首山一矿综采工作面煤尘浓度-粒度分布规律研究.pdf

26fully mechanized mining face of Shoushan No.1 MineJ.Safety in Coal Mines,2023,54(8):26-32.移动扫码阅读LI Xinlong,YANG Yang,HU Yating.Study on distribution law of coal dust concentration-particle size in2023,54(8):26-32.李新龙，杨阳，胡雅婷首山矿综采工作面煤尘规律研.煤矿安全Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023煤码发全第8 期第54卷No.8Vol.54D01:10.13347/ki.mkaq.2023.08.006首山一矿综采工作面煤尘浓度-粒度分布规律研究李新龙，杨杨阳？，胡雅婷2（1.河南平宝煤业有限公司，河南许昌46 1 7 1 4；2.山东科技大学安全与环境工程学院，山东青岛2 6 6 51 0）摘要：为了解决综采工作面粉尘污染严重且防治困难的问题，对首山一矿综采工作面粉尘颗粒浓度-粒度分布规律进行研究，并提出了尘源多级多维封闭雾化控除尘技术。结果表明：风流在采煤机滚筒处发生绕流及横移，风速最大达到2.5m/s，在距采煤机约1 0 m处趋于平稳；在前滚筒中心下风侧9m区域内形成高速风流带，平均风速超过2.0 m/s；在距移架1 0 m内的未移架区采空区形成长达38 m的高浓度粉尘带，浓度约1 6 2 9 2 2 57 mg/m；前滚筒中心高度附近高浓度粉尘带长度达40 m，浓度约1 590 2 8 45mg/m；在人行道区域，粉尘颗粒粒径为0.2 5 1 0m，对井下工作人员的呼吸造成巨大干扰。尘源多级多维封闭雾化控除尘技术应用后，现场呼尘平均降尘率为8 4.6 8%，总尘平均降尘率为8 8.52%。关键词：综采工作面；粉尘浓度；粉尘粒度；粉尘防治；雾化封闭中图分类号：TD714文献标志码：A文章编号：1 0 0 3-496 X(2023)08-0026-07Study on distribution law of coal dust concentration-particle size in fully mechanized mining face ofShoushan No.1 MineLI Xinlong,YANG Yang,HU Yating?(1.Henan Pingbao Coal Industry Co.,Ltd.,Xuchang 461714,China;2.College of Safety and Environmental Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China)Abstract:In order to solve the problems of serious dust pollution and difficult dust removal in fully mechanized coal mining face,we conduct research on the concentration and particle size field of dust in the fully mechanized mining face of Shoushan No.1Mine,propose the dust source multi-level and multi-dimensional closed atomization control dust removal technology.The resultsshow that the air flow occurs around and across the shearer drum,and the wind speed is up to 2.5 m/s,the wind speed tends tobe stable at about 10 m away from the shearer;a high-speed wind flow zone was formed in 9 m area downwind of the center ofthe front drum,with the average wind speed exceeding 2.0 m/s.The high concentration dust belt with a length of 38 m is formedin the goaf of the unmoved frame area within 10 m away from it,and the concentration is between 1 629 mg/m and 2 257 mg/m.The length of the high concentration dust belt near the center height of the front roller reaches 40 m,and the dust concentrationin this range is between 1 590 mg/m and 2 845 mg/m.In the pavement area,the particle size ranges from 0.25 m to 10 m,causing great disturbance to the breathing of the downhole workers.After the application of dust source multi-stage and multi-dimensional closed atomization control dust removal technology,the average dust reduction rate of on-site exhaled dust was84.68%,and the average dust reduction rate of total dust was 88.52%.收稿日期：2 0 2 2-0 3-1 1责任编辑：兰莹基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51 90 41 7 1,52 0 0 41 50）作者简介：李新龙（1 97 0 一），男，陕西乾县人，工程师，本科，从事煤矿“一通三防 管理工作。E-mail:27sealingSafetyinCoal Mines2023年8 月Aug.2023煤防发全No.8Vol.54第8 期第54卷Key words:fully mechanized working face;dust concentration;dust particle size;dust prevention and control;atomization近些年，随着综采设备机械化程度的增强，综采工作面粉尘产量和粉尘浓度大幅增加1-3。截至2 0 2 0年我国尘肺病报告人数约90 万人，其中6 0%的尘肺病患者源于煤炭行业4。综采面工作是煤矿井下粉尘污染最为严重的作业区域，在未采取有效措施的前提下，煤机截割产尘浓度可以高达50 0 0 mg/m以上5-7 。国内外学者针对综采工作面粉尘扩散和污染规律进行了大量研究。周刚等8 运用数值模拟探究综采工作面粉尘运移规律，得出采煤机背风侧20m内粉尘浓度超过1 0 0 0 mg/m,并确定当空气流量在1 0 0 0 2 40 0 m/min时，存在较高的粉尘浓度区；MOJM等9首次提出了截煤机板载除尘技术，表明气流在被采煤机阻挡后，人行道处粉尘浓度高达2 50 0 mg/m；X IU ZH等1 0)探究了煤矿生产过程中粉尘污染特性，确定了进口空气最佳除尘气流流量在1 50 0 1 6 0 0 m/min内时，粉尘平均质量最低；姚锡文等叫运用数值模拟探究综放工作面不同工序产尘规律，得出最优排尘风速以2.6 m/s左右粉尘浓度降至30 0 mg/m以内；汤研等1 2 运用数值探究综采工作面粉尘浓度分布，表明粉尘浓度峰值区会随着其运移长度的增加而从煤壁向机道方向移动；YUEZEL等1 3 通过数值模拟探究了颗粒碰撞现象，证实了颗粒碰撞使得颗粒冲击，从而形成粉尘大量堆叠。虽然上述研究均取得了丰硕成果，但是尚未摸清粉尘粒度的分布规律。基于此，以河南平宝公司首山一矿1 2 1 0 0 综采工作面为研究对象，详细分析了作业空间粉尘浓度-粒度分布空间1 4-1 7 ,并提出尘源多级多维封闭雾化控除尘技术，现场呼尘平均降尘率为8 4.6 8%，总尘平均降尘率为8 8.52%，有效缓解了粉尘污染问题；此外，研究成果可为类似作业环境的采煤工作面防尘工作提供示范，有效保障企业安全生产与矿工身心健康。1几何模型与参数设定1.1工程概况与几何模型首山一矿1 2 1 0 0 综采工作面配风量为1 8 0 4.9m/min。采煤机为MG400/930-WD型电牵引采煤机，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤，截深0.9m，滚筒直径2.0 m。液压支架92 组，其最大控顶距4.7 m，最小控顶距2.3m，移架滞后采煤机3 5台基本液压支架作业。根据现场实际情况，取倾向长度1 2 0.0 m为研究对象，构建等比例几何模型。采煤工作面的外轮廓为1 30.0 mx6.8mx4.0m的长方体，即由92 台基本液压支架组成的综采生产区。其中液压支架底座的长、高分别为1.45、0.50 m。采煤机身的长、宽、高分别为8.93m2.45mx1.78m，摇臂长2.56 m。几何模型如图1。移架完成区采煤区(16.5 m)(19m)未采区风流方向(88.5 m)电缆槽割煤方向进风口刮板输送机液压支架回风口采煤机桥式转载机未移架区（1 0 7.5m）带式输送机图1 几何模型Fig.1Geometric model几何模型三维坐标系构建如下：x轴正方向沿风流方向，坐标原点为采煤机中心下方刮板输送机处;y轴正方向为底板-顶板;z轴正方向沿煤壁至采空区方向。1.2网格划分利用MESH通过四面体网格进行网格划分，模型中，设置最大网格尺寸0.41 m，最小网格尺寸为0.13m，划分得到几何模型的非结构化网格，网格数量为31 8 0 8 2 4。通过查看网格质量，得到最大网格质量为0.91 55，最小网格质量为4.92 56 1 0-5,平均网格质量为0.2 31 96。设置风流疏密区调整网格大小、形状和密度等，以保证网格质量。网格划分结果如图2。图2网格划分结果Fig.2Meshing results1.3风流-粉尘流动数学模型及迭代方法综采工作面风流-粉尘运移过程十分复杂，具有高度复杂的气固两相流场，巷道内气流处于紊流状态,局部区域雷诺数Re1x10。因此，将气流视作连续相，并选择标准k-8方程瑞流模型对其进行描28Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤矿发全第8 期第54卷述；将粉尘颗粒视作离散相，并考虑连续相与离散相之间的相互作用及影响，采用Lagrangian坐标系下的离散相模型DPM对其进行耦合求解。迭代方法采用SIMPLE，最大送代次数为2 01.4边界条件及颗粒源参数设定依据现场实测及实验结果对该模型设置边界条件和颗粒源参数，进行数值模拟。边界条件参数设定见表1，不同尘源粉尘参数设置见表2。表1 边界条件参数设定Table 1 Boundary condition parameters setting边界条件名称参数设置入口边界类型VELOCITY_INLET流模型标准k-8双方程入口风速/(ms)1.98湍流强度/（m?s-3)3.30出口边界类型PRESSURE-OUTLET水力直径/m3.94ENERGYOFF离散相模型(DPM)ON表2不同尘源粉尘参数设置Table 2Main parameters of dust fromdifferent dust sources项目参数设置喷射方式Surface粉尘粒径分布Rosin-Rammler分布质量流率/(kgs-)0.01前滚筒截割产尘2.810-7粉尘最小粒径/m后滚筒截割产尘2.810-7移架处产尘1.310-7前滚筒截割产尘3.8210-5粉尘最大粒径/m后滚筒截割产尘3.8210-5移架处产尘4.0310-5前滚筒截割产尘6.710-6中位径/m后滚筒截割产尘6.7x106移架处产尘5.010-62风流-粉尘场分布特征模拟2.1综采工作面风流运移规律数值模拟结果为了便于了解综采面风流分布规律，分别截取了底板高度附近（y=0.50m）、采煤机中心高度附近(y=1.15m）、呼吸带高度附近（y=2.10m）的风流速度矢量图，不同高度下风流分布图如图3。由图3(a)可知：风流在进风巷前端的速度分布速度/(ms-l)3.002.572.141.171.290.860.430(a)y=0.5m速度/(m s-1)3.002.572.141.171.290.860.430(h)y=1.15 m速度/(ms-1)3.002.572.141.171.290.860.43(c)y=2.10m0图3不同高度下风流分布图Fig.3Airflow distribution at different heights均匀，基本保持在1.5m/s；当风流到达进风巷超前液压支架位置时，由于巷道空间急剧减小，导致风速在此处开始骤然升高，达到3.1 m/s；进人工作面移架区时由于空间扩大，导致风速减小，工作面人口风速可达 2.1 m/s。由图3(b)可知：当风流流人工作面2 1 m时，风流场受到采煤机的阻挡发生扰动，造成立柱与采煤机机身之间的风速明显加大，并在采煤机下风侧1 0m区域内形成一高速风流带，最大风速达2.5m/s；在未移架区由于空间扩大平均风速在1.7 m/s；回风巷的风速在1.4 4.6 m/s之间，风速远大于进风巷。由图3(c)可知：风流在进风巷超前液压支架之间形成1.7 2.4m/s的风流带；风流进人工作面后，在移架区，大量风流同样涌煤壁与立柱之间的空间，在采煤机下风侧有一长度为9m的高速风流带，这一特征与风流在后滚筒中心高度一致。2.2综采工作面粉尘运移规律数值模拟结果为具体分析粉尘在各方向的扩散规律，沿底板高度分别截取底板高度附近（y=0.50m）、采煤机中心高度附近（y=1.15m）、呼吸带高度附近（y=2.1029Safety inCoal MinesAug.20232023年8 月煤码发全No.8Vol.54第8 期第54卷m)的5处粉尘浓度分布图，不同高度下粉尘浓度分布图如图4。粉尘浓度/(gm=3)2.001.781.561.331.110.880.660.440.220(a)y=0.50 m粉尘浓度/（g：m 3)2.001.781.561.331.110.880.660.440.220(b)y=1.15 m粉尘浓度/（gm)2.001.781.561.331.110.880.660.440.220(c)y=2.10m图4不同高度下粉尘浓度分布图Fig.4Dust concentration distribution at different heights由图4(a）可知：采煤机后滚筒底部由于截割作用积聚了一定量的粉尘，由于积聚作用采煤机机身附近粉尘浓度较高，达1 7 50 mg/m；大部分粉尘沿煤壁侧移动，在采煤机后滚筒附近粉尘浓度较大，在1 8 30 2 6 2 8 mg/m之间，产生该现象的原因主要是前滚筒粉尘的沉降与后滚筒割底产生大量粉尘。由图4(b)可知：在此高度高浓度粉尘区域主要集中在采煤机附近，后滚筒附近粉尘浓度在7 1 8 2094mg/m之间，采煤机下风侧1 4m范围内粉尘主要集中在靠近煤壁的位置，这也是因为此处风速较小与人行道处所致的；在采煤机下风侧1 4m之后区域粉尘浓度略有上升，在距回风巷1 0 m处粉尘浓度维持在1 46 5mg/m左右。由图4(c)可知：此处粉尘出现大范围扩散现象；采煤机机身上方出现高浓度粉尘团，浓度在7692610mg/m之间；采煤机下风侧高浓度粉尘团延伸达2 0 m，粉尘浓度为2 1 7 3mg/m左右。2.3综采工作面粉尘粒径分布规律由前述分析可知，在采煤区由于采煤机阻滞作用致使风速在此处增大，此区域空间狭小也会导致产出的粉尘大量堆积，对采煤机域粉尘粒径进行分析。粉尘粒径分布图如图5。粒径/um3.517.503.013.192.58.872.01.54.561.00.250.501234567人行道距采空区的距离/m（a）采煤区域粉尘粒径分布粒径/m3.517.503.013.192.58.872.04.561.50.251.00.501234567人行道距采空区的距离/m（b）未采煤区域粉尘粒径分布图5粉尘粒径分布图Fig.5Dust particle size distribution diagrams在图5(a)中:x轴0 7 m,y轴0 1.2 mz轴3.03.7m范围，此区域为液压支架底板和顶板区域，粒径超过1 5m的粉尘颗粒数量超过50%，说明在采煤区域底板位置，大颗粒粉尘并未及时向上空扩散，就已开始沿底板向下风侧运移；在x轴方向05.4m，y 轴1.5 2.4m区域，这一区域位于人行道，粉尘粒径范围基本在0.2 5 1 0 m均匀分布，这一区域的小粒径颗粒数量较多，井下工作人员的呼吸以及可见范围造成巨大干扰；在y轴3.2 m及以上区域，这一高度为顶板区域附近，粉尘颗粒粒径基本呈片状或带状分布未采区域风流呈紊乱状态，风流的运移势必对粉尘粒径分布产生影响。由图5(b)可知：在轴0 5.2m，y 轴0.5 2.3m区域内，粉尘粒径低于0.3m的颗粒数量约占57%，表明未采煤区域的粉尘大多以小粒径颗粒为主，大颗粒粉尘在风流鼓动下继续向后扩散；而在x轴2.3 5.2 m，y 轴0.5 2.3m，这一区域位于人行道呼吸道位置，工作人员在此处受到大颗粒粉尘的困扰，粉尘颗粒数量以及粉尘浓度居高不下；在x轴方向0.6 5.2 m，y 轴3.0 3.5m，30Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8煤砺发全Vol.54第8 期第54卷这一区域位于顶板，粉尘粒径在0.2 8.8 m的颗粒占90%，说明小粒径粉尘颗粒极易受风流影响扩散至液压支架上空区域3现场实测为验证模拟结果的可靠性，通过现场实测对模拟结果验证。在数据比较过程中，引人相对误差这一数学指标进行判断，其中相对误差指测量所造成的绝对误差与被测量真值之比乘以1 0 0%所得数值，用百分数表示，绝对误差指测量数据与真实值之差，相对误差比绝对误差更能反映测量的可信度，故采取相对误差作为参照标准。研究测定了呼吸带高度(y=2.10m)的风流速度与粉尘浓度，分析了此高度下风速-粉尘在同一测点的对应关系，现场实测对比图如图6。布置了9个测点，分别为：测点-采煤机上风侧1 0 m；测点-移架处；测点-后滚筒中心；测点-采煤机司机位置；测点-前滚筒中心；测点-采煤机下风侧1 0 m；测点?-采煤机下风侧30 m；测点-采煤机下风侧50 m；测点-采煤机下风侧7 0 m。在每个测点进行5次测量，测量结果取平均值，所用设备分别为矿用风速仪（CFD25)与矿用粉尘采样器（ACGT-2)。2.5模拟值测量值相对误差14122.0(-S.U)/区10%1.581.0640.5200235测点（a）风速模拟值与实测值对比14.0模拟值测量值相对误差(u)/1012.08%10.08.066.044.022.000测点（b）粉尘浓度模拟值与实测值对比图6 现场实测对比图Fig.6Comparison of field measurement从图6 可以看出：风流流速与粉尘浓度的模拟结果与测量结果基本吻合；风速和粉尘浓度的模拟结果与实测结果的相对误差的绝对值均小于1 3%，表明数值模拟是准确的，与现场条件相吻合4尘源多级多维封闭雾化控除尘技术基于上述1 2 1 0 0 综采工作面粉尘浓度-粒度分布规律，提出了综采面尘源多级多维封闭雾化控除尘技术，包括采煤机内、外喷雾与液压支架喷雾等常规喷雾降尘设施的喷嘴类型与布置优化，负压卷吸除尘装置、复合喷嘴喷雾器以及采煤机湿式除尘器等新型装备。该技术将采煤机区域与液压支架区域视作2 个既相互联系又相对独立的区域，一方面针对采煤机区域，通过采煤机湿式除尘器与采煤机喷雾构筑雾化空间封闭截割煤尘的逸散区域，并抑制截割流风扰动下的偏移风流向人行道偏移或减缓其偏移分速度，从而达到抑制人行道中煤尘污染状况继续恶化的目的；另一方面针对液压支架区域，通过负压卷吸除尘装置在人行道中形成的负压流场能够有效卷吸滞留于呼吸带附近的移架煤尘，并将其喷射至液压支架区域的雾化封闭空间，从而达到缓解人行道中煤尘污染状况的目的。对河南平宝煤业首山一矿综采工作面有无降尘措施下呼尘、全尘浓度进行对比，测点布置位置见表3,有无降尘措施下的呼尘浓度对比如图7,有无降尘措施下的全尘浓度对比如图8，尘源多级多维封闭雾化控除尘效率对比结果如图9。结果表明，尘源多级多维封闭雾化控除尘技术具有明显的降尘效果。表3测点布置位置Table 3 Layout of measuring points编号测尘地点1采煤司机2工作面中部支架上风侧采煤机回风侧1 5m3移架工4回风巷距工作面端头1 5m5采煤司机6工作面中部支架回风侧采煤机回风侧1 5m7移架工由图9可知：呼尘平均降尘率为8 4.6 8%，总尘平均降尘率为8 8.52%，且各测点的呼尘浓度均已降至1 6 5mg/m以下，最大呼尘浓度仅为1 32.5mg/m。此外，河南平宝煤业首山一矿综采工作面高浓度粉尘得到有效控除后，工作面的作业环境得到显著改善，作业视线得到显著提高。31SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤矿发全第8 期第54卷900无降尘措施有降尘措施80070060050040030020010002345617测点图7有无降尘措施下的呼尘浓度对比Fig.7Comparison of exhaled dust concentration with orwithout dust removal measures1600无降尘措施有降尘措施14(c.)/手40012001 00080060040020001234567测点图8 有无降尘措施下的全尘浓度对比Fig.8Comparison of total dust concentration with orwithout dust removal measures92无降尘措施有降尘措施9088868482801234567测点图9尘源多级多维封闭雾化控除尘效率对比结果Fig.9Comparison results of dust source multi-stage andmulti-dimensional closed atomization controldust removal efficiency5结语1)风流在进风巷前端分布较为均匀，进入超前液压支架位置风速达3.1 m/s左右。移架工序使得风流发生第1 次较为明显的横向位移，导致风流流向移架未完成区人行道处。受到采煤机的阻滞作用，风流再次绕流，出现了第2 次较为明显的横向位移，在采煤机下风侧形成了长9m，高1.6 m的高速风流带，风速维持在1.8 2.3m/s之间。移架未完成区后半段，工作面空间体积未发生变化，这使得风速在此区域的风速分布较为均匀，保持在2.1 m/s左右。2)综采工作面移架工序产生大量的粉尘。呼吸带高度附近粉尘出现大范围扩散现象，采煤机机身上方出现高浓度粉尘团，浓度在7 6 9 2 6 1 0 mg/m3之间，采煤机下风侧高浓度粉尘团延伸达2 0 m，粉尘浓度高达2 1 7 3mg/m，同时粉尘进入人行道，能见度降低，危害矿工健康。此区域是整个工作面污染最严重的区域，可作为防尘工作的重点对象。在距移架1 0 m内的未移架区的采空区形成长达38 m的高浓度粉尘带，浓度在1 6 2 9 2 2 57 mg/m之间。3)采煤区域，在x轴方向0 5.4m，y 轴1.5 2.4m区域，粉尘颗粒基本在0.2 5 1 0 m均匀分布，这一区域的小粒径颗粒数量较多，井下工作人员的呼吸以及可见范围造成巨大干扰。未采煤区域，x轴05.2m，y 轴0.5 2.3m区域内，粉尘粒径为0.3m的颗粒数量约占57%，表明高浓度粉尘团区域的粉尘大多以小粒径颗粒为主，大颗粒粉尘在风流鼓动下继续向后扩散。4)首山一矿1 2 1 0 0 综采面应用结果表明，尘源多级多维封闭雾化控除尘技术与装备能够有效缓解工作面中的煤尘污染状况。在尘源多级多维封闭雾化控除尘技术后，1 2 1 0 0 工作面呼尘平均降尘率为84.68%，总尘平均降尘率为8 8.52%，且各测点的呼尘浓度均已降至1 6 5mg/m以下，大幅改善了井下的工作环境。参考文献(References）：1冯博，卢晓龙，王峰.综采工作面采煤机在不同区域粉尘逸散规律数值模拟J.煤矿安全，2 0 1 8，49（1 1）：176-179.FENG Bo,LU Xiaolong,WANG Feng.Numerical simu-lation of laws of dust dispersion of coal cutter workingat different regions of fully mechanized coal mining faceJ.Safety in Coal Mines,2018,49(11):176-179.2CHANG P,XU G.A review of the health effects andexposure-responsible relationship of diesel particulatematter for underground mines J.International Journalof Mining Science and Technology,2017,27(5):831-838.32Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023No.8煤防岁全Vol.54第54卷第8 期3DING J F,ZHOU G,LIU D,et al.Synthesis and per-formance of a novel high-efficiency coal dust suppres-sant based on self-healing gelJ.Environmental Sci-ence&Technology,2020,54(13):7992-8000.4中华人民共和国国家卫生健康委员会.2 0 2 0 年我国卫生健康事业发展统计公报EB/OL.（2 0 2 1-0 7-2 2）2022-01-12.http:/ L,LIU S M.Respirable nano-particulate genera-tions and their pathogenesis in mining workplaces:a re-viewJ.International Journal of Coal 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