綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用課件

綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用兗州煤業(yè)股份有限公司山東科技大學(xué)2007.11.3綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用兗州煤業(yè)股份有限公司20

1課題的提出及意義

2局部通風(fēng)系統(tǒng)的研究

3采用封閉式控塵系統(tǒng)的掘進(jìn)工作面流場(chǎng)

規(guī)律研究

4噴霧降塵技術(shù)研究

5封閉式控塵技術(shù)在綜掘工作面的應(yīng)用

6結(jié)論1課題的提出及意義

2局部通風(fēng)系統(tǒng)的研究

3采用封（1）綜掘技術(shù)在提高巷道掘進(jìn)進(jìn)尺的同時(shí)也導(dǎo)致掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量大和粉塵產(chǎn)生量高，從而間接給礦井的粉塵防治工作帶來(lái)了一定的困難。

（2）綜掘巷道的設(shè)計(jì)和掘進(jìn)長(zhǎng)度一般在1000m以上，這樣多造成獨(dú)頭長(zhǎng)距離通風(fēng)的現(xiàn)象，這也就導(dǎo)致風(fēng)筒出口的有效風(fēng)量減少，出口風(fēng)速小，尤其是在風(fēng)流的速度低于0.5m/s時(shí)，巷道的局部將會(huì)出現(xiàn)瓦斯、粉塵積聚。

（3）煤礦粉塵因其自身的理化特性，導(dǎo)致其在具有爆炸危險(xiǎn)性的同時(shí)，還具有降低精密設(shè)備使用壽命、降低現(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn)度、容易自燃以及導(dǎo)致長(zhǎng)期接塵人員患職業(yè)?。▔m肺?。?。

（4）據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在不采用綜合防塵措施情況下，機(jī)掘工作面的粉塵濃度為2000~3000mg/m3，個(gè)別高達(dá)6000mg/m3左右，不難看出，機(jī)掘防塵是礦井綜合防塵極為關(guān)鍵重要的一環(huán)。

1課題的提出及意義（1）綜掘技術(shù)在提高巷道掘進(jìn)進(jìn)尺的同時(shí)也導(dǎo)致掘進(jìn)巷兗州煤業(yè)股份有限公司下屬的各大型礦井為了保證采煤工作面的正常銜接，長(zhǎng)期以來(lái)從技術(shù)、生產(chǎn)組織、生產(chǎn)工藝等多方面采取措施、以全面提高順槽工作面的綜掘水平，綜掘工作取得一定成績(jī)和效果，巷道掘進(jìn)的月平均進(jìn)尺達(dá)到400～500m左右。

在掘進(jìn)水平提高的同時(shí)，掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)的粉塵防治技術(shù)并未隨之提高，現(xiàn)場(chǎng)粉塵危害仍然十分嚴(yán)重。因此，為了保障安全、高效掘進(jìn)，就必須解決綜掘工作面粉塵濃度高的問(wèn)題，兗州煤業(yè)股份有限公司和山東科技大學(xué)共同承擔(dān)進(jìn)行了綜掘工作面封閉式控塵技術(shù)的研究。

該項(xiàng)目研究并提出了封閉掘進(jìn)工作面回風(fēng)斷面、采用綜掘機(jī)內(nèi)噴霧并充分發(fā)揮其作用、采用高效抽出式除塵風(fēng)機(jī)以及合理布置抽出式風(fēng)筒的吸風(fēng)口的位置、加強(qiáng)轉(zhuǎn)載點(diǎn)、風(fēng)筒重疊段等區(qū)域的降塵的綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的控塵技術(shù)。兗州煤業(yè)股份有限公司下屬的各大型礦井為了保證采2.1局部通風(fēng)方式的確定

2.2掘進(jìn)工作面需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)選型

2.3

局部通風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)的研究

2.4

除塵風(fēng)機(jī)的選型

2.5風(fēng)筒選型

2.6通風(fēng)系統(tǒng)

2局部通風(fēng)系統(tǒng)的研究2.1局部通風(fēng)方式的確定

2.2掘進(jìn)工作面需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)選目前，綜掘工作面的局部通風(fēng)方法有：?jiǎn)纬槌鍪?、長(zhǎng)抽短壓、長(zhǎng)壓短抽和長(zhǎng)抽長(zhǎng)壓式通風(fēng)方法。這四種通風(fēng)方法對(duì)于治理綜掘工作面瓦斯、煤塵各有利弊。2.1

局部通風(fēng)方式的確定目前，綜掘工作面的局部通風(fēng)方法有：?jiǎn)纬槌鍪?、長(zhǎng)由于受到我國(guó)除塵風(fēng)機(jī)功率小、國(guó)外大型抽出式風(fēng)機(jī)（體積大、質(zhì)量大）不適合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀，因此，第一和第二種通風(fēng)方式還不能滿足綜掘機(jī)掘進(jìn)通風(fēng)的需要。而采用第四種通風(fēng)方式時(shí)，整個(gè)巷道全部處在風(fēng)筒重疊段，容易產(chǎn)生微風(fēng)，造成瓦斯積聚，且管理困難。為此考慮我國(guó)目前的掘進(jìn)通風(fēng)現(xiàn)狀，只有選擇第三種通風(fēng)方式——長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)方式來(lái)解決綜掘機(jī)掘進(jìn)通風(fēng)問(wèn)題，其關(guān)鍵是選擇高效、可靠的除塵風(fēng)機(jī)和確定壓入式通風(fēng)機(jī)的有效通風(fēng)距離。由于受到我國(guó)除塵風(fēng)機(jī)功率小、國(guó)外大型抽出式風(fēng)機(jī)根據(jù)集團(tuán)公司的配風(fēng)細(xì)則：每個(gè)獨(dú)立通風(fēng)的掘進(jìn)工作面實(shí)際需要的風(fēng)量，應(yīng)按巷道斷面、瓦斯或二氧化碳涌出量、局部通風(fēng)機(jī)實(shí)際吸風(fēng)量、風(fēng)速和人數(shù)等規(guī)定要求分別進(jìn)行計(jì)算，并必須采取其中最大值。根據(jù)有關(guān)計(jì)算公式可確定掘進(jìn)工作面需風(fēng)量為252m3/min。

考慮掘進(jìn)面需風(fēng)量以及風(fēng)筒、管理等因素對(duì)局部通風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選定DKJ—No.5.6對(duì)旋軸流式局部通風(fēng)機(jī)作為軌道順槽掘進(jìn)工作面的壓入式風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)為：

型號(hào)：DKJ—No.5.6對(duì)旋軸流式局部通風(fēng)機(jī)；

風(fēng)機(jī)風(fēng)量：180~350m3/min；全風(fēng)壓：700～5200Pa；

全壓效率：≥80%；功率：18.5KW×2；2.2

掘進(jìn)工作面需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)選型根據(jù)集團(tuán)公司的配風(fēng)細(xì)則：每個(gè)獨(dú)立通風(fēng)的掘進(jìn)工考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及《煤礦安全規(guī)程》第一百零一條有關(guān)規(guī)定，將5306掘進(jìn)面的局部通風(fēng)機(jī)放置在5306四號(hào)聯(lián)的新鮮風(fēng)流處，且距回風(fēng)口不小于10m；5305掘進(jìn)面局部通風(fēng)機(jī)安設(shè)在五采一軌上部的新鮮風(fēng)流處，且距回風(fēng)口不小于10m。2.3

局部通風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)的研究2.4

除塵風(fēng)機(jī)的選型根據(jù)國(guó)內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料，目前我國(guó)綜掘使用的除塵器主要有以下幾種：濕式旋流除塵器、SCF-6型濕式除塵風(fēng)機(jī)，KGC-Ⅲ型掘進(jìn)機(jī)除塵器，PSCF-Ⅱ型水射流除塵風(fēng)機(jī)，ZZJC-Ⅱ-B型濕式振弦除塵器等。根據(jù)目前我國(guó)煤礦綜掘工作面目前使用的除塵器的特點(diǎn)，結(jié)合鮑店煤礦S-150綜掘機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，確定選用除塵效果較好的重慶兆魏礦山機(jī)電設(shè)備公司生產(chǎn)的KCS-300濕式旋流除塵器?？紤]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及《煤礦安全規(guī)程》第一百零KCS-300型除塵器結(jié)構(gòu)示意圖KCS-300型除塵器結(jié)構(gòu)示意圖除塵風(fēng)機(jī)除塵的作用過(guò)程為：利用風(fēng)機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在進(jìn)風(fēng)窗及兩筒口形成負(fù)壓區(qū)，將周?chē)諝膺B同綜掘機(jī)截割煤壁時(shí)所產(chǎn)生的粉塵全部吸入負(fù)壓風(fēng)筒內(nèi)，然后進(jìn)入除塵風(fēng)機(jī)并與噴霧相遇，含塵氣流通過(guò)沖突網(wǎng)（一般由5層10目銅網(wǎng)組成，阻力為1.96~2.45kPa），此時(shí)，含塵氣流被噴嘴噴射形成的水霧所濕潤(rùn)，一部分粉塵凝聚沉降，未凝聚部分粉塵濕潤(rùn)后再進(jìn)入風(fēng)機(jī)，固定在葉輪上的發(fā)霧盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)，將水流分散成更加細(xì)小的霧滴，并與含塵氣流進(jìn)一步混合，使粉塵進(jìn)一步濕潤(rùn)和凝聚。風(fēng)流自風(fēng)機(jī)出來(lái)后，在葉輪旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，進(jìn)入脫水器，水滴及濕潤(rùn)的粉塵被水環(huán)阻擋而流至脫水槽中，而風(fēng)流則經(jīng)導(dǎo)流器排出除塵風(fēng)機(jī)。

因此，濕式旋流除塵風(fēng)機(jī)的除塵原理比較復(fù)雜，牽涉到噴霧捕集粉塵、物理過(guò)濾、粉塵旋流運(yùn)動(dòng)等多種原理，概括而言，其機(jī)理主要包括濕式除塵（噴霧降塵）部分和旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)兩部分。除塵風(fēng)機(jī)除塵的作用過(guò)程為：利用風(fēng)機(jī)葉輪高速旋噴霧降塵機(jī)理研究

旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)理論研究

噴霧降塵機(jī)理研究

旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)理論研究

KCS-300濕式旋流除塵風(fēng)機(jī)，長(zhǎng)度為1900mm，寬度700mm，高度1300mm，若將其放置在伸縮皮帶機(jī)的一側(cè)，則影響輔助運(yùn)料的工作；因除塵風(fēng)機(jī)體積比較大，重量重，頻繁搬運(yùn)不方便；而伸縮皮帶機(jī)的機(jī)尾（機(jī)尾高度717mm），再考慮一定的過(guò)煤空間，機(jī)尾高度在1000mm，將除塵風(fēng)機(jī)放在皮帶承載段上，既不影響輔助運(yùn)輸通道，又可隨著機(jī)尾向前延伸而移動(dòng)，沒(méi)有增加額外的工作量，因此綜合考慮將除塵風(fēng)機(jī)安裝在皮帶承載段上?，F(xiàn)場(chǎng)安裝形式如下圖所示。

KCS-300濕式旋流除塵風(fēng)機(jī)，長(zhǎng)度為1900根據(jù)相似理論，在將工作面風(fēng)流簡(jiǎn)化為定常流動(dòng)，忽略掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)和煤炭運(yùn)輸時(shí)對(duì)掘進(jìn)迎頭風(fēng)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用，假定塵源產(chǎn)塵量穩(wěn)定、巷道內(nèi)溫度、壓力恒定，按照模型：實(shí)際=1：10的比例建立模型巷道中進(jìn)行粉塵分布試驗(yàn)來(lái)確定掘進(jìn)迎頭斷面上的粉塵分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下圖所示。

實(shí)際布置時(shí)，抽出式除塵風(fēng)筒的吸風(fēng)口下端距底板高度為1.0m，抽出式除塵風(fēng)筒的吸風(fēng)口上端距底板高度為1.7m，吸風(fēng)口前端距掘進(jìn)工作面迎頭的距離為2.5m。根據(jù)相似理論，在將工作面風(fēng)流簡(jiǎn)化為定常流動(dòng)，忽風(fēng)筒的選型根據(jù)巷道斷面面積來(lái)確定最小風(fēng)筒直徑。

由于掘進(jìn)工作面的斷面S為14.26m2，故選風(fēng)筒直徑為800mm，壓入式風(fēng)筒材質(zhì)選擇為橡膠涂覆布，5306軌順掘進(jìn)面的抽出式風(fēng)筒材質(zhì)為橡膠涂覆布，由于布質(zhì)抽出式風(fēng)筒容易被快煤磨損，因此，將抽出式風(fēng)筒的材質(zhì)進(jìn)行了改進(jìn)，采用新型塑鋼材料做抽出式風(fēng)筒，并在5305切眼、軌順掘進(jìn)面進(jìn)行了應(yīng)用，亦即該面的抽出式風(fēng)筒材質(zhì)為塑鋼。2.5

風(fēng)筒選型2.6通風(fēng)系統(tǒng)封閉式控塵的通風(fēng)系統(tǒng)如下圖所示。風(fēng)筒的選型根據(jù)巷道斷面面積來(lái)確定最小風(fēng)筒直徑改進(jìn)前（5306軌順掘進(jìn)面）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置示意圖改進(jìn)后（53052切眼、軌順掘進(jìn)面）空氣風(fēng)幕布置示意圖改進(jìn)前（5306軌順掘進(jìn)面）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置示意圖改進(jìn)后（5303采用封閉式控塵系統(tǒng)的掘進(jìn)工作面流場(chǎng)規(guī)律研究3.1封閉式控塵系統(tǒng)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的理論分析

3.2封閉式控塵系統(tǒng)流場(chǎng)模擬分析

3.3單一壓抽混合式系統(tǒng)粉塵分布情況模擬

3采用封閉式控塵系統(tǒng)的掘進(jìn)工作面流場(chǎng)規(guī)律研究3.1封閉式掘進(jìn)頭風(fēng)流的流動(dòng)和流場(chǎng)分布直接影響到風(fēng)流和工作面瓦斯、粉塵的質(zhì)量交換過(guò)程，也影響到工作面粉塵的分布。

為了準(zhǔn)確掌握綜掘工作面風(fēng)速分布狀況和研究煤塵分布的規(guī)律，就必要進(jìn)一步對(duì)局部通風(fēng)掘進(jìn)工作面的風(fēng)流分布進(jìn)行探討。本課題采用三維k-ε紊流模型來(lái)描述壓入式局部通風(fēng)工作面風(fēng)流的流動(dòng)過(guò)程；用計(jì)算流體力學(xué)的方法求得了三維k-ε紊流模型的數(shù)值解，應(yīng)用控制容積法導(dǎo)出了描述流體流動(dòng)方程的離散化方程式，采用SIMPLE（壓力耦合方程式的半陰解法）算法解算流場(chǎng)，TDMA（三對(duì)角線算法）和Gauss-Seidel法結(jié)合通過(guò)線順?lè)ㄇ蠼怆x散方程，利用弱松弛法防止非線性方程組迭代求解過(guò)程中的發(fā)散現(xiàn)象，獲得了掘進(jìn)工作面空間的速度分布規(guī)律和粉塵分布規(guī)律。3.1封閉式控塵系統(tǒng)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的理論分析掘進(jìn)頭風(fēng)流的流動(dòng)和流場(chǎng)分布直接影響到風(fēng)流和工作局部通風(fēng)工作面紊流風(fēng)流的高Reynolds數(shù)k-ε模型的支配方程包括：描述流體壓力p的質(zhì)量守恒或連續(xù)性方程、速度分量u，v和w的Navier-Stocks方程、紊流能量k方程和耗散率ε方程，共6個(gè)方程。局部通風(fēng)工作面紊流風(fēng)流的高Reynolds數(shù)k控制容積法的基本原理是將計(jì)算領(lǐng)域分成一系列互不重疊的容積單元，每一個(gè)容積單元包含一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。將基本物理原理應(yīng)用于控制容積單元和穿過(guò)單元表面的流體。應(yīng)用控制容積模型，分析只集中在每一個(gè)容積單元上。根據(jù)基本物理原理直接在一個(gè)微小容積單元進(jìn)行積分以獲得流體的流動(dòng)方程，單元體如下圖所示?？刂迫莘e法的基本原理是將計(jì)算領(lǐng)域分成一系列互不重疊

SIMPLE算法被用來(lái)解算流場(chǎng)。TDMA和Gauss－Seidel法結(jié)合，通過(guò)線順?lè)ㄇ蠼怆x散方程。弱松弛法被用來(lái)防止非線性方程組迭代求解過(guò)程中的發(fā)散現(xiàn)象。SIMPLE算法解算流場(chǎng)的計(jì)算步驟如下：

（1）假設(shè)一個(gè)壓力場(chǎng)；

（2）解算方程，求解在假設(shè)壓力場(chǎng)下的近似速度分布；

（3）求解壓力補(bǔ)正值，對(duì)假設(shè)壓力場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)正；

（4）求解速度矯正值，速度場(chǎng)矯正；

（5）求解紊流能量k和耗散率ε；

（6）將經(jīng)過(guò)補(bǔ)正的壓力場(chǎng)作為新的假設(shè)壓力場(chǎng)，返回第二步，重復(fù)（2）~

（6），直至達(dá)到滿意精度。SIMPLE算法被用來(lái)解算流場(chǎng)。TDMA和根據(jù)上述理論和計(jì)算方法，用Fortran語(yǔ)言編制了模擬解算綜掘工作面風(fēng)流流場(chǎng)的計(jì)算程序。綜掘工作面按實(shí)際尺寸選取，壓入式風(fēng)筒出口距離工作面迎頭距離為12.5m，出口平均風(fēng)速為12.9m/s，抽出式風(fēng)筒距離工作面迎頭距離為2.5m，抽出式風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)速12.8m/s，工作面斷面形狀如下圖所示。在掘進(jìn)切割滾筒轉(zhuǎn)速為23r/min、30r/min、35r/min、40r/min，抽出式風(fēng)筒距迎頭2.5m，壓入式風(fēng)筒距迎頭12.5m，擋塵簾距迎頭3m的情況下，對(duì)掘進(jìn)工作面的風(fēng)流分布場(chǎng)、粉塵分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬解算。3.2

封閉式控塵流場(chǎng)模擬分析根據(jù)上述理論和計(jì)算方法，用Fortran語(yǔ)言編掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速為23r/min時(shí)掘進(jìn)工作面的風(fēng)流場(chǎng)分布情況掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速為23r/min時(shí)掘進(jìn)工作面的風(fēng)流場(chǎng)分布情況通過(guò)對(duì)模擬解算得到的不同截割速度下現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)流場(chǎng)情況可見(jiàn)，掘進(jìn)工作面的風(fēng)流場(chǎng)并不會(huì)隨著掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度的變化而有太大變化，即使發(fā)生變化，變化部分也主要位于掘進(jìn)迎頭處，亦即擋塵簾前方（掘進(jìn)迎頭后方3m左右的空間）處變化幅度較大。從上述圖形可知，在使用擋塵簾的情況下，擋塵簾前方掘進(jìn)工作面的風(fēng)流場(chǎng)分布是一個(gè)由小到大分布，在擋塵簾后則是一個(gè)由大到小再由小到大的分布情況。從模擬解算的結(jié)果來(lái)看，掘進(jìn)工作面的風(fēng)流場(chǎng)情況基本穩(wěn)定，無(wú)太大變化。因此，在上述研究方案提出的供風(fēng)量和抽出式風(fēng)量下，掘進(jìn)工作面不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)流場(chǎng)紊亂情況。通過(guò)對(duì)模擬解算得到的不同截割速度下現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)流掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速為23r/min時(shí)掘進(jìn)工作面的粉塵場(chǎng)分布情況掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速為23r/min時(shí)掘進(jìn)工作面的粉塵場(chǎng)分布情況在掘進(jìn)機(jī)切割滾筒轉(zhuǎn)速分別為23r/min、30r/min、35r/min、40r/min時(shí)，由于使用擋塵簾的原因，在擋塵簾前后的粉塵分布差異較大。隨著掘進(jìn)機(jī)截割速度的提高，現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度相應(yīng)增加。

從現(xiàn)場(chǎng)粉塵分布圖中可見(jiàn)，40r/min時(shí)的粉塵增加絕對(duì)量并不是很大。而掘進(jìn)機(jī)的規(guī)定轉(zhuǎn)速在23~46r/min之間，因此，從保證掘進(jìn)速度、保護(hù)掘進(jìn)設(shè)備以及掘進(jìn)工作面的粉塵產(chǎn)生量三個(gè)方面綜合考慮，掘進(jìn)機(jī)的切割滾筒轉(zhuǎn)速選擇在40r/min左右時(shí)比較合適。在掘進(jìn)機(jī)切割滾筒轉(zhuǎn)速分別為23r/min、3根據(jù)上述理論及模型，在同樣的條件下，針對(duì)不采取封閉式控塵系統(tǒng)、在掘進(jìn)機(jī)的切割滾筒轉(zhuǎn)速為40r/min時(shí)，對(duì)掘進(jìn)迎頭現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度分布情況進(jìn)行了模擬，模擬圖形如圖所示。3.3單一壓抽混合式系統(tǒng)粉塵分布情況模擬掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速為40r/min時(shí)掘進(jìn)工作面的粉塵場(chǎng)分布情況（不采取封閉式控塵系統(tǒng)）根據(jù)上述理論及模型，在同樣的條件下，針對(duì)不采取與同樣轉(zhuǎn)速但采取了封閉式控塵系統(tǒng)的模擬情況比較可知，采取了封閉式控塵系統(tǒng)后，掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵大部分被限制在掘進(jìn)迎頭與封閉（擋塵簾或空氣風(fēng)幕）之間的狹窄空間中，而在封閉（擋塵簾或空氣風(fēng)幕）之后部分（如掘進(jìn)機(jī)司機(jī)作業(yè)處）的粉塵濃度較不采取封閉式控塵系統(tǒng)有了較大的減少，這就極大地保護(hù)了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的職業(yè)安全與健康。此外，粉塵在封閉前方的大量積聚也有利于提高抽出式風(fēng)機(jī)的除塵效率，增加了抽出式除塵風(fēng)機(jī)的有用功。與同樣轉(zhuǎn)速但采取了封閉式控塵系統(tǒng)的模擬情況比4噴霧降塵技術(shù)研究4.1噴霧霧化及影響參數(shù)

4.2霧滴及塵粒運(yùn)動(dòng)的研究

4.3噴霧裝置的選擇及布置方式確定

4噴霧降塵技術(shù)研究4.1噴霧霧化及影響參數(shù)

4.2霧用高壓射流噴霧（＞2MPa）時(shí)，從噴嘴噴出的高速水流經(jīng)過(guò)很短的距離就分散成霧滴并在它之后形成一股氣流。這股氣流具有卷吸作用，能把含塵氣流卷吸入霧滴區(qū)內(nèi)。當(dāng)壓力達(dá)到6MPa時(shí)就具有較強(qiáng)的卷吸作用，一旦超過(guò)10MPa時(shí)卷吸作用就十分強(qiáng)烈。霧滴在射流全長(zhǎng)上的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)了沉降速度，不出現(xiàn)低壓噴霧時(shí)明顯的衰減區(qū)。4.1噴霧霧化及影響參數(shù)不同壓力下噴霧示意圖用高壓射流噴霧（＞2MPa）時(shí)，從噴嘴噴出的高根據(jù)霧化理論，影響霧滴直徑的因素主要有：（1）液體的參數(shù)：溫度、壓力、流量、速度、用量、表面張力、密度等；（2）液束的結(jié)構(gòu)參數(shù)：長(zhǎng)度、直徑等；（3）噴嘴的參數(shù)：噴嘴霧化類(lèi)型、噴嘴結(jié)構(gòu)、噴嘴材質(zhì)、內(nèi)部光滑度等。如用無(wú)因次方程可表示如下：

d=f(ν，t，P，V，W，d，we，ρ，M，C……)

式中：ν—液體的粘度；

t—液體的溫度；

P—液體的壓力；

V—液體的流量；

W—體的速度；

d—噴嘴的孔徑；

M—噴嘴的類(lèi)型（如機(jī)械式霧化、超聲霧化等）；

C—噴嘴的材質(zhì)。

根據(jù)霧化理論，影響霧滴直徑的因素主要有：（1）從理論上來(lái)講，霧滴的形成過(guò)程、霧滴（塵粒）在風(fēng)流中的運(yùn)動(dòng)以及霧滴捕捉塵粒的運(yùn)動(dòng)是極其復(fù)雜的，這主要是由于：霧滴（塵粒）的幾何形狀復(fù)雜（多為非球形不規(guī)則的形狀）；運(yùn)動(dòng)中受到多種力的作用（如自身重力、空氣浮力、氣動(dòng)阻力、壓強(qiáng)梯度力、附加質(zhì)量力、瑪格努斯效應(yīng)等）；工作面大型設(shè)備多，尤其是支架支柱的阻擋作用導(dǎo)致工作面流場(chǎng)情況復(fù)雜。為了建立簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，研究中引入下述假設(shè)：

（1）假設(shè)霧滴（塵粒）是球形顆粒；

（2）假設(shè)霧滴（塵粒）自身無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，忽略瑪格努斯效應(yīng)；假設(shè)整個(gè)流場(chǎng)中溫度、壓強(qiáng)處處相等，不存在溫度梯度和壓強(qiáng)梯度；忽略附加質(zhì)量力、巴塞特力和薩夫曼升力等高階小力；

（3）忽略擴(kuò)散對(duì)霧滴（塵粒）運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響，風(fēng)流沿霧滴（塵粒）運(yùn)動(dòng)主流方向取平均風(fēng)速。

4.2霧滴及塵粒運(yùn)動(dòng)的研究從理論上來(lái)講，霧滴的形成過(guò)程、霧滴（塵粒）在風(fēng)忽略入水動(dòng)能以及出水口壓力能，則可得噴霧液滴的初始速度為：

在考慮流量系數(shù)的基礎(chǔ)上可以得到噴嘴的流量：

霧滴在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于流體（空氣和霧滴的二元混合物）中各組分的濃度不一致，則必然發(fā)生傳熱和傳質(zhì)（質(zhì)交換），亦即球形霧滴會(huì)在風(fēng)流的作用下發(fā)生蒸發(fā)、擴(kuò)散等現(xiàn)象。根據(jù)傳熱傳質(zhì)學(xué)理論可得標(biāo)態(tài)下某粒徑液滴在空氣中的存活時(shí)間為：

忽略入水動(dòng)能以及出水口壓力能，則可得噴霧液滴考慮粘性流動(dòng)，可以得到流體的流動(dòng)方程：煤塵截留機(jī)理中煤塵在流場(chǎng)中變速運(yùn)動(dòng)的近似描述：考慮粘性流動(dòng)，可以得到流體的流動(dòng)方程：在3MPa壓力下，對(duì)不同孔徑的噴嘴測(cè)定了其噴嘴中心線處的霧場(chǎng)粒徑分布情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下圖所示。

4.3噴霧裝置的選擇及布置方式確定

圖13MPa噴嘴中心線處指標(biāo)參數(shù)示意圖

圖23MPa噴嘴中心線處粒徑分布情況圖在3MPa壓力下，對(duì)不同孔徑的噴嘴測(cè)定了其噴嘴綜合考慮粉塵產(chǎn)生源在空間和時(shí)間上的擴(kuò)散規(guī)律，以及工人接觸粉塵情況的代表性，現(xiàn)場(chǎng)的粉塵采樣點(diǎn)應(yīng)根據(jù)作業(yè)流程和工人操作方法確定。根據(jù)掘進(jìn)工藝、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB5748-85、MT79-84）確定掘進(jìn)工作面的粉塵采樣點(diǎn)布置如下圖所示：綜合考慮粉塵產(chǎn)生源在空間和時(shí)間上的擴(kuò)散規(guī)律，從上圖可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)粉塵的組成中占整個(gè)工作面空間粒徑百分比數(shù)最大的是2~5μm的粉塵顆粒，其平均值為35.4%；而小粒徑顆粒（＜2μm）所占百分比的平均值為33.8%，僅次于2~5μm的粉塵顆粒所占的百分比；再次是5~10μm的粉塵顆粒，其平均值為20.5%；最后是大于10μm的粉塵顆粒，其平均值為10.3%。從計(jì)算數(shù)據(jù)可知，小于5μm的粉塵顆粒所占全部顆粒百分比的平均值為69.2%

在上述試驗(yàn)（噴嘴噴霧霧場(chǎng)粒徑分布、現(xiàn)場(chǎng)粉塵分散度情況）分析的基礎(chǔ)上，選定1.5mm孔徑的不銹鋼噴嘴作為轉(zhuǎn)載噴霧和風(fēng)流凈化水幕所用的噴霧降塵噴嘴。從上圖可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)粉塵的組成中占整個(gè)工作面空間5.1封閉式控塵技術(shù)（改進(jìn)前）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效

果分析

5.2封閉式控塵技術(shù)（改進(jìn)后）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效

果分析

5.3改進(jìn)前后兩種封閉式除塵系統(tǒng)方案比較

5封閉式控塵技術(shù)在綜掘工作面的應(yīng)用5.1封閉式控塵技術(shù)（改進(jìn)前）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效

果分

5306②軌道順槽掘進(jìn)工作面主要用于5306工作面通風(fēng)、行人及生產(chǎn)，跟底板掘進(jìn)，5306②軌道順槽斷面形狀為矩形，斷面面積為14.26m2，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為464m，服務(wù)年限為1年。該掘進(jìn)工作面自2007年3月份開(kāi)工，2007年5月份竣工。

5306工作面回采的煤層為山西組3層煤。厚度7.80~8.90/8.46m，煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬半暗~半亮型煤，具條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。工作面內(nèi)煤層傾角2o~10o，一般為6o左右。煤層瓦斯相對(duì)涌出量為1.879m3/t，瓦斯絕對(duì)涌出量為0.151m3/min；二氧化碳相對(duì)涌出量為5.172m3/t，二氧化碳絕對(duì)涌出量為0.417m3/min，根據(jù)瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果，礦井屬低瓦斯礦井。煤塵具有爆炸危險(xiǎn)，爆炸指數(shù)38.26％～42.16％。煤層自然發(fā)火期為3～6個(gè)月。5.1封閉式控塵技術(shù)（改進(jìn)前）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

效果分析5306②軌道順槽掘進(jìn)工作面主要用于530壓入式局部通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)序號(hào)A-A斷面風(fēng)速（m/min）B-B斷面風(fēng)速（m/min）C-C斷面風(fēng)速（m/min）風(fēng)筒長(zhǎng)度（m）壓差計(jì)數(shù)值（Pa）風(fēng)筒距迎頭距離（m）備注1點(diǎn)2點(diǎn)147.581827390132238212248.102230450134039011347.022029520133236012抽出式局部通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)序號(hào)出口斷面風(fēng)速（m/min）重合段風(fēng)速（m/min）重合段長(zhǎng)度（m）風(fēng)筒距迎頭長(zhǎng)（m）壓差計(jì)數(shù)值（Pa）風(fēng)筒長(zhǎng)度（m）備注①點(diǎn)②點(diǎn)113.09.7142.583268525212.89.5152.584071525313.610.1152.582869025表5.25306②軌順掘進(jìn)面通風(fēng)參數(shù)數(shù)據(jù)表5.35306②軌順掘進(jìn)面粉塵數(shù)據(jù)除塵風(fēng)機(jī)降塵效果測(cè)定運(yùn)行狀態(tài)掘進(jìn)面迎頭司機(jī)作業(yè)點(diǎn)轉(zhuǎn)載機(jī)尾處風(fēng)筒重合段中部測(cè)定日期全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵綜掘機(jī)噴霧開(kāi)603.0183.09028.06.72.36.02.14.14522.4173.17020.311.64.39.33.14.17437.3109.5123.341.323.312.718.26.04.20平均520.9155.294.429.913.96.411.23.7采用綜合防塵措施時(shí)降塵效果測(cè)定風(fēng)筒長(zhǎng)238.878.616.74.320.06.8103.04.14風(fēng)筒長(zhǎng)182.561.413.34.428.49.513.94.54.17風(fēng)筒長(zhǎng)253.682.326.710.525.38.411.84.14.20平均225.074.118.96.424.68.211.93.9掘進(jìn)面不采用防塵設(shè)施時(shí)的粉塵濃度數(shù)據(jù)1281380323.3103209.767.5283.5103.34.141077359285.195.1188.654.1204.775.94.161195398303.4105.6200.665.2275.496.14.20平均1184.3379.0303.9101.2199.662.3254.591.8壓入式局部通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)序號(hào)A-A斷面風(fēng)速（m/min）B-根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到表5.4

表5.4擋塵簾封閉斷面時(shí)不同防塵方案的降塵效率比較

測(cè)點(diǎn)位置

數(shù)防塵方案

據(jù)掘進(jìn)面迎頭司機(jī)作業(yè)點(diǎn)轉(zhuǎn)載機(jī)尾處風(fēng)筒重合段中部平均全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵除塵風(fēng)機(jī)開(kāi)啟56.0%59.1%68.9%70.5%93.1%89.7%95.6%95.9%78.6%采用綜合除塵措施81.0%80.4%93.8%93.7%87.7%86.8%95.3%95.8%89.3%從上表可見(jiàn)，采用綜合除塵措施，亦即采用擋塵簾裝置的同時(shí)開(kāi)啟除塵風(fēng)機(jī)，此時(shí)工作面現(xiàn)場(chǎng)的降塵效率較高，司機(jī)作業(yè)處、風(fēng)筒重合段中部的粉塵濃度（全塵和呼塵）的沉降效率最高達(dá)到了95.8%，如此高的粉塵沉降效率明顯降低了接塵最嚴(yán)重處——司機(jī)作業(yè)處人員患職業(yè)病危害的可能性。通過(guò)計(jì)算得到，整個(gè)工作面空間的粉塵平均沉降效率接近90%，比僅僅開(kāi)啟除塵風(fēng)機(jī)的防塵方案的效率要高十個(gè)百分點(diǎn)，這也表明本方案——采用綜合除塵措施在粉塵沉降方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到表5.4

5305②軌道順槽長(zhǎng)1562m，主要用于5305②工作面通風(fēng)、行人、安裝及生產(chǎn)，巷道服務(wù)年限2年。5305②切眼、軌順掘進(jìn)工作面采取跟底板掘進(jìn)方式掘進(jìn)，5305②切眼、軌順掘進(jìn)面斷面形狀為矩形，斷面面積為14.26m2，該面自2007年5月份開(kāi)工，2007年11月份竣工。

煤層瓦斯相對(duì)涌出量為1.879m3/t，瓦斯絕對(duì)涌出量為0.151m3/min，二氧化炭相對(duì)涌出量為5.172m3/t，二氧化碳絕對(duì)涌出量為0.417m3/min，根據(jù)礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果可知，該礦井為低瓦斯礦井；開(kāi)采煤層煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，煤塵爆炸指數(shù)38.26％～42.16％；煤層自然發(fā)火期為3～6個(gè)月。

5.2封閉式控塵技術(shù)（改進(jìn)后）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析5305②軌道順槽長(zhǎng)1562m，主要用于530表5.65305②軌順掘進(jìn)面通風(fēng)參數(shù)數(shù)據(jù)表5.75305②軌順掘進(jìn)面粉塵數(shù)據(jù)壓入式局部通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)序號(hào)A-A斷面風(fēng)速（m/min）B-B斷面風(fēng)速（m/min）C-C斷面風(fēng)速（m/min）風(fēng)筒長(zhǎng)度（m）風(fēng)筒距迎頭距離（m）備注148.302032.636012247.101932.242011347.902131.458012抽出式局部通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)序號(hào)出口斷面風(fēng)速（m/min）重合段風(fēng)速（m/min）重合段長(zhǎng)度（m）風(fēng)筒距迎頭距離（m）風(fēng)筒長(zhǎng)度（m）備注113.410.0152.525212.59.3152.525313.19.5152.525除塵風(fēng)機(jī)降塵效果測(cè)定運(yùn)行狀態(tài)掘進(jìn)面迎頭司機(jī)作業(yè)點(diǎn)轉(zhuǎn)載機(jī)尾處風(fēng)筒重合段中部測(cè)定日期全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵綜掘機(jī)噴霧開(kāi)632210.783.027.716.75.69.03.08.2548.4182.880.826.912.34.110.73.68.6510.2170.197.632.511.53.812.64.28.20平均563.5187.887.129.013.54.510.83.6采用封閉式防塵措施時(shí)降塵效果測(cè)定風(fēng)筒長(zhǎng)360m228.275.615.44.32210.511.83.58.2風(fēng)筒長(zhǎng)420m192.567.414.34.227.49.212.94.28.6風(fēng)筒長(zhǎng)580m243.780.319.77.524.98.111.74.78.20平均221.574.416.55.324.89.312.14.1掘進(jìn)面不采用防塵設(shè)施時(shí)的粉塵濃度數(shù)據(jù)1276391327.3107219.668.5285.8113.38.21173362279.191.2196.654.2214.276.28.61240.0389.0313.4115.6203.563.7278.385.18.20平均1229.7380.7306.6104.6206.662.1259.491.5表5.65305②軌順掘進(jìn)面通風(fēng)參數(shù)數(shù)據(jù)表5.7530根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到表5.8

表5.8擋塵簾封閉斷面時(shí)不同防塵方案的降塵效率比較從上表可見(jiàn)，采用封閉式除塵措施，亦即采用空氣風(fēng)幕裝置隔塵的同時(shí)開(kāi)啟除塵風(fēng)機(jī)、綜掘機(jī)內(nèi)外噴霧裝置，此時(shí)工作面現(xiàn)場(chǎng)的降塵效率較高，司機(jī)作業(yè)處、風(fēng)筒重合段中部的粉塵濃度（全塵和呼塵）的沉降效率最高達(dá)到了95.5%，如此高的粉塵沉降效率明顯降低了接塵最嚴(yán)重處——司機(jī)作業(yè)處人員患職業(yè)病危害的可能性，該處粉塵平均沉降效率為94.75%。通過(guò)計(jì)算得到，整個(gè)工作面空間的粉塵平均沉降效率接近90%，比僅僅開(kāi)啟除塵風(fēng)機(jī)的防塵方案的效率要高十二個(gè)百分點(diǎn)，這也表明本方案——采用封閉式控塵系統(tǒng)在粉塵沉降方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。

測(cè)點(diǎn)位置

數(shù)防塵方案

據(jù)掘進(jìn)面迎頭司機(jī)作業(yè)點(diǎn)轉(zhuǎn)載機(jī)尾處風(fēng)筒重合段中部平均全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵除塵風(fēng)機(jī)開(kāi)啟54.2%50.7%71.6%72.2%93.5%92.8%95.8%96.1%78.3%采用綜合除塵措施82.0%80.4%94.6%94.9%88.0%85.1%95.3%95.5%89.5%根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到表5.8

5.3改進(jìn)前后兩種封閉式除塵系統(tǒng)方案比較現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)過(guò)程中，分別對(duì)兩種封閉式除塵系統(tǒng)（利用擋塵簾封閉掘進(jìn)斷面、利用空氣風(fēng)幕封閉掘進(jìn)斷面）進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析如下表所示。

表5.9不同防塵方案的降塵效率比較

測(cè)點(diǎn)位置

數(shù)防塵方案

據(jù)掘進(jìn)面迎頭司機(jī)作業(yè)點(diǎn)轉(zhuǎn)載機(jī)尾處風(fēng)筒重合段中部平均全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵擋塵簾封閉控塵81.0%80.4%93.8%93.7%87.7%86.8%95.3%95.8%89.3%空氣風(fēng)幕封閉控塵82.0%80.4%94.6%94.9%88.0%85.1%95.3%95.5%89.5%從表5.9可見(jiàn)，采用空氣風(fēng)幕封閉控塵系統(tǒng)時(shí)，掘進(jìn)面迎頭、司機(jī)作業(yè)點(diǎn)、轉(zhuǎn)載機(jī)尾、風(fēng)筒重疊段處的粉塵沉降效率均要略高于采用擋塵簾封閉控塵系統(tǒng)的降塵效率。5.3改進(jìn)前后兩種封閉式除塵系統(tǒng)方案比較現(xiàn)場(chǎng)從此外，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，改進(jìn)后的封閉式除塵系統(tǒng)（采用空氣風(fēng)幕封閉掘進(jìn)斷面、塑鋼抽出式風(fēng)筒）較改進(jìn)前的封閉式除塵系統(tǒng)（采用擋塵簾封閉掘進(jìn)斷面、橡膠涂敷布抽出式風(fēng)筒）還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）抽出式風(fēng)筒使用周期長(zhǎng)。塑鋼風(fēng)筒則不易被吸入的大煤塊磨損破壞；

（2）設(shè)備布置簡(jiǎn)單、操作方便。擋塵簾封閉掘進(jìn)斷面時(shí)，擋塵簾材質(zhì)選用的是阻燃橡膠輸送皮帶，其體積大并且比較笨重，需要在掘進(jìn)機(jī)上增加小型液壓千斤頂來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)擋塵設(shè)施；而空氣風(fēng)幕則僅需要將壓風(fēng)管路連接至風(fēng)噴嘴，減少了不必要的設(shè)備設(shè)施的安裝；

（3）現(xiàn)場(chǎng)能見(jiàn)度高。擋塵簾封閉掘進(jìn)斷面后，在阻隔掘進(jìn)迎頭的粉塵往司機(jī)方向擴(kuò)散的同時(shí)也阻擋了外面的照明燈光照射至掘進(jìn)迎頭，而空氣風(fēng)幕則不存在上述缺點(diǎn)，能夠增加現(xiàn)場(chǎng)的光照度。

因此，綜合比較，在降塵效率基本相同的情況下，從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施、環(huán)境因素考慮，建議企業(yè)采用空氣風(fēng)幕封閉掘進(jìn)斷面的封閉式控塵系統(tǒng)。從此外，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，改進(jìn)后的封閉式除塵系（1）通過(guò)對(duì)目前我國(guó)的掘進(jìn)通風(fēng)現(xiàn)狀、通風(fēng)方式比較分析可知，只有選擇長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)方式才能有效解決綜掘機(jī)掘進(jìn)通風(fēng)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析，選取Q壓=1.2～1.3Q抽；壓入式風(fēng)筒距迎頭的距離≤抽出式風(fēng)筒距迎頭的距離。在科學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的壓入式風(fēng)機(jī)選取泰安大成公司的DKJNo.5.6對(duì)旋軸流式局部通風(fēng)機(jī)；抽出式風(fēng)機(jī)選取KCS-300型濕式旋流除塵風(fēng)機(jī)。

（2）在使用抽出式除塵風(fēng)機(jī)和擋塵簾聯(lián)合除塵時(shí)，工作面的粉塵濃度較僅僅使用除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行除塵有了較大的減少。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定來(lái)看，采用綜合降塵措施后的降塵效率超過(guò)了89%，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

（3）應(yīng)用軟件模擬分析了綜掘機(jī)切割滾筒轉(zhuǎn)速分別為23r/min、30r/min、35r/min、40r/min時(shí)工作面空間的風(fēng)流場(chǎng)和粉塵分布場(chǎng)，通過(guò)比較，認(rèn)為在切割滾筒轉(zhuǎn)速為40r/min時(shí)，采用封閉式控塵系統(tǒng)在大大降低工作面粉塵含量的同時(shí)，也能保證有一個(gè)較快的掘進(jìn)速度。6結(jié)論（1）通過(guò)對(duì)目前我國(guó)的掘進(jìn)通風(fēng)現(xiàn)狀、通風(fēng)方式比（4）本研究項(xiàng)目對(duì)抽出式除塵風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)口及安裝位置進(jìn)行了研究。為了克服設(shè)置的三個(gè)吸風(fēng)筒的上吸風(fēng)筒對(duì)司機(jī)視線的影響，在掘進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)臺(tái)兩側(cè)各布置一個(gè)吸風(fēng)筒，吸風(fēng)口方向?qū)?zhǔn)煤炭的落地點(diǎn)，將煤炭落地時(shí)揚(yáng)起的煤塵直接吸入吸風(fēng)筒，另外通過(guò)增加除塵風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量以及擋塵簾的作用，在兩個(gè)吸風(fēng)口附近產(chǎn)生較強(qiáng)的負(fù)壓場(chǎng)，同樣能把截割頭產(chǎn)生的煤塵吸入吸風(fēng)筒。吸風(fēng)口采用喇叭狀結(jié)構(gòu)，掛在掘進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上隨截割臂一起旋轉(zhuǎn)，采用旋轉(zhuǎn)連接裝置和后面的剛性吸風(fēng)筒連接，避免了采用柔性連接帶來(lái)的連接部位易壓扁、扭曲和損壞等缺點(diǎn)。固定風(fēng)筒和旋轉(zhuǎn)風(fēng)筒連接部位采用圓柱形迷宮密封結(jié)構(gòu)。

（5）在研究除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口位置的同時(shí)，對(duì)封閉式除塵系統(tǒng)的擋塵簾結(jié)構(gòu)、空氣風(fēng)幕安裝形式也進(jìn)行了研究。本項(xiàng)目中取消了司機(jī)作業(yè)前方的透明觀察窗，在主副司機(jī)視線前方不設(shè)任何擋塵簾，消除了觀察窗對(duì)司機(jī)視線的影響。由于擋塵簾里邊負(fù)壓場(chǎng)的作用，外邊的新鮮空氣經(jīng)由此處向里流動(dòng)，煤塵是不會(huì)從此處向外擴(kuò)散。側(cè)簾均采用鉸接擺動(dòng)結(jié)構(gòu)，包括頂梁的升降均采用液壓千斤頂操作，減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。空氣風(fēng)幕的風(fēng)噴嘴安設(shè)在除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口后，沿綜掘機(jī)機(jī)體寬度方向共布置22個(gè)風(fēng)噴嘴，即保證了有效封閉掘進(jìn)斷面，同時(shí)也保證了粉塵不易擴(kuò)散到司機(jī)作業(yè)處等作業(yè)地點(diǎn)。（4）本研究項(xiàng)目對(duì)抽出式除塵風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)口及安裝（6）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定5306軌順綜掘面、5305切眼、軌順綜掘面現(xiàn)場(chǎng)的通風(fēng)和和防塵效果，證實(shí)本課題研究的封閉式控塵方式能夠保證供給掘進(jìn)工作面的風(fēng)量充足，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)程要求；提出的封閉式控塵技術(shù)能夠保證極大的降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)地點(diǎn)的煤塵濃度，采取擋塵簾形式以及采用空氣風(fēng)幕形式的封閉式控塵系統(tǒng)后，現(xiàn)場(chǎng)的平均降塵效率分別為89.3%和89.5%，如此高的降塵效率，不但能夠保證礦井的安全、高效生產(chǎn)，同時(shí)也極大的提高的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境質(zhì)量。工業(yè)性試驗(yàn)的成功也表明本項(xiàng)目提出的封閉式控塵技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)巷道的快速掘進(jìn)，同時(shí)也能夠解決由于成巷速度快而引起的粉塵含量高問(wèn)題，保證掘進(jìn)生產(chǎn)的高速高效開(kāi)展。（6）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定5306軌順綜掘面、5305謝謝謝謝綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用兗州煤業(yè)股份有限公司山東科技大學(xué)2007.11.3綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用兗州煤業(yè)股份有限公司20

1課題的提出及意義

2局部通風(fēng)系統(tǒng)的研究

3采用封閉式控塵系統(tǒng)的掘進(jìn)工作面流場(chǎng)

規(guī)律研究

4噴霧降塵技術(shù)研究

5封閉式控塵技術(shù)在綜掘工作面的應(yīng)用

6結(jié)論1課題的提出及意義

2局部通風(fēng)系統(tǒng)的研究

3采用封（1）綜掘技術(shù)在提高巷道掘進(jìn)進(jìn)尺的同時(shí)也導(dǎo)致掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量大和粉塵產(chǎn)生量高，從而間接給礦井的粉塵防治工作帶來(lái)了一定的困難。

（2）綜掘巷道的設(shè)計(jì)和掘進(jìn)長(zhǎng)度一般在1000m以上，這樣多造成獨(dú)頭長(zhǎng)距離通風(fēng)的現(xiàn)象，這也就導(dǎo)致風(fēng)筒出口的有效風(fēng)量減少，出口風(fēng)速小，尤其是在風(fēng)流的速度低于0.5m/s時(shí)，巷道的局部將會(huì)出現(xiàn)瓦斯、粉塵積聚。

（3）煤礦粉塵因其自身的理化特性，導(dǎo)致其在具有爆炸危險(xiǎn)性的同時(shí)，還具有降低精密設(shè)備使用壽命、降低現(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn)度、容易自燃以及導(dǎo)致長(zhǎng)期接塵人員患職業(yè)?。▔m肺?。?。

（4）據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在不采用綜合防塵措施情況下，機(jī)掘工作面的粉塵濃度為2000~3000mg/m3，個(gè)別高達(dá)6000mg/m3左右，不難看出，機(jī)掘防塵是礦井綜合防塵極為關(guān)鍵重要的一環(huán)。

1課題的提出及意義（1）綜掘技術(shù)在提高巷道掘進(jìn)進(jìn)尺的同時(shí)也導(dǎo)致掘進(jìn)巷兗州煤業(yè)股份有限公司下屬的各大型礦井為了保證采煤工作面的正常銜接，長(zhǎng)期以來(lái)從技術(shù)、生產(chǎn)組織、生產(chǎn)工藝等多方面采取措施、以全面提高順槽工作面的綜掘水平，綜掘工作取得一定成績(jī)和效果，巷道掘進(jìn)的月平均進(jìn)尺達(dá)到400～500m左右。

在掘進(jìn)水平提高的同時(shí)，掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)的粉塵防治技術(shù)并未隨之提高，現(xiàn)場(chǎng)粉塵危害仍然十分嚴(yán)重。因此，為了保障安全、高效掘進(jìn)，就必須解決綜掘工作面粉塵濃度高的問(wèn)題，兗州煤業(yè)股份有限公司和山東科技大學(xué)共同承擔(dān)進(jìn)行了綜掘工作面封閉式控塵技術(shù)的研究。

該項(xiàng)目研究并提出了封閉掘進(jìn)工作面回風(fēng)斷面、采用綜掘機(jī)內(nèi)噴霧并充分發(fā)揮其作用、采用高效抽出式除塵風(fēng)機(jī)以及合理布置抽出式風(fēng)筒的吸風(fēng)口的位置、加強(qiáng)轉(zhuǎn)載點(diǎn)、風(fēng)筒重疊段等區(qū)域的降塵的綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的控塵技術(shù)。兗州煤業(yè)股份有限公司下屬的各大型礦井為了保證采2.1局部通風(fēng)方式的確定

2.2掘進(jìn)工作面需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)選型

2.3

局部通風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)的研究

2.4

除塵風(fēng)機(jī)的選型

2.5風(fēng)筒選型

2.6通風(fēng)系統(tǒng)

2局部通風(fēng)系統(tǒng)的研究2.1局部通風(fēng)方式的確定

2.2掘進(jìn)工作面需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)選目前，綜掘工作面的局部通風(fēng)方法有：?jiǎn)纬槌鍪?、長(zhǎng)抽短壓、長(zhǎng)壓短抽和長(zhǎng)抽長(zhǎng)壓式通風(fēng)方法。這四種通風(fēng)方法對(duì)于治理綜掘工作面瓦斯、煤塵各有利弊。2.1

局部通風(fēng)方式的確定目前，綜掘工作面的局部通風(fēng)方法有：?jiǎn)纬槌鍪?、長(zhǎng)由于受到我國(guó)除塵風(fēng)機(jī)功率小、國(guó)外大型抽出式風(fēng)機(jī)（體積大、質(zhì)量大）不適合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀，因此，第一和第二種通風(fēng)方式還不能滿足綜掘機(jī)掘進(jìn)通風(fēng)的需要。而采用第四種通風(fēng)方式時(shí)，整個(gè)巷道全部處在風(fēng)筒重疊段，容易產(chǎn)生微風(fēng)，造成瓦斯積聚，且管理困難。為此考慮我國(guó)目前的掘進(jìn)通風(fēng)現(xiàn)狀，只有選擇第三種通風(fēng)方式——長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)方式來(lái)解決綜掘機(jī)掘進(jìn)通風(fēng)問(wèn)題，其關(guān)鍵是選擇高效、可靠的除塵風(fēng)機(jī)和確定壓入式通風(fēng)機(jī)的有效通風(fēng)距離。由于受到我國(guó)除塵風(fēng)機(jī)功率小、國(guó)外大型抽出式風(fēng)機(jī)根據(jù)集團(tuán)公司的配風(fēng)細(xì)則：每個(gè)獨(dú)立通風(fēng)的掘進(jìn)工作面實(shí)際需要的風(fēng)量，應(yīng)按巷道斷面、瓦斯或二氧化碳涌出量、局部通風(fēng)機(jī)實(shí)際吸風(fēng)量、風(fēng)速和人數(shù)等規(guī)定要求分別進(jìn)行計(jì)算，并必須采取其中最大值。根據(jù)有關(guān)計(jì)算公式可確定掘進(jìn)工作面需風(fēng)量為252m3/min。

考慮掘進(jìn)面需風(fēng)量以及風(fēng)筒、管理等因素對(duì)局部通風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選定DKJ—No.5.6對(duì)旋軸流式局部通風(fēng)機(jī)作為軌道順槽掘進(jìn)工作面的壓入式風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)為：

型號(hào)：DKJ—No.5.6對(duì)旋軸流式局部通風(fēng)機(jī)；

風(fēng)機(jī)風(fēng)量：180~350m3/min；全風(fēng)壓：700～5200Pa；

全壓效率：≥80%；功率：18.5KW×2；2.2

掘進(jìn)工作面需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)選型根據(jù)集團(tuán)公司的配風(fēng)細(xì)則：每個(gè)獨(dú)立通風(fēng)的掘進(jìn)工考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及《煤礦安全規(guī)程》第一百零一條有關(guān)規(guī)定，將5306掘進(jìn)面的局部通風(fēng)機(jī)放置在5306四號(hào)聯(lián)的新鮮風(fēng)流處，且距回風(fēng)口不小于10m；5305掘進(jìn)面局部通風(fēng)機(jī)安設(shè)在五采一軌上部的新鮮風(fēng)流處，且距回風(fēng)口不小于10m。2.3

局部通風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)的研究2.4

除塵風(fēng)機(jī)的選型根據(jù)國(guó)內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料，目前我國(guó)綜掘使用的除塵器主要有以下幾種：濕式旋流除塵器、SCF-6型濕式除塵風(fēng)機(jī)，KGC-Ⅲ型掘進(jìn)機(jī)除塵器，PSCF-Ⅱ型水射流除塵風(fēng)機(jī)，ZZJC-Ⅱ-B型濕式振弦除塵器等。根據(jù)目前我國(guó)煤礦綜掘工作面目前使用的除塵器的特點(diǎn)，結(jié)合鮑店煤礦S-150綜掘機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，確定選用除塵效果較好的重慶兆魏礦山機(jī)電設(shè)備公司生產(chǎn)的KCS-300濕式旋流除塵器?？紤]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及《煤礦安全規(guī)程》第一百零KCS-300型除塵器結(jié)構(gòu)示意圖KCS-300型除塵器結(jié)構(gòu)示意圖除塵風(fēng)機(jī)除塵的作用過(guò)程為：利用風(fēng)機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在進(jìn)風(fēng)窗及兩筒口形成負(fù)壓區(qū)，將周?chē)諝膺B同綜掘機(jī)截割煤壁時(shí)所產(chǎn)生的粉塵全部吸入負(fù)壓風(fēng)筒內(nèi)，然后進(jìn)入除塵風(fēng)機(jī)并與噴霧相遇，含塵氣流通過(guò)沖突網(wǎng)（一般由5層10目銅網(wǎng)組成，阻力為1.96~2.45kPa），此時(shí)，含塵氣流被噴嘴噴射形成的水霧所濕潤(rùn)，一部分粉塵凝聚沉降，未凝聚部分粉塵濕潤(rùn)后再進(jìn)入風(fēng)機(jī)，固定在葉輪上的發(fā)霧盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)，將水流分散成更加細(xì)小的霧滴，并與含塵氣流進(jìn)一步混合，使粉塵進(jìn)一步濕潤(rùn)和凝聚。風(fēng)流自風(fēng)機(jī)出來(lái)后，在葉輪旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，進(jìn)入脫水器，水滴及濕潤(rùn)的粉塵被水環(huán)阻擋而流至脫水槽中，而風(fēng)流則經(jīng)導(dǎo)流器排出除塵風(fēng)機(jī)。

因此，濕式旋流除塵風(fēng)機(jī)的除塵原理比較復(fù)雜，牽涉到噴霧捕集粉塵、物理過(guò)濾、粉塵旋流運(yùn)動(dòng)等多種原理，概括而言，其機(jī)理主要包括濕式除塵（噴霧降塵）部分和旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)兩部分。除塵風(fēng)機(jī)除塵的作用過(guò)程為：利用風(fēng)機(jī)葉輪高速旋噴霧降塵機(jī)理研究

旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)理論研究

噴霧降塵機(jī)理研究

旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)理論研究

KCS-300濕式旋流除塵風(fēng)機(jī)，長(zhǎng)度為1900mm，寬度700mm，高度1300mm，若將其放置在伸縮皮帶機(jī)的一側(cè)，則影響輔助運(yùn)料的工作；因除塵風(fēng)機(jī)體積比較大，重量重，頻繁搬運(yùn)不方便；而伸縮皮帶機(jī)的機(jī)尾（機(jī)尾高度717mm），再考慮一定的過(guò)煤空間，機(jī)尾高度在1000mm，將除塵風(fēng)機(jī)放在皮帶承載段上，既不影響輔助運(yùn)輸通道，又可隨著機(jī)尾向前延伸而移動(dòng)，沒(méi)有增加額外的工作量，因此綜合考慮將除塵風(fēng)機(jī)安裝在皮帶承載段上?，F(xiàn)場(chǎng)安裝形式如下圖所示。

KCS-300濕式旋流除塵風(fēng)機(jī)，長(zhǎng)度為1900根據(jù)相似理論，在將工作面風(fēng)流簡(jiǎn)化為定常流動(dòng)，忽略掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)和煤炭運(yùn)輸時(shí)對(duì)掘進(jìn)迎頭風(fēng)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用，假定塵源產(chǎn)塵量穩(wěn)定、巷道內(nèi)溫度、壓力恒定，按照模型：實(shí)際=1：10的比例建立模型巷道中進(jìn)行粉塵分布試驗(yàn)來(lái)確定掘進(jìn)迎頭斷面上的粉塵分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下圖所示。

實(shí)際布置時(shí)，抽出式除塵風(fēng)筒的吸風(fēng)口下端距底板高度為1.0m，抽出式除塵風(fēng)筒的吸風(fēng)口上端距底板高度為1.7m，吸風(fēng)口前端距掘進(jìn)工作面迎頭的距離為2.5m。根據(jù)相似理論，在將工作面風(fēng)流簡(jiǎn)化為定常流動(dòng)，忽風(fēng)筒的選型根據(jù)巷道斷面面積來(lái)確定最小風(fēng)筒直徑。

由于掘進(jìn)工作面的斷面S為14.26m2，故選風(fēng)筒直徑為800mm，壓入式風(fēng)筒材質(zhì)選擇為橡膠涂覆布，5306軌順掘進(jìn)面的抽出式風(fēng)筒材質(zhì)為橡膠涂覆布，由于布質(zhì)抽出式風(fēng)筒容易被快煤磨損，因此，將抽出式風(fēng)筒的材質(zhì)進(jìn)行了改進(jìn)，采用新型塑鋼材料做抽出式風(fēng)筒，并在5305切眼、軌順掘進(jìn)面進(jìn)行了應(yīng)用，亦即該面的抽出式風(fēng)筒材質(zhì)為塑鋼。2.5

風(fēng)筒選型2.6通風(fēng)系統(tǒng)封閉式控塵的通風(fēng)系統(tǒng)如下圖所示。風(fēng)筒的選型根據(jù)巷道斷面面積來(lái)確定最小風(fēng)筒直徑改進(jìn)前（5306軌順掘進(jìn)面）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置示意圖改進(jìn)后（53052切眼、軌順掘進(jìn)面）空氣風(fēng)幕布置示意圖改進(jìn)前（5306軌順掘進(jìn)面）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置示意圖改進(jìn)后（5303采用封閉式控塵系統(tǒng)的掘進(jìn)工作面流場(chǎng)規(guī)律研究3.1封閉式控塵系統(tǒng)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的理論分析

3.2封閉式控塵系統(tǒng)流場(chǎng)模擬分析

3.3單一壓抽混合式系統(tǒng)粉塵分布情況模擬

3采用封閉式控塵系統(tǒng)的掘進(jìn)工作面流場(chǎng)規(guī)律研究3.1封閉式掘進(jìn)頭風(fēng)流的流動(dòng)和流場(chǎng)分布直接影響到風(fēng)流和工作面瓦斯、粉塵的質(zhì)量交換過(guò)程，也影響到工作面粉塵的分布。

為了準(zhǔn)確掌握綜掘工作面風(fēng)速分布狀況和研究煤塵分布的規(guī)律，就必要進(jìn)一步對(duì)局部通風(fēng)掘進(jìn)工作面的風(fēng)流分布進(jìn)行探討。本課題采用三維k-ε紊流模型來(lái)描述壓入式局部通風(fēng)工作面風(fēng)流的流動(dòng)過(guò)程；用計(jì)算流體力學(xué)的方法求得了三維k-ε紊流模型的數(shù)值解，應(yīng)用控制容積法導(dǎo)出了描述流體流動(dòng)方程的離散化方程式，采用SIMPLE（壓力耦合方程式的半陰解法）算法解算流場(chǎng)，TDMA（三對(duì)角線算法）和Gauss-Seidel法結(jié)合通過(guò)線順?lè)ㄇ蠼怆x散方程，利用弱松弛法防止非線性方程組迭代求解過(guò)程中的發(fā)散現(xiàn)象，獲得了掘進(jìn)工作面空間的速度分布規(guī)律和粉塵分布規(guī)律。3.1封閉式控塵系統(tǒng)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的理論分析掘進(jìn)頭風(fēng)流的流動(dòng)和流場(chǎng)分布直接影響到風(fēng)流和工作局部通風(fēng)工作面紊流風(fēng)流的高Reynolds數(shù)k-ε模型的支配方程包括：描述流體壓力p的質(zhì)量守恒或連續(xù)性方程、速度分量u，v和w的Navier-Stocks方程、紊流能量k方程和耗散率ε方程，共6個(gè)方程。局部通風(fēng)工作面紊流風(fēng)流的高Reynolds數(shù)k控制容積法的基本原理是將計(jì)算領(lǐng)域分成一系列互不重疊的容積單元，每一個(gè)容積單元包含一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。將基本物理原理應(yīng)用于控制容積單元和穿過(guò)單元表面的流體。應(yīng)用控制容積模型，分析只集中在每一個(gè)容積單元上。根據(jù)基本物理原理直接在一個(gè)微小容積單元進(jìn)行積分以獲得流體的流動(dòng)方程，單元體如下圖所示?？刂迫莘e法的基本原理是將計(jì)算領(lǐng)域分成一系列互不重疊

SIMPLE算法被用來(lái)解算流場(chǎng)。TDMA和Gauss－Seidel法結(jié)合，通過(guò)線順?lè)ㄇ蠼怆x散方程。弱松弛法被用來(lái)防止非線性方程組迭代求解過(guò)程中的發(fā)散現(xiàn)象。SIMPLE算法解算流場(chǎng)的計(jì)算步驟如下：

（1）假設(shè)一個(gè)壓力場(chǎng)；

（2）解算方程，求解在假設(shè)壓力場(chǎng)下的近似速度分布；

（3）求解壓力補(bǔ)正值，對(duì)假設(shè)壓力場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)正；

（4）求解速度矯正值，速度場(chǎng)矯正；

（5）求解紊流能量k和耗散率ε；

（6）將經(jīng)過(guò)補(bǔ)正的壓力場(chǎng)作為新的假設(shè)壓力場(chǎng)，返回第二步，重復(fù)（2）~

（6），直至達(dá)到滿意精度。SIMPLE算法被用來(lái)解算流場(chǎng)。TDMA和根據(jù)上述理論和計(jì)算方法，用Fortran語(yǔ)言編制了模擬解算綜掘工作面風(fēng)流流場(chǎng)的計(jì)算程序。綜掘工作面按實(shí)際尺寸選取，壓入式風(fēng)筒出口距離工作面迎頭距離為12.5m，出口平均風(fēng)速為12.9m/s，抽出式風(fēng)筒距離工作面迎頭距離為2.5m，抽出式風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)速12.8m/s，工作面斷面形狀如下圖所示。在掘進(jìn)切割滾筒轉(zhuǎn)速為23r/min、30r/min、35r/min、40r/min，抽出式風(fēng)筒距迎頭2.5m，壓入式風(fēng)筒距迎頭12.5m，擋塵簾距迎頭3m的情況下，對(duì)掘進(jìn)工作面的風(fēng)流分布場(chǎng)、粉塵分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬解算。3.2

封閉式控塵流場(chǎng)模擬分析根據(jù)上述理論和計(jì)算方法，用Fortran語(yǔ)言編掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速為23r/min時(shí)掘進(jìn)工作面的風(fēng)流場(chǎng)分布情況掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速為23r/min時(shí)掘進(jìn)工作面的風(fēng)流場(chǎng)分布情況通過(guò)對(duì)模擬解算得到的不同截割速度下現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)流場(chǎng)情況可見(jiàn)，掘進(jìn)工作面的風(fēng)流場(chǎng)并不會(huì)隨著掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度的變化而有太大變化，即使發(fā)生變化，變化部分也主要位于掘進(jìn)迎頭處，亦即擋塵簾前方（掘進(jìn)迎頭后方3m左右的空間）處變化幅度較大。從上述圖形可知，在使用擋塵簾的情況下，擋塵簾前方掘進(jìn)工作面的風(fēng)流場(chǎng)分布是一個(gè)由小到大分布，在擋塵簾后則是一個(gè)由大到小再由小到大的分布情況。從模擬解算的結(jié)果來(lái)看，掘進(jìn)工作面的風(fēng)流場(chǎng)情況基本穩(wěn)定，無(wú)太大變化。因此，在上述研究方案提出的供風(fēng)量和抽出式風(fēng)量下，掘進(jìn)工作面不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)流場(chǎng)紊亂情況。通過(guò)對(duì)模擬解算得到的不同截割速度下現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)流掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速為23r/min時(shí)掘進(jìn)工作面的粉塵場(chǎng)分布情況掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速為23r/min時(shí)掘進(jìn)工作面的粉塵場(chǎng)分布情況在掘進(jìn)機(jī)切割滾筒轉(zhuǎn)速分別為23r/min、30r/min、35r/min、40r/min時(shí)，由于使用擋塵簾的原因，在擋塵簾前后的粉塵分布差異較大。隨著掘進(jìn)機(jī)截割速度的提高，現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度相應(yīng)增加。

從現(xiàn)場(chǎng)粉塵分布圖中可見(jiàn)，40r/min時(shí)的粉塵增加絕對(duì)量并不是很大。而掘進(jìn)機(jī)的規(guī)定轉(zhuǎn)速在23~46r/min之間，因此，從保證掘進(jìn)速度、保護(hù)掘進(jìn)設(shè)備以及掘進(jìn)工作面的粉塵產(chǎn)生量三個(gè)方面綜合考慮，掘進(jìn)機(jī)的切割滾筒轉(zhuǎn)速選擇在40r/min左右時(shí)比較合適。在掘進(jìn)機(jī)切割滾筒轉(zhuǎn)速分別為23r/min、3根據(jù)上述理論及模型，在同樣的條件下，針對(duì)不采取封閉式控塵系統(tǒng)、在掘進(jìn)機(jī)的切割滾筒轉(zhuǎn)速為40r/min時(shí)，對(duì)掘進(jìn)迎頭現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度分布情況進(jìn)行了模擬，模擬圖形如圖所示。3.3單一壓抽混合式系統(tǒng)粉塵分布情況模擬掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速為40r/min時(shí)掘進(jìn)工作面的粉塵場(chǎng)分布情況（不采取封閉式控塵系統(tǒng)）根據(jù)上述理論及模型，在同樣的條件下，針對(duì)不采取與同樣轉(zhuǎn)速但采取了封閉式控塵系統(tǒng)的模擬情況比較可知，采取了封閉式控塵系統(tǒng)后，掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵大部分被限制在掘進(jìn)迎頭與封閉（擋塵簾或空氣風(fēng)幕）之間的狹窄空間中，而在封閉（擋塵簾或空氣風(fēng)幕）之后部分（如掘進(jìn)機(jī)司機(jī)作業(yè)處）的粉塵濃度較不采取封閉式控塵系統(tǒng)有了較大的減少，這就極大地保護(hù)了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的職業(yè)安全與健康。此外，粉塵在封閉前方的大量積聚也有利于提高抽出式風(fēng)機(jī)的除塵效率，增加了抽出式除塵風(fēng)機(jī)的有用功。與同樣轉(zhuǎn)速但采取了封閉式控塵系統(tǒng)的模擬情況比4噴霧降塵技術(shù)研究4.1噴霧霧化及影響參數(shù)

4.2霧滴及塵粒運(yùn)動(dòng)的研究

4.3噴霧裝置的選擇及布置方式確定

4噴霧降塵技術(shù)研究4.1噴霧霧化及影響參數(shù)

4.2霧用高壓射流噴霧（＞2MPa）時(shí)，從噴嘴噴出的高速水流經(jīng)過(guò)很短的距離就分散成霧滴并在它之后形成一股氣流。這股氣流具有卷吸作用，能把含塵氣流卷吸入霧滴區(qū)內(nèi)。當(dāng)壓力達(dá)到6MPa時(shí)就具有較強(qiáng)的卷吸作用，一旦超過(guò)10MPa時(shí)卷吸作用就十分強(qiáng)烈。霧滴在射流全長(zhǎng)上的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)了沉降速度，不出現(xiàn)低壓噴霧時(shí)明顯的衰減區(qū)。4.1噴霧霧化及影響參數(shù)不同壓力下噴霧示意圖用高壓射流噴霧（＞2MPa）時(shí)，從噴嘴噴出的高根據(jù)霧化理論，影響霧滴直徑的因素主要有：（1）液體的參數(shù)：溫度、壓力、流量、速度、用量、表面張力、密度等；（2）液束的結(jié)構(gòu)參數(shù)：長(zhǎng)度、直徑等；（3）噴嘴的參數(shù)：噴嘴霧化類(lèi)型、噴嘴結(jié)構(gòu)、噴嘴材質(zhì)、內(nèi)部光滑度等。如用無(wú)因次方程可表示如下：

d=f(ν，t，P，V，W，d，we，ρ，M，C……)

式中：ν—液體的粘度；

t—液體的溫度；

P—液體的壓力；

V—液體的流量；

W—體的速度；

d—噴嘴的孔徑；

M—噴嘴的類(lèi)型（如機(jī)械式霧化、超聲霧化等）；

C—噴嘴的材質(zhì)。

根據(jù)霧化理論，影響霧滴直徑的因素主要有：（1）從理論上來(lái)講，霧滴的形成過(guò)程、霧滴（塵粒）在風(fēng)流中的運(yùn)動(dòng)以及霧滴捕捉塵粒的運(yùn)動(dòng)是極其復(fù)雜的，這主要是由于：霧滴（塵粒）的幾何形狀復(fù)雜（多為非球形不規(guī)則的形狀）；運(yùn)動(dòng)中受到多種力的作用（如自身重力、空氣浮力、氣動(dòng)阻力、壓強(qiáng)梯度力、附加質(zhì)量力、瑪格努斯效應(yīng)等）；工作面大型設(shè)備多，尤其是支架支柱的阻擋作用導(dǎo)致工作面流場(chǎng)情況復(fù)雜。為了建立簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，研究中引入下述假設(shè)：

（1）假設(shè)霧滴（塵粒）是球形顆粒；

（2）假設(shè)霧滴（塵粒）自身無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，忽略瑪格努斯效應(yīng)；假設(shè)整個(gè)流場(chǎng)中溫度、壓強(qiáng)處處相等，不存在溫度梯度和壓強(qiáng)梯度；忽略附加質(zhì)量力、巴塞特力和薩夫曼升力等高階小力；

（3）忽略擴(kuò)散對(duì)霧滴（塵粒）運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響，風(fēng)流沿霧滴（塵粒）運(yùn)動(dòng)主流方向取平均風(fēng)速。

4.2霧滴及塵粒運(yùn)動(dòng)的研究從理論上來(lái)講，霧滴的形成過(guò)程、霧滴（塵粒）在風(fēng)忽略入水動(dòng)能以及出水口壓力能，則可得噴霧液滴的初始速度為：

在考慮流量系數(shù)的基礎(chǔ)上可以得到噴嘴的流量：

霧滴在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于流體（空氣和霧滴的二元混合物）中各組分的濃度不一致，則必然發(fā)生傳熱和傳質(zhì)（質(zhì)交換），亦即球形霧滴會(huì)在風(fēng)流的作用下發(fā)生蒸發(fā)、擴(kuò)散等現(xiàn)象。根據(jù)傳熱傳質(zhì)學(xué)理論可得標(biāo)態(tài)下某粒徑液滴在空氣中的存活時(shí)間為：

忽略入水動(dòng)能以及出水口壓力能，則可得噴霧液滴考慮粘性流動(dòng)，可以得到流體的流動(dòng)方程：煤塵截留機(jī)理中煤塵在流場(chǎng)中變速運(yùn)動(dòng)的近似描述：考慮粘性流動(dòng)，可以得到流體的流動(dòng)方程：在3MPa壓力下，對(duì)不同孔徑的噴嘴測(cè)定了其噴嘴中心線處的霧場(chǎng)粒徑分布情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下圖所示。

4.3噴霧裝置的選擇及布置方式確定

圖13MPa噴嘴中心線處指標(biāo)參數(shù)示意圖

圖23MPa噴嘴中心線處粒徑分布情況圖在3MPa壓力下，對(duì)不同孔徑的噴嘴測(cè)定了其噴嘴綜合考慮粉塵產(chǎn)生源在空間和時(shí)間上的擴(kuò)散規(guī)律，以及工人接觸粉塵情況的代表性，現(xiàn)場(chǎng)的粉塵采樣點(diǎn)應(yīng)根據(jù)作業(yè)流程和工人操作方法確定。根據(jù)掘進(jìn)工藝、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB5748-85、MT79-84）確定掘進(jìn)工作面的粉塵采樣點(diǎn)布置如下圖所示：綜合考慮粉塵產(chǎn)生源在空間和時(shí)間上的擴(kuò)散規(guī)律，從上圖可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)粉塵的組成中占整個(gè)工作面空間粒徑百分比數(shù)最大的是2~5μm的粉塵顆粒，其平均值為35.4%；而小粒徑顆粒（＜2μm）所占百分比的平均值為33.8%，僅次于2~5μm的粉塵顆粒所占的百分比；再次是5~10μm的粉塵顆粒，其平均值為20.5%；最后是大于10μm的粉塵顆粒，其平均值為10.3%。從計(jì)算數(shù)據(jù)可知，小于5μm的粉塵顆粒所占全部顆粒百分比的平均值為69.2%

在上述試驗(yàn)（噴嘴噴霧霧場(chǎng)粒徑分布、現(xiàn)場(chǎng)粉塵分散度情況）分析的基礎(chǔ)上，選定1.5mm孔徑的不銹鋼噴嘴作為轉(zhuǎn)載噴霧和風(fēng)流凈化水幕所用的噴霧降塵噴嘴。從上圖可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)粉塵的組成中占整個(gè)工作面空間5.1封閉式控塵技術(shù)（改進(jìn)前）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效

果分析

5.2封閉式控塵技術(shù)（改進(jìn)后）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效

果分析

5.3改進(jìn)前后兩種封閉式除塵系統(tǒng)方案比較

5封閉式控塵技術(shù)在綜掘工作面的應(yīng)用5.1封閉式控塵技術(shù)（改進(jìn)前）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效

果分

5306②軌道順槽掘進(jìn)工作面主要用于5306工作面通風(fēng)、行人及生產(chǎn)，跟底板掘進(jìn)，5306②軌道順槽斷面形狀為矩形，斷面面積為14.26m2，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為464m，服務(wù)年限為1年。該掘進(jìn)工作面自2007年3月份開(kāi)工，2007年5月份竣工。

5306工作面回采的煤層為山西組3層煤。厚度7.80~8.90/8.46m，煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬半暗~半亮型煤，具條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。工作面內(nèi)煤層傾角2o~10o，一般為6o左右。煤層瓦斯相對(duì)涌出量為1.879m3/t，瓦斯絕對(duì)涌出量為0.151m3/min；二氧化碳相對(duì)涌出量為5.172m3/t，二氧化碳絕對(duì)涌出量為0.417m3/min，根據(jù)瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果，礦井屬低瓦斯礦井。煤塵具有爆炸危險(xiǎn)，爆炸指數(shù)38.26％～42.16％。煤層自然發(fā)火期為3～6個(gè)月。5.1封閉式控塵技術(shù)（改進(jìn)前）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

效果分析5306②軌道順槽掘進(jìn)工作面主要用于530壓入式局部通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)序號(hào)A-A斷面風(fēng)速（m/min）B-B斷面風(fēng)速（m/min）C-C斷面風(fēng)速（m/min）風(fēng)筒長(zhǎng)度（m）壓差計(jì)數(shù)值（Pa）風(fēng)筒距迎頭距離（m）備注1點(diǎn)2點(diǎn)147.581827390132238212248.102230450134039011347.022029520133236012抽出式局部通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)序號(hào)出口斷面風(fēng)速（m/min）重合段風(fēng)速（m/min）重合段長(zhǎng)度（m）風(fēng)筒距迎頭長(zhǎng)（m）壓差計(jì)數(shù)值（Pa）風(fēng)筒長(zhǎng)度（m）備注①點(diǎn)②點(diǎn)113.09.7142.583268525212.89.5152.584071525313.610.1152.582869025表5.25306②軌順掘進(jìn)面通風(fēng)參數(shù)數(shù)據(jù)表5.35306②軌順掘進(jìn)面粉塵數(shù)據(jù)除塵風(fēng)機(jī)降塵效果測(cè)定運(yùn)行狀態(tài)掘進(jìn)面迎頭司機(jī)作業(yè)點(diǎn)轉(zhuǎn)載機(jī)尾處風(fēng)筒重合段中部測(cè)定日期全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵綜掘機(jī)噴霧開(kāi)603.0183.09028.06.72.36.02.14.14522.4173.17020.311.64.39.33.14.17437.3109.5123.341.323.312.718.26.04.20平均520.9155.294.429.913.96.411.23.7采用綜合防塵措施時(shí)降塵效果測(cè)定風(fēng)筒長(zhǎng)238.878.616.74.320.06.8103.04.14風(fēng)筒長(zhǎng)182.561.413.34.428.49.513.94.54.17風(fēng)筒長(zhǎng)253.682.326.710.525.38.411.84.14.20平均225.074.118.96.424.68.211.93.9掘進(jìn)面不采用防塵設(shè)施時(shí)的粉塵濃度數(shù)據(jù)1281380323.3103209.767.5283.5103.34.141077359285.195.1188.654.1204.775.94.161195398303.4105.6200.665.2275.496.14.20平均1184.3379.0303.9101.2199.662.3254.591.8壓入式局部通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)序號(hào)A-A斷面風(fēng)速（m/min）B-根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到表5.4

表5.4擋塵簾封閉斷面時(shí)不同防塵方案的降塵效率比較

測(cè)點(diǎn)位置

數(shù)防塵方案

據(jù)掘進(jìn)面迎頭司機(jī)作業(yè)點(diǎn)轉(zhuǎn)載機(jī)尾處風(fēng)筒重合段中部平均全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵除塵風(fēng)機(jī)開(kāi)啟56.0%59.1%68.9%70.5%93.1%89.7%95.6%95.9%78.6%采用綜合除塵措施81.0%80.4%93.8%93.7%87.7%86.8%95.3%95.8%89.3%從上表可見(jiàn)，采用綜合除塵措施，亦即采用擋塵簾裝置的同時(shí)開(kāi)啟除塵風(fēng)機(jī)，此時(shí)工作面現(xiàn)場(chǎng)的降塵效率較高，司機(jī)作業(yè)處、風(fēng)筒重合段中部的粉塵濃度（全塵和呼塵）的沉降效率最高達(dá)到了95.8%，如此高的粉塵沉降效率明顯降低了接塵最嚴(yán)重處——司機(jī)作業(yè)處人員患職業(yè)病危害的可能性。通過(guò)計(jì)算得到，整個(gè)工作面空間的粉塵平均沉降效率接近90%，比僅僅開(kāi)啟除塵風(fēng)機(jī)的防塵方案的效率要高十個(gè)百分點(diǎn)，這也表明本方案——采用綜合除塵措施在粉塵沉降方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到表5.4

5305②軌道順槽長(zhǎng)1562m，主要用于5305②工作面通風(fēng)、行人、安裝及生產(chǎn)，巷道服務(wù)年限2年。5305②切眼、軌順掘進(jìn)工作面采取跟底板掘進(jìn)方式掘進(jìn)，5305②切眼、軌順掘進(jìn)面斷面形狀為矩形，斷面面積為14.26m2，該面自2007年5月份開(kāi)工，2007年11月份竣工。

煤層瓦斯相對(duì)涌出量為1.879m3/t，瓦斯絕對(duì)涌出量為0.151m3/min，二氧化炭相對(duì)涌出量為5.172m3/t，二氧化碳絕對(duì)涌出量為0.417m3/min，根據(jù)礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果可知，該礦井為低瓦斯礦井；開(kāi)采煤層煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，煤塵爆炸指數(shù)38.26％～42.16％；煤層自然發(fā)火期為3～6個(gè)月。

5.2封閉式控塵技術(shù)（改進(jìn)后）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析5305②軌道順槽長(zhǎng)1562m，主要用于530表5.65305②軌順掘進(jìn)面通風(fēng)參數(shù)數(shù)據(jù)表5.75305②軌順掘進(jìn)面粉塵數(shù)據(jù)壓入式局部通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)序號(hào)A-A斷面風(fēng)速（m/min）B-B斷面風(fēng)速（m/min）C-C斷面風(fēng)速（m/min）風(fēng)筒長(zhǎng)度（m）風(fēng)筒距迎頭距離（m）備注148.302032.636012247.101932.242011347.902131.458012抽出式局部通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)序號(hào)出口斷面風(fēng)速（m/min）重合段