特厚煤層綜放工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律研究

特厚煤層綜放工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律研究

巖路開挖工作面的產(chǎn)礦量占井產(chǎn)礦量的25%35%。其產(chǎn)礦特點(diǎn)主要體現(xiàn)在巖屑的快速運(yùn)輸速度上。與一般收獲相比，巖屑的快速運(yùn)輸速度快，嚴(yán)重危害礦山礦山的身心健康，制約了煤礦公司的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)審查其分布規(guī)律并進(jìn)行治理。1巖巷開挖工作面的灰塵分布規(guī)律1.1采樣點(diǎn)的布置由于現(xiàn)場條件限制,只在距離煤壁0.8~1.0m處人行道中央呼吸帶高度沿程布置采樣點(diǎn)。測試項(xiàng)目包括:薛村礦南翼皮帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面推進(jìn)時(shí),掘進(jìn)機(jī)截割落巖(包括頂巖及底巖)、進(jìn)回風(fēng)巷在掘進(jìn)機(jī)截割頂巖時(shí)粉塵濃度,現(xiàn)場局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量、除塵風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量和巷道風(fēng)速,見圖1,圖2。1.2各階段的粉末濃度測試結(jié)果分析1.2.1頂巖截割對粉塵濃度的影響測得粉塵濃度分布曲線見圖3。圖3中坐標(biāo)原點(diǎn)取掌子面所處位置,坐標(biāo)X軸負(fù)方向表示在掘進(jìn)巷道上風(fēng)側(cè)布置測點(diǎn),X軸正方向表示在掘進(jìn)巷道下風(fēng)側(cè)布置測點(diǎn)(下同)。根據(jù)圖3中所示的曲線,得出以下分析結(jié)果:(1)綜掘工作面截割落巖時(shí)司機(jī)位置附近的粉塵濃度較大,在頂巖截割時(shí)上風(fēng)側(cè)5m到下風(fēng)側(cè)5m處,全塵濃度在650mg/m3以上,呼吸性粉塵濃度在300mg/m3以上,并在下風(fēng)2m處全塵濃度和呼吸性粉塵濃度達(dá)到最大值。(2)下風(fēng)側(cè)的粉塵濃度從2m以后迅速降低,至下風(fēng)側(cè)20m后濃度緩慢降低,頂巖截割時(shí)全塵濃度在200mg/m3以下,呼吸性粉塵濃度保持在100mg/m3以下。(3)在底巖截割時(shí),上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)的濃度較之頂巖截割時(shí)要小,這是由于底巖截割時(shí)粉塵顆粒下落過程較小,粉塵飛濺的幾率較少。在粉塵濃度最高的下風(fēng)側(cè)2m時(shí),底巖截割時(shí)全塵濃度為300mg/m3,呼吸性粉塵為120mg/m3,且在上下風(fēng)側(cè)的10m后的粉塵濃度基本保持在100mg/m3。1.2.2降低了出風(fēng)巷的1/3圖4中坐標(biāo)原點(diǎn)表示進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷相交處,X軸正方向表示各測點(diǎn)距離兩巷相交三岔口的距離。根據(jù)圖4所示的曲線,得出以下分析結(jié)果:(1)回風(fēng)巷的粉塵濃度相比于進(jìn)風(fēng)巷的粉塵濃度要高很多,在工作面出口處的全塵和呼吸性粉塵的濃度都達(dá)到最高。(2)進(jìn)回風(fēng)巷的粉塵濃度隨著距工作面入口或出口距離的增加而降低,在距回風(fēng)巷20m以后,全塵濃度基本上在20mg/m3以下,呼吸性粉塵的濃度在15mg/m3以下。(3)使用除塵設(shè)備后可以使進(jìn)回風(fēng)巷的粉塵濃度顯著降低,在粉塵濃度最高的工作面出口處,全塵濃度降低到12.5mg/m3,呼吸性粉塵濃度降低到5mg/m3。2fluent軟件模擬2.1工作面粉碎擴(kuò)散的簡化本研究對薛村礦南翼皮帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面在加入除塵器及附壁風(fēng)筒前后粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律和濃度分布進(jìn)行分析。因?qū)嶋H內(nèi)部粉塵擴(kuò)散的區(qū)域形狀極為復(fù)雜,無法做出準(zhǔn)確的幾何模型,因此文中對計(jì)算區(qū)間工作面粉塵擴(kuò)散進(jìn)行以下適當(dāng)?shù)暮喕?(1)將工作面巷道視為標(biāo)準(zhǔn)半圓拱;(2)掘進(jìn)機(jī)視為規(guī)則的長方體;(3)掘進(jìn)機(jī)搖臂、壓入式風(fēng)筒及除塵器視為規(guī)則的圓柱體;(4)皮帶、支架等簡化為平面邊界;(5)不考慮巷道下幫的風(fēng)管、水管等其對風(fēng)流的影響。掘進(jìn)巷道模型網(wǎng)格劃分見圖5。2.2模型的邊界條件和參數(shù)的定義根據(jù)綜掘工作面的實(shí)際情況及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)學(xué)模型和FLUENT的模擬方法,確定數(shù)值模擬各參數(shù)及邊界條件見表1。2.3數(shù)值模擬結(jié)果2.3.1未安裝復(fù)合風(fēng)筒和分離器2.3.1.巷道內(nèi)鮮水流流動(dòng)規(guī)律用FLUENT進(jìn)行解算,模擬壓入式通風(fēng)掘進(jìn)巷道的風(fēng)流流場及風(fēng)向分布情況如圖6,圖7所示。從圖6,圖7中可以看出:(1)當(dāng)新鮮風(fēng)流從風(fēng)筒流出時(shí),是以逐漸擴(kuò)大的自由風(fēng)流射向工作面,沿自由風(fēng)流流動(dòng)的軸線方向速度逐漸降低,到一定距離后再反向流至巷道出口。(2)在水平方向上,巷道內(nèi)右側(cè)人行道風(fēng)速明顯高于左側(cè)人行道,且在巷道斷面內(nèi),風(fēng)速由左至右逐步降低;在垂直方向上,風(fēng)速以風(fēng)筒懸掛高度為中心,分別向上下兩側(cè)逐步降低;在靠近巷道壁面及設(shè)備表面區(qū)域,風(fēng)速較之附近區(qū)域有所降低,這是由于壁面的摩擦作用引起的。2.3.1.擴(kuò)大整體掘進(jìn)區(qū)域粉塵濃度開啟離散相模型,并分別在掘進(jìn)機(jī)截割頭及左右鏟板位置加入粉塵源,計(jì)算出掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵濃度分布擴(kuò)散情況如圖8、圖9所示。從圖8、圖9中可以得到:(1)3個(gè)主要塵源附近區(qū)域粉塵濃度較高,其中截割頭附近區(qū)域粉塵濃度最高值達(dá)到4000mg/m3左右;而左右鏟板附近區(qū)域粉塵濃度最大值也達(dá)到約2000mg/m3,在掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程中,左右鏟板處均有作業(yè)人員裝巖,因此,該區(qū)域的高濃度粉塵危害最大。(2)塵源處粉塵在右?guī)蛻覓祜L(fēng)筒射流流場的作用下往巷道后方擴(kuò)散,在擴(kuò)散過程中,掘進(jìn)機(jī)機(jī)身以及皮帶等現(xiàn)場設(shè)備對粉塵顆粒的碰撞、捕捉等作用,使得大量的粉塵顆粒沉降下來,在掘進(jìn)巷道內(nèi)形成了第一道降塵屏障。(3)在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身至掌子面之間的區(qū)域,由于掘進(jìn)機(jī)的阻擋作用,以及在現(xiàn)有風(fēng)速條件下,風(fēng)筒有效射程約7.2m,有效射程外的粉塵受風(fēng)流流場作用做漩渦擾動(dòng),不能迅速排除,導(dǎo)致這一區(qū)域粉塵濃度持續(xù)較高,因此,降低這一區(qū)域的高濃度粉塵,是掘進(jìn)巷道降塵工作的重中之重。2.3.2附壁風(fēng)筒邊界層在掘進(jìn)巷道壓入式風(fēng)筒前端安裝附壁風(fēng)筒,并在橋式皮帶上安裝除塵器,風(fēng)流流場及風(fēng)向分布如圖10,圖11所示。從圖10、圖11中可以看出:(1)在附壁風(fēng)筒出風(fēng)狹縫以及除塵器3個(gè)吸風(fēng)口的作用下,掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)流方向及流場分布與未安裝時(shí)有較大的不同。附壁風(fēng)筒前端的錐形出風(fēng)口流出的少量風(fēng)流,能在掌子面前端形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)渦流,及時(shí)地排出積聚在掌子面附近區(qū)域的瓦斯及粉塵顆粒。(2)附壁風(fēng)筒狹縫的大量風(fēng)流在巷道斷面的影響下,在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前區(qū)域形成一道逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的風(fēng)墻,能有效地阻止塵源處的大量粉塵顆粒向掘進(jìn)機(jī)司機(jī)后方擴(kuò)散;3個(gè)吸風(fēng)口處形成了有效的負(fù)壓區(qū)域,將掘進(jìn)機(jī)至掌子面之間區(qū)域的風(fēng)流抽走,避免在該區(qū)域內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)渦流,保證該區(qū)域內(nèi)積聚粉塵能迅速有效地排出。(3)附壁風(fēng)筒將壓入式風(fēng)筒內(nèi)高速風(fēng)流轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的低速風(fēng)流,使得掘進(jìn)機(jī)后面區(qū)域內(nèi)風(fēng)流流場分布較為均勻,徹底地改善了之前左側(cè)區(qū)域風(fēng)流流場穩(wěn)定,而右側(cè)區(qū)域通風(fēng)效果較差的狀況。2.4式風(fēng)筒顯成效基于已計(jì)算的風(fēng)流流場數(shù)據(jù),打開離散相模型,并加入與未安裝防塵設(shè)備時(shí)等量的粉塵源,計(jì)算得出掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵濃度分布擴(kuò)散情況如圖12、圖13。從圖12、圖13中可以看出:(1)加入除塵器后,在不改變原有壓入式風(fēng)筒風(fēng)量的條件下,有效射程有了提高,有效射程外的粉塵漩渦擾動(dòng)現(xiàn)象明顯減弱。(2)加入附壁風(fēng)筒后,在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前端形成的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)風(fēng)墻,阻礙了粉塵顆粒向巷道后方擴(kuò)散,大部分粉塵顆粒受到旋轉(zhuǎn)風(fēng)墻的影響,被較好地封閉在該區(qū)域內(nèi),且由于附壁風(fēng)筒將高速射流轉(zhuǎn)化為低速風(fēng)墻,也減小了被風(fēng)流吹起的二次塵源數(shù)量。(3)掘進(jìn)巷道安裝除塵器后,含塵風(fēng)流被除塵器大量抽走,粉塵擴(kuò)散數(shù)量大幅度降低,從源頭上實(shí)現(xiàn)了對粉塵濃度的控制。(4)除塵器出口附近粉塵濃度較之后方濃度值高,這是由于含塵氣流經(jīng)過除塵器后存在少量的粉塵逸出,從而在除塵器出風(fēng)口附近區(qū)域形成了二次塵源,但此時(shí)濃度值已經(jīng)處于一個(gè)較低的水平,可以忽略不計(jì)。3fluent模型建立的受比對薛村礦南翼皮帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面通風(fēng)除塵方式進(jìn)行了粉塵測定分析,分別模擬了無任何防降塵措施時(shí)及安裝附壁風(fēng)筒、除塵器時(shí)兩種情況下巷道流場和粉塵濃度場及濃度的分布變化規(guī)律。(1)針對掘進(jìn)巷道內(nèi)的實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?用Gambit建立掘進(jìn)巷道幾何模型并劃分計(jì)算網(wǎng)格,在FLUENT中設(shè)定數(shù)值模擬的邊界條件,通過模擬得出了掘進(jìn)巷道中粉塵運(yùn)動(dòng)和濃度分布的規(guī)律。(2)從粉塵濃度變化來看,巷道各個(gè)位置,加入附壁風(fēng)筒及旋流除塵器后比不加時(shí)的除塵效果顯著。從粉塵濃度三維空間分布來看,在有除塵