綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的研究與應用課件

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

1課題的提出及意義

2局部通風系統(tǒng)的研究

3采用封閉式控塵系統(tǒng)的掘進工作面流場

規(guī)律研究

4噴霧降塵技術研究

5封閉式控塵技術在綜掘工作面的應用

6結論1課題的提出及意義

2局部通風系統(tǒng)的研究

3采用封（1）綜掘技術在提高巷道掘進進尺的同時也導致掘進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了一定的困難。

（2）綜掘巷道的設計和掘進長度一般在1000m以上，這樣多造成獨頭長距離通風的現(xiàn)象，這也就導致風筒出口的有效風量減少，出口風速小，尤其是在風流的速度低于0.5m/s時，巷道的局部將會出現(xiàn)瓦斯、粉塵積聚。

（3）煤礦粉塵因其自身的理化特性，導致其在具有爆炸危險性的同時，還具有降低精密設備使用壽命、降低現(xiàn)場可見度、容易自燃以及導致長期接塵人員患職業(yè)?。▔m肺病）。

（4）據(jù)現(xiàn)場實測，在不采用綜合防塵措施情況下，機掘工作面的粉塵濃度為2000~3000mg/m3，個別高達6000mg/m3左右，不難看出，機掘防塵是礦井綜合防塵極為關鍵重要的一環(huán)。

1課題的提出及意義（1）綜掘技術在提高巷道掘進進尺的同時也導致掘進巷兗州煤業(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，長期以來從技術、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和效果，巷道掘進的月平均進尺達到400～500m左右。

在掘進水平提高的同時，掘進工作面現(xiàn)場的粉塵防治技術并未隨之提高，現(xiàn)場粉塵危害仍然十分嚴重。因此，為了保障安全、高效掘進，就必須解決綜掘工作面粉塵濃度高的問題，兗州煤業(yè)股份有限公司和山東科技大學共同承擔進行了綜掘工作面封閉式控塵技術的研究。

該項目研究并提出了封閉掘進工作面回風斷面、采用綜掘機內噴霧并充分發(fā)揮其作用、采用高效抽出式除塵風機以及合理布置抽出式風筒的吸風口的位置、加強轉載點、風筒重疊段等區(qū)域的降塵的綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的控塵技術。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局部通風方式的確定

2.2掘進工作面需風量及風機選型

2.3

局部通風機安裝地點的研究

2.4

除塵風機的選型

2.5風筒選型

2.6通風系統(tǒng)

2局部通風系統(tǒng)的研究2.1局部通風方式的確定

2.2掘進工作面需風量及風機選目前，綜掘工作面的局部通風方法有：單抽出式、長抽短壓、長壓短抽和長抽長壓式通風方法。這四種通風方法對于治理綜掘工作面瓦斯、煤塵各有利弊。2.1

局部通風方式的確定目前，綜掘工作面的局部通風方法有：單抽出式、長由于受到我國除塵風機功率小、國外大型抽出式風機（體積大、質量大）不適合國內生產(chǎn)現(xiàn)狀，因此，第一和第二種通風方式還不能滿足綜掘機掘進通風的需要。而采用第四種通風方式時，整個巷道全部處在風筒重疊段，容易產(chǎn)生微風，造成瓦斯積聚，且管理困難。為此考慮我國目前的掘進通風現(xiàn)狀，只有選擇第三種通風方式——長壓短抽式通風方式來解決綜掘機掘進通風問題，其關鍵是選擇高效、可靠的除塵風機和確定壓入式通風機的有效通風距離。由于受到我國除塵風機功率小、國外大型抽出式風機根據(jù)集團公司的配風細則：每個獨立通風的掘進工作面實際需要的風量，應按巷道斷面、瓦斯或二氧化碳涌出量、局部通風機實際吸風量、風速和人數(shù)等規(guī)定要求分別進行計算，并必須采取其中最大值。根據(jù)有關計算公式可確定掘進工作面需風量為252m3/min。

考慮掘進面需風量以及風筒、管理等因素對局部通風機的吸風量進行計算，根據(jù)計算結果及現(xiàn)場實際，選定DKJ—No.5.6對旋軸流式局部通風機作為軌道順槽掘進工作面的壓入式風機。該風機的性能參數(shù)為：

型號：DKJ—No.5.6對旋軸流式局部通風機；

風機風量：180~350m3/min；全風壓：700～5200Pa；

全壓效率：≥80%；功率：18.5KW×2；2.2

掘進工作面需風量及風機選型根據(jù)集團公司的配風細則：每個獨立通風的掘進工考慮現(xiàn)場實際情況以及《煤礦安全規(guī)程》第一百零一條有關規(guī)定，將5306掘進面的局部通風機放置在5306四號聯(lián)的新鮮風流處，且距回風口不小于10m；5305掘進面局部通風機安設在五采一軌上部的新鮮風流處，且距回風口不小于10m。2.3

局部通風機安裝地點的研究2.4

除塵風機的選型根據(jù)國內外的有關技術資料，目前我國綜掘使用的除塵器主要有以下幾種：濕式旋流除塵器、SCF-6型濕式除塵風機，KGC-Ⅲ型掘進機除塵器，PSCF-Ⅱ型水射流除塵風機，ZZJC-Ⅱ-B型濕式振弦除塵器等。根據(jù)目前我國煤礦綜掘工作面目前使用的除塵器的特點，結合鮑店煤礦S-150綜掘機以及現(xiàn)場的實際情況，確定選用除塵效果較好的重慶兆魏礦山機電設備公司生產(chǎn)的KCS-300濕式旋流除塵器?？紤]現(xiàn)場實際情況以及《煤礦安全規(guī)程》第一百零KCS-300型除塵器結構示意圖KCS-300型除塵器結構示意圖除塵風機除塵的作用過程為：利用風機葉輪高速旋轉，在進風窗及兩筒口形成負壓區(qū)，將周圍空氣連同綜掘機截割煤壁時所產(chǎn)生的粉塵全部吸入負壓風筒內，然后進入除塵風機并與噴霧相遇，含塵氣流通過沖突網(wǎng)（一般由5層10目銅網(wǎng)組成，阻力為1.96~2.45kPa），此時，含塵氣流被噴嘴噴射形成的水霧所濕潤，一部分粉塵凝聚沉降，未凝聚部分粉塵濕潤后再進入風機，固定在葉輪上的發(fā)霧盤高速旋轉，將水流分散成更加細小的霧滴，并與含塵氣流進一步混合，使粉塵進一步濕潤和凝聚。風流自風機出來后，在葉輪旋轉作用下產(chǎn)生旋轉流動，進入脫水器，水滴及濕潤的粉塵被水環(huán)阻擋而流至脫水槽中，而風流則經(jīng)導流器排出除塵風機。

因此，濕式旋流除塵風機的除塵原理比較復雜，牽涉到噴霧捕集粉塵、物理過濾、粉塵旋流運動等多種原理，概括而言，其機理主要包括濕式除塵（噴霧降塵）部分和旋轉流場兩部分。除塵風機除塵的作用過程為：利用風機葉輪高速旋噴霧降塵機理研究

旋轉流場理論研究

噴霧降塵機理研究

旋轉流場理論研究

KCS-300濕式旋流除塵風機，長度為1900mm，寬度700mm，高度1300mm，若將其放置在伸縮皮帶機的一側，則影響輔助運料的工作；因除塵風機體積比較大，重量重，頻繁搬運不方便；而伸縮皮帶機的機尾（機尾高度717mm），再考慮一定的過煤空間，機尾高度在1000mm，將除塵風機放在皮帶承載段上，既不影響輔助運輸通道，又可隨著機尾向前延伸而移動，沒有增加額外的工作量，因此綜合考慮將除塵風機安裝在皮帶承載段上。現(xiàn)場安裝形式如下圖所示。

KCS-300濕式旋流除塵風機，長度為1900根據(jù)相似理論，在將工作面風流簡化為定常流動，忽略掘進機掘進和煤炭運輸時對掘進迎頭風流場的擾動作用，假定塵源產(chǎn)塵量穩(wěn)定、巷道內溫度、壓力恒定，按照模型：實際=1：10的比例建立模型巷道中進行粉塵分布試驗來確定掘進迎頭斷面上的粉塵分布規(guī)律。實驗結果分析如下圖所示。

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

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

風筒選型2.6通風系統(tǒng)封閉式控塵的通風系統(tǒng)如下圖所示。風筒的選型根據(jù)巷道斷面面積來確定最小風筒直徑改進前（5306軌順掘進面）現(xiàn)場設備布置示意圖改進后（53052切眼、軌順掘進面）空氣風幕布置示意圖改進前（5306軌順掘進面）現(xiàn)場設備布置示意圖改進后（5303采用封閉式控塵系統(tǒng)的掘進工作面流場規(guī)律研究3.1封閉式控塵系統(tǒng)流場運動的理論分析

3.2封閉式控塵系統(tǒng)流場模擬分析

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)的掘進工作面流場規(guī)律研究3.1封閉式掘進頭風流的流動和流場分布直接影響到風流和工作面瓦斯、粉塵的質量交換過程，也影響到工作面粉塵的分布。

為了準確掌握綜掘工作面風速分布狀況和研究煤塵分布的規(guī)律，就必要進一步對局部通風掘進工作面的風流分布進行探討。本課題采用三維k-ε紊流模型來描述壓入式局部通風工作面風流的流動過程；用計算流體力學的方法求得了三維k-ε紊流模型的數(shù)值解，應用控制容積法導出了描述流體流動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，TDMA（三對角線算法）和Gauss-Seidel法結合通過線順法求解離散方程，利用弱松弛法防止非線性方程組迭代求解過程中的發(fā)散現(xiàn)象，獲得了掘進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)流場運動的理論分析掘進頭風流的流動和流場分布直接影響到風流和工作局部通風工作面紊流風流的高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個方程。局部通風工作面紊流風流的高Reynolds數(shù)k控制容積法的基本原理是將計算領域分成一系列互不重疊的容積單元，每一個容積單元包含一個網(wǎng)格節(jié)點。將基本物理原理應用于控制容積單元和穿過單元表面的流體。應用控制容積模型，分析只集中在每一個容積單元上。根據(jù)基本物理原理直接在一個微小容積單元進行積分以獲得流體的流動方程，單元體如下圖所示?？刂迫莘e法的基本原理是將計算領域分成一系列互不重疊

SIMPLE算法被用來解算流場。TDMA和Gauss－Seidel法結合，通過線順法求解離散方程。弱松弛法被用來防止非線性方程組迭代求解過程中的發(fā)散現(xiàn)象。SIMPLE算法解算流場的計算步驟如下：

（1）假設一個壓力場；

（2）解算方程，求解在假設壓力場下的近似速度分布；

（3）求解壓力補正值，對假設壓力場進行補正；

（4）求解速度矯正值，速度場矯正；

（5）求解紊流能量k和耗散率ε；

（6）將經(jīng)過補正的壓力場作為新的假設壓力場，返回第二步，重復（2）~

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

封閉式控塵流場模擬分析根據(jù)上述理論和計算方法，用Fortran語言編掘進機轉速為23r/min時掘進工作面的風流場分布情況掘進機轉速為23r/min時掘進工作面的風流場分布情況通過對模擬解算得到的不同截割速度下現(xiàn)場的風流場情況可見，掘進工作面的風流場并不會隨著掘進機掘進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迎頭處，亦即擋塵簾前方（掘進迎頭后方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，擋塵簾前方掘進工作面的風流場分布是一個由小到大分布，在擋塵簾后則是一個由大到小再由小到大的分布情況。從模擬解算的結果來看，掘進工作面的風流場情況基本穩(wěn)定，無太大變化。因此，在上述研究方案提出的供風量和抽出式風量下，掘進工作面不會出現(xiàn)風流場紊亂情況。通過對模擬解算得到的不同截割速度下現(xiàn)場的風流掘進機轉速為23r/min時掘進工作面的粉塵場分布情況掘進機轉速為23r/min時掘進工作面的粉塵場分布情況在掘進機切割滾筒轉速分別為23r/min、30r/min、35r/min、40r/min時，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。隨著掘進機截割速度的提高，現(xiàn)場的粉塵濃度相應增加。

從現(xiàn)場粉塵分布圖中可見，40r/min時的粉塵增加絕對量并不是很大。而掘進機的規(guī)定轉速在23~46r/min之間，因此，從保證掘進速度、保護掘進設備以及掘進工作面的粉塵產(chǎn)生量三個方面綜合考慮，掘進機的切割滾筒轉速選擇在40r/min左右時比較合適。在掘進機切割滾筒轉速分別為23r/min、3根據(jù)上述理論及模型，在同樣的條件下，針對不采取封閉式控塵系統(tǒng)、在掘進機的切割滾筒轉速為40r/min時，對掘進迎頭現(xiàn)場的粉塵濃度分布情況進行了模擬，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機轉速為40r/min時掘進工作面的粉塵場分布情況（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，針對不采取與同樣轉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，掘進過程中產(chǎn)生的粉塵大部分被限制在掘進迎頭與封閉（擋塵簾或空氣風幕）之間的狹窄空間中，而在封閉（擋塵簾或空氣風幕）之后部分（如掘進機司機作業(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，這就極大地保護了現(xiàn)場作業(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機的除塵效率，增加了抽出式除塵風機的有用功。與同樣轉速但采取了封閉式控塵系統(tǒng)的模擬情況比4噴霧降塵技術研究4.1噴霧霧化及影響參數(shù)

4.2霧滴及塵粒運動的研究

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，從噴嘴噴出的高速水流經(jīng)過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。當壓力達到6MPa時就具有較強的卷吸作用，一旦超過10MPa時卷吸作用就十分強烈。霧滴在射流全長上的運動速度超過了沉降速度，不出現(xiàn)低壓噴霧時明顯的衰減區(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，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）液束的結構參數(shù)：長度、直徑等；（3）噴嘴的參數(shù)：噴嘴霧化類型、噴嘴結構、噴嘴材質、內部光滑度等。如用無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—噴嘴的類型（如機械式霧化、超聲霧化等）；

C—噴嘴的材質。

根據(jù)霧化理論，影響霧滴直徑的因素主要有：（1）從理論上來講，霧滴的形成過程、霧滴（塵粒）在風流中的運動以及霧滴捕捉塵粒的運動是極其復雜的，這主要是由于：霧滴（塵粒）的幾何形狀復雜（多為非球形不規(guī)則的形狀）；運動中受到多種力的作用（如自身重力、空氣浮力、氣動阻力、壓強梯度力、附加質量力、瑪格努斯效應等）；工作面大型設備多，尤其是支架支柱的阻擋作用導致工作面流場情況復雜。為了建立簡單的數(shù)學模型，研究中引入下述假設：

（1）假設霧滴（塵粒）是球形顆粒；

（2）假設霧滴（塵粒）自身無旋轉運動，忽略瑪格努斯效應；假設整個流場中溫度、壓強處處相等，不存在溫度梯度和壓強梯度；忽略附加質量力、巴塞特力和薩夫曼升力等高階小力；

（3）忽略擴散對霧滴（塵粒）運動帶來的影響，風流沿霧滴（塵粒）運動主流方向取平均風速。

4.2霧滴及塵粒運動的研究從理論上來講，霧滴的形成過程、霧滴（塵粒）在風忽略入水動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)的基礎上可以得到噴嘴的流量：

霧滴在空氣中運動時，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（質交換），亦即球形霧滴會在風流的作用下發(fā)生蒸發(fā)、擴散等現(xiàn)象。根據(jù)傳熱傳質學理論可得標態(tài)下某粒徑液滴在空氣中的存活時間為：

忽略入水動能以及出水口壓力能，則可得噴霧液滴考慮粘性流動，可以得到流體的流動方程：煤塵截留機理中煤塵在流場中變速運動的近似描述：考慮粘性流動，可以得到流體的流動方程：在3MPa壓力下，對不同孔徑的噴嘴測定了其噴嘴中心線處的霧場粒徑分布情況，試驗數(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，對不同孔徑的噴嘴測定了其噴嘴綜合考慮粉塵產(chǎn)生源在空間和時間上的擴散規(guī)律，以及工人接觸粉塵情況的代表性，現(xiàn)場的粉塵采樣點應根據(jù)作業(yè)流程和工人操作方法確定。根據(jù)掘進工藝、國家標準（GB5748-85、MT79-84）確定掘進工作面的粉塵采樣點布置如下圖所示：綜合考慮粉塵產(chǎn)生源在空間和時間上的擴散規(guī)律，從上圖可見，現(xiàn)場粉塵的組成中占整個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（噴嘴噴霧霧場粒徑分布、現(xiàn)場粉塵分散度情況）分析的基礎上，選定1.5mm孔徑的不銹鋼噴嘴作為轉載噴霧和風流凈化水幕所用的噴霧降塵噴嘴。從上圖可見，現(xiàn)場粉塵的組成中占整個工作面空間5.1封閉式控塵技術（改進前）現(xiàn)場應用效

果分析

5.2封閉式控塵技術（改進后）現(xiàn)場應用效

果分析

5.3改進前后兩種封閉式除塵系統(tǒng)方案比較

5封閉式控塵技術在綜掘工作面的應用5.1封閉式控塵技術（改進前）現(xiàn)場應用效

果分

5306②軌道順槽掘進工作面主要用于5306工作面通風、行人及生產(chǎn)，跟底板掘進，5306②軌道順槽斷面形狀為矩形，斷面面積為14.26m2，巷道設計長度為464m，服務年限為1年。該掘進工作面自2007年3月份開工，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，結構簡單，屬半暗~半亮型煤，具條帶狀結構，層狀構造。工作面內煤層傾角2o~10o，一般為6o左右。煤層瓦斯相對涌出量為1.879m3/t，瓦斯絕對涌出量為0.151m3/min；二氧化碳相對涌出量為5.172m3/t，二氧化碳絕對涌出量為0.417m3/min，根據(jù)瓦斯等級鑒定結果，礦井屬低瓦斯礦井。煤塵具有爆炸危險，爆炸指數(shù)38.26％～42.16％。煤層自然發(fā)火期為3～6個月。5.1封閉式控塵技術（改進前）現(xiàn)場應用

效果分析5306②軌道順槽掘進工作面主要用于530壓入式局部通風機基本參數(shù)序號A-A斷面風速（m/min）B-B斷面風速（m/min）C-C斷面風速（m/min）風筒長度（m）壓差計數(shù)值（Pa）風筒距迎頭距離（m）備注1點2點147.581827390132238212248.102230450134039011347.022029520133236012抽出式局部通風機基本參數(shù)序號出口斷面風速（m/min）重合段風速（m/min）重合段長度（m）風筒距迎頭長（m）壓差計數(shù)值（Pa）風筒長度（m）備注①點②點113.09.7142.583268525212.89.5152.584071525313.610.1152.582869025表5.25306②軌順掘進面通風參數(shù)數(shù)據(jù)表5.35306②軌順掘進面粉塵數(shù)據(jù)除塵風機降塵效果測定運行狀態(tài)掘進面迎頭司機作業(yè)點轉載機尾處風筒重合段中部測定日期全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵綜掘機噴霧開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降塵效果測定風筒長238.878.616.74.320.06.8103.04.14風筒長182.561.413.34.428.49.513.94.54.17風筒長253.682.326.710.525.38.411.84.14.20平均225.074.118.96.424.68.211.93.9掘進面不采用防塵設施時的粉塵濃度數(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壓入式局部通風機基本參數(shù)序號A-A斷面風速（m/min）B-根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到表5.4

表5.4擋塵簾封閉斷面時不同防塵方案的降塵效率比較

測點位置

數(shù)防塵方案

據(jù)掘進面迎頭司機作業(yè)點轉載機尾處風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機開啟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，采用綜合除塵措施，亦即采用擋塵簾裝置的同時開啟除塵風機，此時工作面現(xiàn)場的降塵效率較高，司機作業(yè)處、風筒重合段中部的粉塵濃度（全塵和呼塵）的沉降效率最高達到了95.8%，如此高的粉塵沉降效率明顯降低了接塵最嚴重處——司機作業(yè)處人員患職業(yè)病危害的可能性。通過計算得到，整個工作面空間的粉塵平均沉降效率接近90%，比僅僅開啟除塵風機的防塵方案的效率要高十個百分點，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。根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到表5.4

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

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

5.2封閉式控塵技術（改進后）現(xiàn)場應用效果分析5305②軌道順槽長1562m，主要用于530表5.65305②軌順掘進面通風參數(shù)數(shù)據(jù)表5.75305②軌順掘進面粉塵數(shù)據(jù)壓入式局部通風機基本參數(shù)序號A-A斷面風速（m/min）B-B斷面風速（m/min）C-C斷面風速（m/min）風筒長度（m）風筒距迎頭距離（m）備注148.302032.636012247.101932.242011347.902131.458012抽出式局部通風機基本參數(shù)序號出口斷面風速（m/min）重合段風速（m/min）重合段長度（m）風筒距迎頭距離（m）風筒長度（m）備注113.410.0152.525212.59.3152.525313.19.5152.525除塵風機降塵效果測定運行狀態(tài)掘進面迎頭司機作業(yè)點轉載機尾處風筒重合段中部測定日期全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵綜掘機噴霧開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降塵效果測定風筒長360m228.275.615.44.32210.511.83.58.2風筒長420m192.567.414.34.227.49.212.94.28.6風筒長580m243.780.319.77.524.98.111.74.78.20平均221.574.416.55.324.89.312.14.1掘進面不采用防塵設施時的粉塵濃度數(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軌順掘進面通風參數(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擋塵簾封閉斷面時不同防塵方案的降塵效率比較從上表可見，采用封閉式除塵措施，亦即采用空氣風幕裝置隔塵的同時開啟除塵風機、綜掘機內外噴霧裝置，此時工作面現(xiàn)場的降塵效率較高，司機作業(yè)處、風筒重合段中部的粉塵濃度（全塵和呼塵）的沉降效率最高達到了95.5%，如此高的粉塵沉降效率明顯降低了接塵最嚴重處——司機作業(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%。通過計算得到，整個工作面空間的粉塵平均沉降效率接近90%，比僅僅開啟除塵風機的防塵方案的效率要高十二個百分點，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。

測點位置

數(shù)防塵方案

據(jù)掘進面迎頭司機作業(yè)點轉載機尾處風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機開啟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改進前后兩種封閉式除塵系統(tǒng)方案比較現(xiàn)場工業(yè)性試驗過程中，分別對兩種封閉式除塵系統(tǒng)（利用擋塵簾封閉掘進斷面、利用空氣風幕封閉掘進斷面）進行了試驗，實驗結果對比分析如下表所示。

表5.9不同防塵方案的降塵效率比較

測點位置

數(shù)防塵方案

據(jù)掘進面迎頭司機作業(yè)點轉載機尾處風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，采用空氣風幕封閉控塵系統(tǒng)時，掘進面迎頭、司機作業(yè)點、轉載機尾、風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改進前后兩種封閉式除塵系統(tǒng)方案比較現(xiàn)場從此外，從現(xiàn)場應用來看，改進后的封閉式除塵系統(tǒng)（采用空氣風幕封閉掘進斷面、塑鋼抽出式風筒）較改進前的封閉式除塵系統(tǒng)（采用擋塵簾封閉掘進斷面、橡膠涂敷布抽出式風筒）還具有以下優(yōu)點：

（1）抽出式風筒使用周期長。塑鋼風筒則不易被吸入的大煤塊磨損破壞；

（2）設備布置簡單、操作方便。擋塵簾封閉掘進斷面時，擋塵簾材質選用的是阻燃橡膠輸送皮帶，其體積大并且比較笨重，需要在掘進機上增加小型液壓千斤頂來實現(xiàn)自動開關擋塵設施；而空氣風幕則僅需要將壓風管路連接至風噴嘴，減少了不必要的設備設施的安裝；

（3）現(xiàn)場能見度高。擋塵簾封閉掘進斷面后，在阻隔掘進迎頭的粉塵往司機方向擴散的同時也阻擋了外面的照明燈光照射至掘進迎頭，而空氣風幕則不存在上述缺點，能夠增加現(xiàn)場的光照度。

因此，綜合比較，在降塵效率基本相同的情況下，從現(xiàn)場設備設施、環(huán)境因素考慮，建議企業(yè)采用空氣風幕封閉掘進斷面的封閉式控塵系統(tǒng)。從此外，從現(xiàn)場應用來看，改進后的封閉式除塵系（1）通過對目前我國的掘進通風現(xiàn)狀、通風方式比較分析可知，只有選擇長壓短抽式通風方式才能有效解決綜掘機掘進通風問題，經(jīng)過分析，選取Q壓=1.2～1.3Q抽；壓入式風筒距迎頭的距離≤抽出式風筒距迎頭的距離。在科學計算的基礎上，現(xiàn)場試驗的壓入式風機選取泰安大成公司的DKJNo.5.6對旋軸流式局部通風機；抽出式風機選取KCS-300型濕式旋流除塵風機。

（2）在使用抽出式除塵風機和擋塵簾聯(lián)合除塵時，工作面的粉塵濃度較僅僅使用除塵風機進行除塵有了較大的減少。根據(jù)現(xiàn)場測定來看，采用綜合降塵措施后的降塵效率超過了89%，達到了預期的目標。

（3）應用軟件模擬分析了綜掘機切割滾筒轉速分別為23r/min、30r/min、35r/min、40r/min時工作面空間的風流場和粉塵分布場，通過比較，認為在切割滾筒轉速為40r/min時，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，也能保證有一個較快的掘進速度。6結論（1）通過對目前我國的掘進通風現(xiàn)狀、通風方式比（4）本研究項目對抽出式除塵風機的吸風口及安裝位置進行了研究。為了克服設置的三個吸風筒的上吸風筒對司機視線的影響，在掘進機旋轉臺兩側各布置一個吸風筒，吸風口方向對準煤炭的落地點，將煤炭落地時揚起的煤塵直接吸入吸風筒，另外通過增加除塵風機的吸風量以及擋塵簾的作用，在兩個吸風口附近產(chǎn)生較強的負壓場，同樣能把截割頭產(chǎn)生的煤塵吸入吸風筒。吸風口采用喇叭狀結構，掛在掘進機旋轉臺上隨截割臂一起旋轉，采用旋轉連接裝置和后面的剛性吸風筒連接，避免了采用柔性連接帶來的連接部位易壓扁、扭曲和損壞等缺點。固定風筒和旋轉風筒連接部位采用圓柱形迷宮密封結構。

（5）在研究除塵風機吸風口位置的同時，對封閉式除塵系統(tǒng)的擋塵簾結構、空氣風幕安裝形式也進行了研究。本項目中取消了司機作業(yè)前方的透明觀察窗，在主副司機視線前方不設任何擋塵簾，消除了觀察窗對司機視線的影響。由于擋塵簾里邊負壓場的作用，外邊的新鮮空氣經(jīng)由此處向里流動，煤塵是不會從此處向外擴散。側簾均采用鉸接擺動結構，包括頂梁的升降均采用液壓千斤頂操作，減輕了作業(yè)人員的勞動強度?？諝怙L幕的風噴嘴安設在除塵風機吸風口后，沿綜掘機機體寬度方向共布置22個風噴嘴，即保證了有效封閉掘進斷面，同時也保證了粉塵不易擴散到司機作業(yè)處等作業(yè)地點。（4）本研究項目對抽出式除塵風機的吸風口及安裝（6）通過現(xiàn)場測定5306軌順綜掘面、5305切眼、軌順綜掘面現(xiàn)場的通風和和防塵效果，證實本課題研究的封閉式控塵方式能夠保證供給掘進工作面的風量充足，各項指標滿足規(guī)程要求；提出的封閉式控塵技術能夠保證極大的降低現(xiàn)場作業(yè)地點的煤塵濃度，采取擋塵簾形式以及采用空氣風幕形式的封閉式控塵系統(tǒng)后，現(xiàn)場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)，同時也極大的提高的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境質量。工業(yè)性試驗的成功也表明本項目提出的封閉式控塵技術能夠實現(xiàn)巷道的快速掘進，同時也能夠解決由于成巷速度快而引起的粉塵含量高問題，保證掘進生產(chǎn)的高速高效開展。（6）通過現(xiàn)場測定5306軌順綜掘面、5305謝謝謝謝綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的研究與應用兗州煤業(yè)股份有限公司山東科技大學2007.11.3綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的研究與應用兗州煤業(yè)股份有限公司20

1課題的提出及意義

2局部通風系統(tǒng)的研究

3采用封閉式控塵系統(tǒng)的掘進工作面流場

規(guī)律研究

4噴霧降塵技術研究

5封閉式控塵技術在綜掘工作面的應用

6結論1課題的提出及意義

2局部通風系統(tǒng)的研究

3采用封（1）綜掘技術在提高巷道掘進進尺的同時也導致掘進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了一定的困難。

（2）綜掘巷道的設計和掘進長度一般在1000m以上，這樣多造成獨頭長距離通風的現(xiàn)象，這也就導致風筒出口的有效風量減少，出口風速小，尤其是在風流的速度低于0.5m/s時，巷道的局部將會出現(xiàn)瓦斯、粉塵積聚。

（3）煤礦粉塵因其自身的理化特性，導致其在具有爆炸危險性的同時，還具有降低精密設備使用壽命、降低現(xiàn)場可見度、容易自燃以及導致長期接塵人員患職業(yè)?。▔m肺?。?。

（4）據(jù)現(xiàn)場實測，在不采用綜合防塵措施情況下，機掘工作面的粉塵濃度為2000~3000mg/m3，個別高達6000mg/m3左右，不難看出，機掘防塵是礦井綜合防塵極為關鍵重要的一環(huán)。

1課題的提出及意義（1）綜掘技術在提高巷道掘進進尺的同時也導致掘進巷兗州煤業(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，長期以來從技術、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和效果，巷道掘進的月平均進尺達到400～500m左右。

在掘進水平提高的同時，掘進工作面現(xiàn)場的粉塵防治技術并未隨之提高，現(xiàn)場粉塵危害仍然十分嚴重。因此，為了保障安全、高效掘進，就必須解決綜掘工作面粉塵濃度高的問題，兗州煤業(yè)股份有限公司和山東科技大學共同承擔進行了綜掘工作面封閉式控塵技術的研究。

該項目研究并提出了封閉掘進工作面回風斷面、采用綜掘機內噴霧并充分發(fā)揮其作用、采用高效抽出式除塵風機以及合理布置抽出式風筒的吸風口的位置、加強轉載點、風筒重疊段等區(qū)域的降塵的綜掘工作面封閉式控塵系統(tǒng)的控塵技術。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局部通風方式的確定

2.2掘進工作面需風量及風機選型

2.3

局部通風機安裝地點的研究

2.4

除塵風機的選型

2.5風筒選型

2.6通風系統(tǒng)

2局部通風系統(tǒng)的研究2.1局部通風方式的確定

2.2掘進工作面需風量及風機選目前，綜掘工作面的局部通風方法有：單抽出式、長抽短壓、長壓短抽和長抽長壓式通風方法。這四種通風方法對于治理綜掘工作面瓦斯、煤塵各有利弊。2.1

局部通風方式的確定目前，綜掘工作面的局部通風方法有：單抽出式、長由于受到我國除塵風機功率小、國外大型抽出式風機（體積大、質量大）不適合國內生產(chǎn)現(xiàn)狀，因此，第一和第二種通風方式還不能滿足綜掘機掘進通風的需要。而采用第四種通風方式時，整個巷道全部處在風筒重疊段，容易產(chǎn)生微風，造成瓦斯積聚，且管理困難。為此考慮我國目前的掘進通風現(xiàn)狀，只有選擇第三種通風方式——長壓短抽式通風方式來解決綜掘機掘進通風問題，其關鍵是選擇高效、可靠的除塵風機和確定壓入式通風機的有效通風距離。由于受到我國除塵風機功率小、國外大型抽出式風機根據(jù)集團公司的配風細則：每個獨立通風的掘進工作面實際需要的風量，應按巷道斷面、瓦斯或二氧化碳涌出量、局部通風機實際吸風量、風速和人數(shù)等規(guī)定要求分別進行計算，并必須采取其中最大值。根據(jù)有關計算公式可確定掘進工作面需風量為252m3/min。

考慮掘進面需風量以及風筒、管理等因素對局部通風機的吸風量進行計算，根據(jù)計算結果及現(xiàn)場實際，選定DKJ—No.5.6對旋軸流式局部通風機作為軌道順槽掘進工作面的壓入式風機。該風機的性能參數(shù)為：

型號：DKJ—No.5.6對旋軸流式局部通風機；

風機風量：180~350m3/min；全風壓：700～5200Pa；

全壓效率：≥80%；功率：18.5KW×2；2.2

掘進工作面需風量及風機選型根據(jù)集團公司的配風細則：每個獨立通風的掘進工考慮現(xiàn)場實際情況以及《煤礦安全規(guī)程》第一百零一條有關規(guī)定，將5306掘進面的局部通風機放置在5306四號聯(lián)的新鮮風流處，且距回風口不小于10m；5305掘進面局部通風機安設在五采一軌上部的新鮮風流處，且距回風口不小于10m。2.3

局部通風機安裝地點的研究2.4

除塵風機的選型根據(jù)國內外的有關技術資料，目前我國綜掘使用的除塵器主要有以下幾種：濕式旋流除塵器、SCF-6型濕式除塵風機，KGC-Ⅲ型掘進機除塵器，PSCF-Ⅱ型水射流除塵風機，ZZJC-Ⅱ-B型濕式振弦除塵器等。根據(jù)目前我國煤礦綜掘工作面目前使用的除塵器的特點，結合鮑店煤礦S-150綜掘機以及現(xiàn)場的實際情況，確定選用除塵效果較好的重慶兆魏礦山機電設備公司生產(chǎn)的KCS-300濕式旋流除塵器?？紤]現(xiàn)場實際情況以及《煤礦安全規(guī)程》第一百零KCS-300型除塵器結構示意圖KCS-300型除塵器結構示意圖除塵風機除塵的作用過程為：利用風機葉輪高速旋轉，在進風窗及兩筒口形成負壓區(qū)，將周圍空氣連同綜掘機截割煤壁時所產(chǎn)生的粉塵全部吸入負壓風筒內，然后進入除塵風機并與噴霧相遇，含塵氣流通過沖突網(wǎng)（一般由5層10目銅網(wǎng)組成，阻力為1.96~2.45kPa），此時，含塵氣流被噴嘴噴射形成的水霧所濕潤，一部分粉塵凝聚沉降，未凝聚部分粉塵濕潤后再進入風機，固定在葉輪上的發(fā)霧盤高速旋轉，將水流分散成更加細小的霧滴，并與含塵氣流進一步混合，使粉塵進一步濕潤和凝聚。風流自風機出來后，在葉輪旋轉作用下產(chǎn)生旋轉流動，進入脫水器，水滴及濕潤的粉塵被水環(huán)阻擋而流至脫水槽中，而風流則經(jīng)導流器排出除塵風機。

因此，濕式旋流除塵風機的除塵原理比較復雜，牽涉到噴霧捕集粉塵、物理過濾、粉塵旋流運動等多種原理，概括而言，其機理主要包括濕式除塵（噴霧降塵）部分和旋轉流場兩部分。除塵風機除塵的作用過程為：利用風機葉輪高速旋噴霧降塵機理研究

旋轉流場理論研究

噴霧降塵機理研究

旋轉流場理論研究

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

KCS-300濕式旋流除塵風機，長度為1900根據(jù)相似理論，在將工作面風流簡化為定常流動，忽略掘進機掘進和煤炭運輸時對掘進迎頭風流場的擾動作用，假定塵源產(chǎn)塵量穩(wěn)定、巷道內溫度、壓力恒定，按照模型：實際=1：10的比例建立模型巷道中進行粉塵分布試驗來確定掘進迎頭斷面上的粉塵分布規(guī)律。實驗結果分析如下圖所示。

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

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

風筒選型2.6通風系統(tǒng)封閉式控塵的通風系統(tǒng)如下圖所示。風筒的選型根據(jù)巷道斷面面積來確定最小風筒直徑改進前（5306軌順掘進面）現(xiàn)場設備布置示意圖改進后（53052切眼、軌順掘進面）空氣風幕布置示意圖改進前（5306軌順掘進面）現(xiàn)場設備布置示意圖改進后（5303采用封閉式控塵系統(tǒng)的掘進工作面流場規(guī)律研究3.1封閉式控塵系統(tǒng)流場運動的理論分析

3.2封閉式控塵系統(tǒng)流場模擬分析

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)的掘進工作面流場規(guī)律研究3.1封閉式掘進頭風流的流動和流場分布直接影響到風流和工作面瓦斯、粉塵的質量交換過程，也影響到工作面粉塵的分布。

為了準確掌握綜掘工作面風速分布狀況和研究煤塵分布的規(guī)律，就必要進一步對局部通風掘進工作面的風流分布進行探討。本課題采用三維k-ε紊流模型來描述壓入式局部通風工作面風流的流動過程；用計算流體力學的方法求得了三維k-ε紊流模型的數(shù)值解，應用控制容積法導出了描述流體流動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，TDMA（三對角線算法）和Gauss-Seidel法結合通過線順法求解離散方程，利用弱松弛法防止非線性方程組迭代求解過程中的發(fā)散現(xiàn)象，獲得了掘進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)流場運動的理論分析掘進頭風流的流動和流場分布直接影響到風流和工作局部通風工作面紊流風流的高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個方程。局部通風工作面紊流風流的高Reynolds數(shù)k控制容積法的基本原理是將計算領域分成一系列互不重疊的容積單元，每一個容積單元包含一個網(wǎng)格節(jié)點。將基本物理原理應用于控制容積單元和穿過單元表面的流體。應用控制容積模型，分析只集中在每一個容積單元上。根據(jù)基本物理原理直接在一個微小容積單元進行積分以獲得流體的流動方程，單元體如下圖所示?？刂迫莘e法的基本原理是將計算領域分成一系列互不重疊

SIMPLE算法被用來解算流場。TDMA和Gauss－Seidel法結合，通過線順法求解離散方程。弱松弛法被用來防止非線性方程組迭代求解過程中的發(fā)散現(xiàn)象。SIMPLE算法解算流場的計算步驟如下：

（1）假設一個壓力場；

（2）解算方程，求解在假設壓力場下的近似速度分布；

（3）求解壓力補正值，對假設壓力場進行補正；

（4）求解速度矯正值，速度場矯正；

（5）求解紊流能量k和耗散率ε；

（6）將經(jīng)過補正的壓力場作為新的假設壓力場，返回第二步，重復（2）~

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

封閉式控塵流場模擬分析根據(jù)上述理論和計算方法，用Fortran語言編掘進機轉速為23r/min時掘進工作面的風流場分布情況掘進機轉速為23r/min時掘進工作面的風流場分布情況通過對模擬解算得到的不同截割速度下現(xiàn)場的風流場情況可見，掘進工作面的風流場并不會隨著掘進機掘進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迎頭處，亦即擋塵簾前方（掘進迎頭后方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，擋塵簾前方掘進工作面的風流場分布是一個由小到大分布，在擋塵簾后則是一個由大到小再由小到大的分布情況。從模擬解算的結果來看，掘進工作面的風流場情況基本穩(wěn)定，無太大變化。因此，在上述研究方案提出的供風量和抽出式風量下，掘進工作面不會出現(xiàn)風流場紊亂情況。通過對模擬解算得到的不同截割速度下現(xiàn)場的風流掘進機轉速為23r/min時掘進工作面的粉塵場分布情況掘進機轉速為23r/min時掘進工作面的粉塵場分布情況在掘進機切割滾筒轉速分別為23r/min、30r/min、35r/min、40r/min時，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。隨著掘進機截割速度的提高，現(xiàn)場的粉塵濃度相應增加。

從現(xiàn)場粉塵分布圖中可見，40r/min時的粉塵增加絕對量并不是很大。而掘進機的規(guī)定轉速在23~46r/min之間，因此，從保證掘進速度、保護掘進設備以及掘進工作面的粉塵產(chǎn)生量三個方面綜合考慮，掘進機的切割滾筒轉速選擇在40r/min左右時比較合適。在掘進機切割滾筒轉速分別為23r/min、3根據(jù)上述理論及模型，在同樣的條件下，針對不采取封閉式控塵系統(tǒng)、在掘進機的切割滾筒轉速為40r/min時，對掘進迎頭現(xiàn)場的粉塵濃度分布情況進行了模擬，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機轉速為40r/min時掘進工作面的粉塵場分布情況（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，針對不采取與同樣轉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，掘進過程中產(chǎn)生的粉塵大部分被限制在掘進迎頭與封閉（擋塵簾或空氣風幕）之間的狹窄空間中，而在封閉（擋塵簾或空氣風幕）之后部分（如掘進機司機作業(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，這就極大地保護了現(xiàn)場作業(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機的除塵效率，增加了抽出式除塵風機的有用功。與同樣轉速但采取了封閉式控塵系統(tǒng)的模擬情況比4噴霧降塵技術研究4.1噴霧霧化及影響參數(shù)

4.2霧滴及塵粒運動的研究

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，從噴嘴噴出的高速水流經(jīng)過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。當壓力達到6MPa時就具有較強的卷吸作用，一旦超過10MPa時卷吸作用就十分強烈。霧滴在射流全長上的運動速度超過了沉降速度，不出現(xiàn)低壓噴霧時明顯的衰減區(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，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）液束的結構參數(shù)：長度、直徑等；（3）噴嘴的參數(shù)：噴嘴霧化類型、噴嘴結構、噴嘴材質、內部光滑度等。如用無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—噴嘴的類型（如機械式霧化、超聲霧化等）；

C—噴嘴的材質。

根據(jù)霧化理論，影響霧滴直徑的因素主要有：（1）從理論上來講，霧滴的形成過程、霧滴（塵粒）在風流中的運動以及霧滴捕捉塵粒的運動是極其復雜的，這主要是由于：霧滴（塵粒）的幾何形狀復雜（多為非球形不規(guī)則的形狀）；運動中受到多種力的作用（如自身重力、空氣浮力、氣動阻力、壓強梯度力、附加質量力、瑪格努斯效應等）；工作面大型設備多，尤其是支架支柱的阻擋作用導致工作面流場情況復雜。為了建立簡單的數(shù)學模型，研究中引入下述假設：

（1）假設霧滴（塵粒）是球形顆粒；

（2）假設霧滴（塵粒）自身無旋轉運動，忽略瑪格努斯效應；假設整個流場中溫度、壓強處處相等，不存在溫度梯度和壓強梯度；忽略附加質量力、巴塞特力和薩夫曼升力等高階小力；

（3）忽略擴散對霧滴（塵粒）運動帶來的影響，風流沿霧滴（塵粒）運動主流方向取平均風速。

4.2霧滴及塵粒運動的研究從理論上來講，霧滴的形成過程、霧滴（塵粒）在風忽略入水動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)的基礎上可以得到噴嘴的流量：

霧滴在空氣中運動時，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（質交換），亦即球形霧滴會在風流的作用下發(fā)生蒸發(fā)、擴散等現(xiàn)象。根據(jù)傳熱傳質學理論可得標態(tài)下某粒徑液滴在空氣中的存活時間為：

忽略入水動能以及出水口壓力能，則可得噴霧液滴考慮粘性流動，可以得到流體的流動方程：煤塵截留機理中煤塵在流場中變速運動的近似描述：考慮粘性流動，可以得到流體的流動方程：在3MPa壓力下，對不同孔徑的噴嘴測定了其噴嘴中心線處的霧場粒徑分布情況，試驗數(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，對不同孔徑的噴嘴測定了其噴嘴綜合考慮粉塵產(chǎn)生源在空間和時間上的擴散規(guī)律，以及工人接觸粉塵情況的代表性，現(xiàn)場的粉塵采樣點應根據(jù)作業(yè)流程和工人操作方法確定。根據(jù)掘進工藝、國家標準（GB5748-85、MT79-84）確定掘進工作面的粉塵采樣點布置如下圖所示：綜合考慮粉塵產(chǎn)生源在空間和時間上的擴散規(guī)律，從上圖可見，現(xiàn)場粉塵的組成中占整個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（噴嘴噴霧霧場粒徑分布、現(xiàn)場粉塵分散度情況）分析的基礎上，選定1.5mm孔徑的不銹鋼噴嘴作為轉載噴霧和風流凈化水幕所用的噴霧降塵噴嘴。從上圖可見，現(xiàn)場粉塵的組成中占整個工作面空間5.1封閉式控塵技術（改進前）現(xiàn)場應用效

果分析

5.2封閉式控塵技術（改進后）現(xiàn)場應用效

果分析

5.3改進前后兩種封閉式除塵系統(tǒng)方案比較

5封閉式控塵技術在綜掘工作面的應用5.1封閉式控塵技術（改進前）現(xiàn)場應用效

果分

5306②軌道順槽掘進工作面主要用于5306工作面通風、行人及生產(chǎn)，跟底板掘進，5306②軌道順槽斷面形狀為矩形，斷面面積為14.26m2，巷道設計長度為464m，服務年限為1年。該掘進工作面自2007年3月份開工，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，結構簡單，屬半暗~半亮型煤，具條帶狀結構，層狀構造。工作面內煤層傾角2o~10o，一般為6o左右。煤層瓦斯相對涌出量為1.879m3/t，瓦斯絕對涌出量為0.151m3/min；二氧化碳相對涌出量為5.172m3/t，二氧化碳絕對涌出量為0.417m3/min，根據(jù)瓦斯等級鑒定結果，礦井屬低瓦斯礦井。煤塵具有爆炸危險，爆炸指數(shù)38.26％～42.16％。煤層自然發(fā)火期為3～6個月。5.1封閉式控塵技術（改進前）現(xiàn)場應用

效果分析5306②軌道順槽掘進工作面主要用于530壓入式局部通風機基本參數(shù)序號A-A斷面風速（m/min）B-B斷面風速（m/min）C-C斷面風速（m/min）風筒長度（m）壓差計數(shù)值（Pa）風筒距迎頭距離（m）備注1點2點147.581827390132238212248.102230450134039011347.022029520133236012抽出式局部通風機基本參數(shù)序號出口斷面風速（m/min）重合段風速（m/min）重合段長度（m）風筒距迎頭長（m）壓差計數(shù)值（Pa）風筒長度（m）備注①點②點113.09.7142.583268525212.89.5152.584071525313.610.1152.582869025表5.25306②軌順掘進面通風參數(shù)數(shù)據(jù)表5.35306②軌順掘進面粉塵數(shù)據(jù)除塵風機降塵效果測定運行狀態(tài)掘進面迎頭司機作業(yè)點轉載機尾處風筒重合段中部測定日期全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵全塵呼塵綜掘機噴霧開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降塵效果測定風筒長238.878.616.74.320.06.8103.04.14風筒長182.561.413.34.428.49.513.94.54.17風筒長253.682.326.710.525.38.411.84.14.20平均225.074.118.96.424.68.211.93.9掘進面不采用防塵設施時的粉塵濃度數(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壓入式局部通風機基本參數(shù)序號A-A斷面風速（m/min）B-根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到表5.4

表5.4擋塵簾封閉斷面時不同防塵方案的降塵效率比較

測點位置

數(shù)防塵方案

據(jù)掘進面迎頭司機作業(yè)點轉載機尾處風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機開啟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，采用綜合除塵措施，亦即采用擋塵簾裝置的同時開啟除塵風機，此時工作面現(xiàn)場的降塵效率較高，司機作業(yè)處、風筒重合段中部的粉塵濃度（全塵和呼塵）的沉降效率最高達到了95.8%，如此高的粉塵沉降效率明顯降低了接塵最嚴重處——司機作業(yè)處人員患職業(yè)病危害的可能性。通過計算得到，整個工作面空間的粉塵平均沉降效率接近90%，比僅僅開啟除塵風機的防塵方案的效率要高十個百分點，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。根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到表5.4

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

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

5.2封閉式控塵技術（改進后）現(xiàn)場應用效果分析5305②軌道順槽長1562m，主要用于530表5.65305②軌順掘進面通風參數(shù)數(shù)據(jù)表5.75305②軌順掘進面粉塵數(shù)據(jù)壓入式局部通風機基本參數(shù)序號A-A斷面風速（m/min）B-B斷面風速（m/min）C-C斷面風速（m/min）風筒長度（m）風筒距迎頭距離（m）備注148.302032.636012247.101932.242011347.902131.458012抽出式局部通風機基本參數(shù)序號出口斷面風速（m/min）重合段