综掘面长压短抽—雾幕除尘系统参数优化研究_张云峰.pdf

收稿日期：基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目（，）作者简介：张云峰（），男，河北承德人，硕士，国家能源集团国神公司上榆泉煤矿高级工程师。：.移动扫码阅读：.张云峰，王明，陈俊涛，张玉.综掘面长压短抽雾幕除尘系统参数优化研究.华北科技学院学报，（）：，.，（）：综掘面长压短抽雾幕除尘系统参数优化研究张云峰，王 明，陈俊涛，张 玉（.国家能源集团国神公司 上榆泉煤矿，山西 忻州；.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊；.北京市应急管理事务中心，北京 通州）摘 要：为解决综掘工作面割煤粉尘污染严重的问题，根据气固两相流理论建立粉尘运动的数学模型，通过流体力学软件对综掘工作面不同条件下粉尘浓度分布及长压短抽雾幕除尘系统关键参数进行数值模拟研究。结果表明：当压风量为 、最佳压抽比为.时，抽风口距离掌子面 时控尘效果较好；在综掘机操控区前方.处设置雾幕隔尘装置，采用井下静压水进行喷雾，空气幕发生器出口风速为 时控尘效果最好，联合降尘效率达 以上。关键词：雾幕隔尘；综掘面；长压短抽通风；数值模拟中图分类号：.文献标志码：文章编号：（），（.，.，.，；.，；.，）：，.，.，.第 卷第 期 年 月华北科技学院学报 .：；引言职业健康与安全受到全社会广泛的关注，各级政府在不断推进职业病防治工作。然而，我国职业病防控形势依然十分严峻，尤其在煤矿井下作业中大量粉尘导致尘肺病。截止到 年底，我国累计报告职业病.万列，其中尘肺病.万列，约占总数的，其中 以上来自煤矿行业。煤矿井下粉尘主要来自综掘工作面。大多数煤矿综掘工作面采取压入式通风进行排尘，但效果不佳。风流从压入风筒直接吹向掌子面，将割煤产生的粉尘扬起造成严重污染。针对综掘工作面粉尘污染问题，国内外专家学者做了大量研究。长压短抽混合式通风方式就是在巷道中铺一趟较短的抽出式风筒，使之与除尘器配合，再沿掘进工作面铺一趟较长的压入式风筒，并在风筒前端使用附壁风筒技术，使压风经附壁风筒的缝隙与工作面前壁构成一定的夹角进入工作面。根据实践，采用附壁风筒后，其附壁效应使压入风流在工作面附近形成一道气幕，能阻止工作面含尘气流向外扩散，取得了较好的除尘效果。目前，专家学者对综掘工作面长压短抽混合式通风除尘系统的现场布置方式的研究比较多，主要采用了理论分析、相似实验及现场试验等研究手段，而结合综掘面风流场及粉尘浓度分布规律对通风除尘系统进行优化的研究较少，同时也忽略了综掘机操作台位置的粉尘控制。数值模拟作为一种重要的研究手段，相比于理论分析与实验研究，能方便快捷的呈现不同除尘系统参数下的降尘效果。本文对综掘面采用压入式通风、长压短抽混合式通风及同时安装雾幕隔尘三种粉尘控制方案时的风流流场分布及粉尘浓度分布进行数值模拟研究，对比分析各种控制措施下的降尘效果，优化参数以指导现场实施。模型建立.粉尘运动数学模型为保证模拟边界条件的合理性，按照实际情况建立数学模型。但现场条件复杂，模型建立时应满足以下假设：（）综掘工作面巷道内空气被理想化为不可压缩连续流体，内部工作人员移动不影响气流分布；（）空气中温度变化不大，因而不考虑温度影响；（）粉尘颗粒体积较小，忽略颗粒间相互作用力，仅考虑粉尘重力；（）综掘工作面有大型综掘机，考虑综掘机对风流及粉尘运移规律的影响。粉尘粒子在空气中运动满足质量守恒、动量守恒以及能量守恒三大定律。根据固有的平衡方程对粉尘运动及气流在复杂环境中的流动建立如下数学模型。掘进工作面割煤时产生含尘气流扩散的质量守恒方程和动量守恒方程如下：连续方程：（）（）动量守恒方程：（）（）（）式中，为流体密度，；为流体速度，；为流体压力，；为粘性应张力量；为颗受到的平均阻力，。在工程最常用的湍流模型是，该模型由两个方程解出湍流动能 及其耗散率，耦合到湍流粘度，该模型方程：（）（）|（）（）（）|（）湍流粘度是：（）其中，常量的值分别是.，.，.，.，.。利用粉尘运动的离散的模型（），通过求解离散相的拉格朗日微分方程，可以显示综掘工 第 期张云峰等：综掘面长压短抽雾幕除尘系统参数优化研究作面粉尘运动轨迹，同时可以计算气固两相之间的耦合作用对离散相轨迹的影响，这样就可以得到巷道粉尘平均浓度。，（）式中，为粉尘浓度；为掘进巷道断面积。.几何模型建立及网格划分根据某煤矿综掘工作面现场实际情况，利用 软件对综掘面进行几何建模及网格划分，为了真实反映工作面实际情况，巷道尺寸、掘进机及风筒等尺寸都按照 建模。由于粉尘沉降规律在 之后变化较小，综掘面巷道尺寸可简化为 .，综掘机尺寸为，风筒直径为，风筒中心线距离地面及壁面分别为.和.；采用三维的 网格单元、网格类型分块对模型进行网格划分，网格基本尺寸为.，网格总数为 个，通过软件划分网格后如图 所示。图 模型建立及网格划分情况.边界条件与模型参数的设定将网格文件导入 软件中进行边界条件设置，压入风筒入口为速度入口，抽出式风筒入口为内部入口，出风口为风机，巷道出口为自由出流；巷道及风筒壁均设置为，掘进机炮头设置为面尘源点。根据现场测定及实验室分析的相关数据，确定计算模型边界条件参数具体情况见表。表 参数及边界条件设定边界条件参数设定边界条件参数设定湍流模型 喷射源类型面喷射入口边界类型速度入口材质煤入口速度 粒径分布 分布湍流强度.质量流率.出口边界类型自由出流湍流扩散模型随机轨道模型离散相模型打开离散边界条件捕捉 反弹 综掘面控尘方案的数值分析通过模拟分析单一压入式通风情况下综掘面割煤时粉尘的扩散规律，提出并研究分析长压短抽式通风方法及控尘参数，同时结合雾幕降尘联合使用的方法。掘进面现场通风参数为风量、压风口距离掌子面 ，以上述参数为基础调整现有工况下通风状况。.单一压入式通风粉尘运移规律通过模拟单一压入式通风压风量为 时综掘工作面风流流场及粉尘扩散规律，绘制工作面呼吸带高度粉尘浓度云图，如图（）所示。由图可知在压风风流的作用下，大量粉尘从切割面向巷道后方扩散，虽然掘进司机位于压入风筒侧，但仍有大量粉尘集聚，浓度可达到 以上，同时在重力沉降作用下浓度不断降低，严重影响综掘面人员的身体健康。华北科技学院学报 年第 期图 不同压风量下巷道内粉尘云图因此，通过改变压风量分析单一压入式通风最佳排尘风量，分别选取风量为 、再进行数值模拟，如图（）所示。由图可知综掘面粉尘扩散范围随着风量的增大而增大，但操作区域粉尘的浓度随着风量的增大而减小。当风量低于 时，由于掘进机等设备的影响，排尘风速较小，距离掌子面 内的大部分区域粉尘浓度都高于 。同时压风量的增加会加快粉尘的扩散，降低抽出式除尘风机控尘效果，综合比较，需要采用长压短抽通风除尘系统时，最佳压风量可设置为。.长压短抽除尘系统参数分析通过模拟单一压入式不同压风量的控尘效果及扩散范围确定了采用长压短抽通风除尘系统时，最佳压风量为 。综合其他文献研究，选取最优的压抽比为.。由于抽风口的布置直接影响掘进工作面风流场及粉尘浓度分布，在压抽比确定时，通过改变抽出式风机距工作面的距离，确定最佳除尘点。分别模拟抽风口控尘距离为 、不同条件下粉尘的扩散规律，得到综掘面呼吸带高度粉尘浓度分布如图 所示。由图可知粉尘浓度及扩散范围都随抽风口控尘距离的增大先增大后减小，控尘距离 第 期张云峰等：综掘面长压短抽雾幕除尘系统参数优化研究图 不同控尘距离下粉尘浓度变化为 时，操作区域粉尘浓度最低，同时粉尘的扩散范围最小。.雾幕控尘参数分析根据上述的模拟结果可知，虽然长压短抽通风除尘系统对掘进面粉尘有较好的控制效果，但掘机司机区域仍有较高浓度的粉尘通过。为了进一步降低司机操作区域粉尘浓度，提出在操作区前加设雾幕的综合控尘方案。根据掘进巷实际尺寸大小，设计气幕装置长 ，安设在司机操作台前.处。气幕喷射与水平夹角为，调节气幕出口速度，形成气幕，起到隔尘的作用。喷嘴安装在气幕发生器的出口，随风流一起扩散，起到降尘的作用。（）喷雾参数优化对于选择好的喷嘴，水压是直接影响其雾化效果最主要的因素，而雾滴浓度和粒径分布是表征其雾化效果最重要指标。煤矿井下静压在.左 右，通 过 数 值 模 拟 分 析 单 一 喷 嘴 在，三种不同压力情况下雾滴浓度和雾滴粒径的变化情况，得到不同水压时，雾滴浓度变化曲线如图 所示，雾滴粒径分布图如图 所示。从图 中可以看出，水压越大，喷射出的雾滴中心浓度越大，当水压为 时，雾滴的中图 不同压力下雾滴浓度沿程分布心最大浓度为.，水压为 时，雾滴中心的最大浓度增加到.，当水压增加到 时，最大浓度为 。雾滴浓度越大，喷雾的降尘效果越好，当井下静压在.时，从雾滴浓度的数量级上来看远大于粉尘的浓度，能够满足现场喷雾降尘的需求。从图 中可以看出，水压对喷雾的雾粒直径影响很大，压力越大雾滴平均粒径越小，当水压为 时，雾滴粒径主要分布在 之间，当水压为 时，雾滴粒径分布在 之间，当水压为 时，雾滴粒径绝大部分都小于，由此可以得出，喷雾压力越大，喷出雾滴的雾粒直径越小。井下粉尘粒径主要集中在 ，根据雾滴粒径与粉尘粒径越接近降尘效率越高的原则，当井下静压在.时，也能满华北科技学院学报 年第 期足雾滴粒径的需求，一定程度的降低粉尘浓度。（）气幕参数优化气幕的出口风速是直接影响其隔尘效果的主要因素，根据经验设置风幕出口风速为 ，五个风速值分析最佳风幕参数。得到不同风速下空气幕流场形成情况如图 所示，同时检测开启气幕后粉尘浓度变化，不同风速下气幕前后粉尘浓度变化如图 所示。由风速云图可以看出，风速大于 时就可以形成气幕，达到隔尘效果；随着风速的增加，会对掘进机周围粉尘产生二次扬尘，结合粉尘的扩散规律可知，最优的气幕风速可设置为 。图 不同压力条件下雾滴粒径分布图 空气幕不同控尘风速下流场云图 现场应用根据数值模拟结果得出的最佳长压短抽通风除尘系统运行参数，调节综掘面压入式和抽出式风筒风量，风筒末端到迎头的距离分别是 和，并在掘进机操作台前方.处设置雾幕装置。根据作业场所空气中粉尘测定方法，设置测定布置如图 所示，测定长压短抽通风除尘系统联合雾幕隔尘时粉尘浓度分布情况，得到粉尘浓度分布如图 所示。第 期张云峰等：综掘面长压短抽雾幕除尘系统参数优化研究图 巷道人行道呼吸带高度粉尘浓度变化曲线 由粉尘浓度曲线图看出，压抽混合式除尘系统联合雾幕隔尘对粉尘控制效果较好，在掌子面 范围内可以将粉尘控制在 以下，全尘降尘效率达到 以上。同时也可以看出现场实测的结果与数值模拟曲线相一致，验证了运用数值模拟对粉尘运移规律及其控制措施参数优化的可行性和准确性。结论（）单一压入式通风对粉尘只有稀释扩散作用，结合抽出式除尘风机可以进一步降低工作面粉尘浓度，通过数值模拟确定了最优的压入式量为、除尘风机最优抽风口控尘距离为。图 粉尘浓度检测测点布置图 现场粉尘浓度检测曲线（）在操作区前方.处设置雾幕隔尘装置，采用井下静压水喷雾，最优气幕风速为 ，长压短抽通风除尘系统联合雾幕隔尘对粉尘控制效果较好，可以明显降低操作区粉尘浓度。（）运用气固两相流理论建立数学模型，通过模拟解算，得到综掘面风流流场和粉尘浓度的分布规律，可以为防尘措施参数优化提供依据。参考文献：金龙哲.我国作业场所粉尘职业危害现状与对策分析安全，（）：.袁亮.煤矿粉尘防控与职业安全健康科学构想.煤炭学报，（）：.王明，蒋仲安，田冬梅，等.岩巷综掘面混合式通风除尘数值模拟研究.华北科技学院学报，（）：.，.，（）：.，.，：.蒋仲安，王露露，张中意，等.掘进巷道中长压短抽条件下附壁风筒的实验研究.现代矿业，（）：周刚，张琦，白若男，等.大采高综采面风流呼尘耦合运移 规 律 数 值 模 拟.中国矿业大学学报，（）：.蒋仲安，姜兰，陈举师.露天矿潜孔打钻粉尘浓度分布规律数值模拟.深圳大学学报（理工版），（）：.周刚，聂文，程卫民，等.煤矿综放工作面高压雾化降尘对粉尘颗粒微观参数影响规律分析.煤炭学报，（）：.李顺峰.基于附壁风筒联合湿式除尘器的综掘工作面粉尘控制技术.煤矿安全，（）：.华北科技学院学报 年第 期