可压缩，爆破粉尘间无相互作用，空气流动为稳态紊流，忽略风筒接头漏风对模拟的影响。对网格进行划分，根据研究特点，采用结构化网格进行划分，划分完成后共计189 531 个网格，对掘进巷道压入式通风进行模拟，截面局部速度云图如图1 所示。

图1 压入式通风截面局部速度云图

从图1 的流场速度矢量图可以清楚地看出风流流动方向，在风筒口位置风流速度较大，风流喷射而出后形成高速射流，射流靠近岩壁，在风流喷射中，此时射流不断卷吸回风区侧的风流，同时在垂直方向上不断扩大，同时随着射流流动距离的不断增大，风流的流速不断衰减，风流逐步进入回流区，回风区的风流部分随着射流重新进入工作面，形成工作面附近的循环，在风筒出风口、迎头附近形成一定面积的漩涡区。剩余部分沿着巷道的出口排出。

2 不同通风参数下粉尘分布研究

压入式通风风筒设置的位置不同对巷道通风效果有着较大的影响，对最佳风筒口到掘进端的距离进行分析。保持巷道结构、风筒直径、巷道尺寸、风筒高度、风速度等不变，改变风筒出口到掘进断面的距离，模拟距离10 m、13 m、20 m 三种情况下的巷道粉尘立体图。

如图2 所示为500 s 时，不同掘进端面距离风筒口距离下粉尘浓度立体图。从图2 中可以看出，当掘进端面距风筒口距离为10 m 时，粉尘运移受到风筒口后方涡流区及风筒口前方涡流区影响较大，呈现出风筒口前方粉尘浓度大及风筒口后方底板上方粉尘分散、浓度大的特点；当掘进端面距风筒口距离为13 m时，由于掘进端面距风筒口距离的增大及风筒口前方大漩涡区的作用，在巷道的漩涡区中心的下侧形成一定面积的粉尘团，使得粉尘在巷道上侧分布较少；继续增大掘进端面距风筒口距离，风筒口射流抵达掘进端面强度有所下降，所以会造成掘进端面位置出现粉尘集中的问题，同时由于掘进端面距风筒口距离的增大，回流强度降低，当掘进端面距风筒口距离增大至20 m 时，风筒口后方悬浮粉尘难以被风流带出，造成粉尘浓度增大，所以最佳压入式通风掘进端面距风筒口距离为13 m。

图2 不同掘进端面距离风筒口距离下粉尘浓度立体图

对风筒在巷道截面不同位置下排尘效果进行研究，分别模拟风筒悬挂侧壁高度1.0 m、2.0 m 及巷道顶部中间位置三种情况，其他变量均保持不变，风筒不同布置位置下排尘效果曲线如图3 所示。

图3 风筒不同布置位置下排尘效果曲线

图3 为量化后的排尘规律，通过选定不同时间点下的巷道粉尘数得出粉尘滞留率曲线（滞留率为滞留粉尘粒子数与总喷射粉尘粒子数之比），用以表示粉尘排放情况。从图3 可以看出，当风筒布设于巷道侧壁时，巷道内粉尘在200 s 时排出巷道口，先于风筒布置在巷道顶部中间时，同时风速越大，带尘效果越好。相同时刻下，风筒布设于巷道侧壁2 m 高位置下的粉尘滞留率最低，说明此方法的排尘效果较好，而风筒布置于侧壁高1.0 m 位置时的排尘效果较差，粉尘滞留率较高。当时间来到500 s 时，风筒布设于侧壁高2 m 位置的粉尘滞留曲线与布设于巷道顶板中间时的粉尘滞留曲线几乎重合，布置在巷道顶板中间略低，而风筒布设于侧壁高1 m 位置下的粉尘滞留率较高，说明布置在此位置时的排尘效果较差。综合分析可以看出，若要求短期内通风排尘效果，可以选择将风筒布置于侧壁高2.0 m 处，若追求更低的粉尘浓度，则选择将风筒布设于巷道顶部中间位置。