三交河2-511工作面粉尘分布规律分析及喷雾降尘技术研究

张建华

(霍州煤电集团 三交河煤矿，山西 洪洞 041600)

1 工程概况

霍州煤电集团三交河煤矿2-511工作面井下位于五采区，工作面开采2号煤层，煤层平均厚度为4.2 m，平均倾角9°，顶板岩层为砂质泥岩和中砂岩，底板岩层为泥岩和中砂岩。工作面采用大采高一次采全高采煤工艺，通风方式采用“U”型通风，全部垮落法管理顶板。根据矿井地质资料可知，2号煤层煤尘具有爆炸性，2-511工作面回采期间，工作面区域粉尘浓度最大值约为300 mg/m3，远高于规定的限制，故现为优化回采作业环境，特进行工作面降尘方案的设计与研究。

2 工作面粉尘分布规律

为充分掌握2-511工作面粉尘分布规律，现采用CFD软件进行数值模拟分析，根据工作面地质条件，将工作面形状视为长方体，并在工作面内部设置采煤机、运输机和液压支架，建立数值模型长×宽×高=80 m×4.7 m×3 m。为方便研究分析，模型中将采煤机外形简化为长方形，采煤机滚筒和摇臂简化为与实际外形相近的规则几何形状，设置运输巷道为进风口，回风巷道为出风口，并将采煤机布置于进风侧20 m的位置处，分别进行工作面顺风割煤和逆风割煤时的粉尘分布规律分析，具体模型中采煤机割煤时模型如图1所示。

图1 采煤机割煤作业数值模型示意

根据数值模拟结果，为研究工作面回采作业时采煤机附近区域粉尘浓度分布规律，特在x方向上截取不同的断面图进行对比分析，结合工作面特征，确定选取x=-7 m(采煤机前滚筒前端)、x=-5 m(前滚筒摇臂处)、x=6 m(采煤机后滚筒摇臂处)、x=8 m(采煤机后滚筒后部)，具体采煤机不同区域粉尘浓度分布云图如图2所示。

图2 采煤机x方向上不同区域粉尘分布云图

分析图2可知，在采煤机回采作业的进行下，由于采煤在上风侧滚筒处产生的粉尘主要的扩散区域为采煤机滚筒后方摇臂处，通过x=-5 m处的粉尘浓度云图切片能够看出，在采煤机滚筒后方的大部分区域粉尘浓度均已经超过500 mg/m3；通过x=8 m处的切片可知，采煤机下风侧滚筒位置处产生的粉尘主要向人行道方向扩散，在人行道附近区域粉尘浓度超过500 mg/m3的地方超过1/3。

为进一步反映采煤机割煤作业时在平行煤壁不同截面的粉尘浓度变化规律，分别进行z=-0.2 m、-0.4 m、-0.6 m、-0.8 m和z=0.0 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m断面的粉尘浓度的云图切片，具体粉尘分布云图如图3所示。

图3 平行煤壁方向粉尘浓度分布云图

分析图3可知，在工作面上风侧采煤机滚筒区域粉尘浓度较高，粉尘浓度基本均在600～1 000 mg/m3的范围内，工作面下风侧采煤机滚筒区域在上风侧产尘源的影响下，粉尘浓度明显高于上风侧滚筒区域；另外从图中能够看出，随着与煤壁距离的增大，粉尘浓度呈现出逐渐下降的趋势，其中在z=0.6 m的位置处，粉尘浓度局部区域已下降，但采煤机前滚筒后方仍为粉尘浓度较高的区域。基于上述分析可知，采煤机滚筒附近区域粉尘浓度基本在1 000 mg/m3以上，距离采煤机滚筒较近的区域粉尘浓度基本在600 mg/m3。为分析工作面回采期间，粉尘对作业人员的影响程度，通过截取y=1.5 m高度的截面，定位出呼吸带的高度，具体其粉尘浓度分布云图如图4所示。

图4 呼吸带高度粉尘浓度分布云图

分析图4可知，由于采煤机割煤作业时产生的粉尘浓度较高，进而致使较多的粉尘扩散至周边区域，采煤机附近区域粉尘浓度为300 mg/m3的区域扩散至液压支架的位置处；另外由于风流下侧在滚筒的阻挡下，风流场出现绕流现象，粉尘不易扩散开，进而出现采煤机机身一半浓度为200 mg/m3，另一半浓度为500 mg/m3的现象。

综合上述分析可知，2-511工作面回采期间，工作面粉尘浓度较高的区域主要集中在采煤机区域及采煤机下风侧10 m的范围内，另外下风侧采煤机滚筒处的粉尘浓度高于上风侧滚筒处的粉尘浓度。因此在工作面进行降尘时，需将采煤机及采煤机下方侧10 m的区域作为降尘的重点区域。

3 喷雾降尘方案及效果

3.1 喷雾降尘方案

根据2-511工作面回采条件，结合工作面粉尘浓度分布规律的分析结果，现为确保喷雾降尘方案实现抑制采煤机滚筒区域的产尘量、实现降低采煤机滚筒前方的粉尘浓度的目的，确定在采煤机上采用高速水射流喷雾降尘技术[1-2]，具体方案中的各项参数如下：

1) 喷雾装置吸风量的确定：由于采煤机割煤作业时，滚筒旋转叶片的存在会使粉尘在外力作用下向外部扩散，为有效控制粉尘的扩散，根据下述公式进行滚筒的排风量[3-4]计算：

(1)

式中：Q为采煤机滚筒的排风量；R1为滚筒叶片的半径；R2为滚筒轮毂半径；b为叶片螺旋条数；L为叶片之间的螺距；υ为采煤机的运行速度；δ为叶片的厚度；β为叶片的平均升角度；B为滚筒的截深；D为滚筒的尖齿直径。

根据工作面地质资料及采煤机参数计算得出Q=36.7 m3/min，考虑到高速水射流喷雾降尘装置产生的负压区对滚筒产生的涡流风流场的控制性较弱，故考虑2.0的富裕系数，设置喷雾装置吸风量为80 m3/min。

2) 喷嘴个数与方向：为尽量确保喷雾降尘装置实现对采煤机滚筒区域完全阻挡尘源扩散的目的[5-6]，在考虑到用水合理性和喷雾墙形成有效性的基础上，确定在采煤机上布置2个喷雾装置，每个喷雾装置上设置5个喷嘴，共计设置10个喷嘴；每个喷雾装置上4个喷嘴平行煤壁设置，1个喷嘴喷向刮板输送机与煤块撞击区域，设置喷嘴内径为100 mm、喷管长度为300 mm，设计喷管内喷出的水雾锥角约40°的扇形形状，确保5个喷嘴的水雾墙可完全覆盖产尘源，本次水射流水雾可形成的屏障如图5所示。

图5 采煤机喷雾装置雾化屏障效果

3) 喷雾箱体设计：为方便喷雾降尘装置的设置，控制喷雾箱体0.1 m3，喷雾箱体的尺寸为长×宽×高=0.4 m×0.3 m×0.7 m，为避免工作面回采过程中出现剐蹭和碰撞，设置除尘器具有连接耳座，确保除尘器可以翻转，以实现防顶、防砸和调角的功能，具体箱体外观形状如图6所示。

图6 箱体外形示意

3.2 效果分析

为有效分析工作面高速水射流喷雾降尘效果，分别在工作面采用喷雾降尘装置前后不同位置处全尘和呼尘浓度分布，工作面测尘位置布置在进风巷、采煤机司机处、割煤处、移架处、多工序交叉处、前部刮板机处、破碎机处、转载点处和回风巷处，共计布置9个测尘点，具体喷雾降尘方案实施前后全尘和呼尘浓度曲线如图7所示。

图7 工作面喷雾降尘方案实施前后粉尘浓度曲线

分析图7可知，高速水射流喷雾降尘技术实施后，工作面各区域全尘和呼尘浓度均大幅下降，其中采煤机附近区域的降尘率可达到60%～80%。另外从图中能够看出,全尘的降尘率大于呼尘。喷雾降尘装置实施后，在很大程度上抑制了滚筒处的扬尘，且滚筒前方粉尘浓度也明显降低。据此可知,喷雾降尘装置有效降低了采煤作业时的产尘和扬尘。

4 结 语

根据2-511工作面的地质条件和开采特征，通过数值模拟进行工作面粉尘分布规律的分析，得出工作面粉尘浓度较高的区域，确定采煤机区域及采煤机下方侧10 m的区域作为降尘的重点区域，并进行高速水射流喷雾降尘技术方案的设计，根据喷雾实施后的降尘效果分析可知，喷雾降尘效果显著，有效优化了回采作业环境。