基于煤巷掘进粉尘分布的干式除尘布局优化

张建国， 孙海良， 张国川， 王海涛， 姜德义， 范劲松， 刘戎*

(1.炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室， 平顶山 467000； 2. 中国平煤神马能源化工集团有限责任公司， 平顶山 467000； 3. 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室， 重庆 400044)

随着煤巷掘进机械化程度的不断提高，煤巷掘进工作面具有了更高效的掘进速率，但是与此同时,巷道掘进中的粉尘灾害也越来越严重。高浓度的粉尘环境严重影响着煤矿工作人员的身心健康，增加了感染尘肺病的概率。如今，尘肺病已经成为中国最严重的职业病之一，中国2019年新增职业病人19 428例，其中尘肺病占到了15 898例[1]，而且大部分尘肺病人来自煤矿。中国早在2016年就出台《“健康中国2030”规划纲要》等一系列政策法规以推进中国国民健康[2]，而现如今粉尘依旧危害着井下工人的健康。此外严重的爆炸性同样威胁着井下工人的生命安危[3]。

为了解决粉尘危害，出现了减尘、降尘、排尘、除尘和个体防护(阻尘)等措施[4-12]。然而，在不采取防尘措施的情况下，煤矿中工作面的粉尘浓度仍然可以达到4 000 mg/m3以上[13]。在不采取任何防尘措施的情况下综掘工作面的粉尘浓度也可达到3 000 mg/m3以上[14]。为了降低掘进工作面的粉尘，国内外学者开展了一系列有关粉尘治理措施的研究。关于喷雾降尘措施，研究人员从喷雾粒径、供水压力对降尘的影响[15]出发，到雾化能力[16]、喷嘴设计[17-18]，并最终提出了降尘装置[19]。水炮泥降尘技术也被广泛应用在爆破降尘领域，研究人员通过改变溶液表面张力和湿润能力提高水炮泥的降尘效果[20-21]，然而这种方法仅能应用在采用爆破掘进的巷道中。泡沫也具有良好的降尘效果，加入发泡剂的溶液湿润率可以提高30倍[22]，且具有较好的隔离性能[23]，提高了降尘效率。然而，以上方法有的具有一定的局限性，有的会消耗大量的水，导致巷道内泥泞不堪的同时也对煤质有一定影响。例如，KCS-300D湿式除尘器日耗水量高达86.4 t。根据现场实际应用情况发现，煤层注水的降尘效率一般低于50%，喷雾降尘效率在50%～70%，泡沫降尘虽然具有较高的效率但是工艺相对复杂，添加剂十分昂贵。

在众多的粉尘治理措施中，由于干式除尘技术具有耗水量小、工艺简单、二次污染小等优点，因此被广泛应用在煤矿巷道掘进中。然而井下工作人员在面对干式除尘器时，并不明确采用何种布局方式可以获得最优的降尘效率。

为了优化干式除尘系统的布局，提高干式除尘系统的除尘效率，现采用数值模拟的方法对干式除尘系统的除尘风筒及局部通风机风筒的相对位置对粉尘的分布影响进行研究，并对除尘风筒至掘进头的距离对粉尘的分布进行研究，根据研究结果提出除尘风筒的优化布局方式。

1 煤巷掘进干式除尘技术

矿用干式除尘器具有除尘效率高、零耗水、无污染等优点，可以有效地抑制粉尘扩散，改善工作面环境。矿用干式除尘器的结构主要由防爆除尘本体和防爆轴流抽出式风机组成，如图1所示。

图1 矿用干式除尘器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of mine dry dust collector structure

干式除尘器工作时，含尘烟气从进气口被吸入除尘器本体中，在气流分布板均流的作用下均匀充满整个箱体，在后置引风机的作用下，含有粉尘的气体穿过滤筒，粉尘颗粒被滞留在滤筒表面，洁净气体穿过滤筒进入箱体并由出风口排出，达到降尘的作用。该方法不会对环境产生任何负面影响，不会出现二次污染。

当滤筒上积累的粉尘达到一定量后，通过手动开关阀控制脉冲阀喷吹，各排滤筒清灰依次进行，压缩空气通过喷吹管上正对滤筒的小孔以高速冲出，在其冲入滤筒内部的同时，又诱生一股数倍于压缩空气的二次气流，产生一种瞬时冲击波并沿整个褶式滤筒的高度方向向下传播，使聚积在滤筒外表面的粉尘落下，达到自清洁过程。

为了提高干式除尘器的工作效率，荔军等[24]研究了在掘进现场使用的实际情况，研究发现缩短除尘器与工作面的距离可以有效地保证除尘效率。白雁楠[25]通过现场测试的方法探究了除尘器抽出式风筒与巷道压入式风筒组合方式以及抽出式与压入式风量比对除尘效果的影响。研究设置了8种组合，通过实测司机位置处的粉尘浓度判断除尘效果，但对除尘效率影响的关键因素抽出式风筒入口与掘进面之间的距离仅有两个变量，无法准确地获得除尘风筒布置的最优位置。

2 干式除尘器作用下巷道中流场分布研究

2.1 巷道模型介绍及计算设置

采用数值模拟软件Fluent对巷道中的粉尘分布进行研究，其中模型长度为60 m，局部通风系统的送风风筒布置在巷道的右侧，出风口距离掘进头的长度为25 m，设置简化的掘进机(长×宽×高为10 m×2.5 m×3 m)，如图2所示。

研究干式除尘器的除尘风筒与局部通风机风筒相对位置对除尘效率的影响时设置了3种不同工况进行研究，3种工况分别是除尘风筒位于巷道中部、除尘风筒位于巷道左侧以及除尘风筒位于巷道左侧且有掘进机的情况，如图3所示。

图3 除尘风筒不同位置的模型Fig.3 Models of different positions of dust collector air duct

为了研究除尘风筒入口距离掘进头的长度对除尘效率的影响，研究设置了干式除尘机负压吸风筒距离掘进头的距离分别为2、3、4、5、6 m。如图4所示。

图4 除尘风筒入口距离掘进头不同的长度模型Fig.4 Models of different lengths from the entrance of the dust collector air duct to the heading head

计算时，采用压力隐式算子分割(pressure implicit with splitting of operators，PISO)算法计算巷道内粉尘的扩散和运移，采用standard作为离散格式。局部通风机风筒入口为velocity-inlet(速度入口)。巷道洞口设置为outflow(自由流出)边界。边界条件的设置根据首山一矿的实际情况进行设置，边界条件设置如表1所示。设置离散相参数如表2所示，其中粉尘的粒径分布是首山一矿现场取样并采用Mastersizer 2000激光粒度仪测定获得。计算模型的详细设置如表3所示。

表1 边界条件设置Table 1 Boundary condition settings

表2 离散相模型参数设置Table 2 Discrete phase model parameter settings

表3 计算模型设置Table 3 Calculation model settings

2.2 数值模拟数据与实测数据对比

为了验证数值模拟的准确性，首先对比了数值模拟结果中粉尘的数据和现场实测的粉尘数据。现场实测采用粉尘浓度的测试采用呼吸性粉尘采样器(CCZ20型)，实测时巷道一侧布置了皮带运输机，因此粉尘取样的位置选择距离地面1.6 m且靠近另一侧壁面1 m处。数值模拟的结果输出选择同样的位置。进行现场粉尘实测时，取样器流量选择15 L/mim，取样时间选择10 min，距离工作面每10 m选取一个测点。数值模拟和实测结果对比见图5。

图5 粉尘浓度对比图Fig.5 Dust concentration comparison chart

模拟结果与现场实测的变化趋势基本一致，说明其相关性良好，数值模拟得到的粉尘浓度变化规律与实际情况基本一致。虽然有一定的误差，但是现场实测的是一个时间段的平均值，而数值模拟结果是某一时刻的瞬时值，两者变化趋势相同即可证明数值模拟结果的准确性。

2.3 干式除尘器和通风系统共同作用下巷道流场研究

图6为除尘风筒布置在巷道中部时的风流结构图。从流场矢量图和迹线图可以明显地看出：高速风流通过风筒进入巷道中，在巷道壁面的限制作用下，进行贴壁射流，清洗掘进头工作面后回流到巷道内，根据风流结构，可以将巷道掘进头附近的风流分为射流区、涡流区和回流区。除尘风筒的进风口处于涡流区的内部，由于除尘风筒的进风口布置在中部，因此大部分风流是从除尘风筒进风口的后端经过“绕行”后进入风筒中的，导致只有一小部分风流能够被吸入除尘风筒中。

图6 除尘风筒位于巷道中部时巷道内流场图Fig.6 Flow field diagram in the roadway when the dust collector air duct is located in the middle of the roadway

分析不同高度处风流的流场结构可以发现：相比于3.0 m处，高度为1.6 m的涡流区具有更大的影响范围。还可以观察到，高度为1.6 m处的风流结构更加复杂，涡流区外部还有几个较小的涡流场，而3.0 m高度处的风流相对简单，只有一个涡流区，说明除尘风机作用产生的负压对巷道内的流场产生的影响较大，引起了除尘风筒下部风流场的变化，使得流场更加复杂，这样的流场非常不利于粉尘被除尘风筒吸入。

除尘风筒布置在巷道左侧时巷道内流场见图7。流场的整体结构依旧可以分为射流区、回流区和涡流区。但是与图6中不同的是，风流结构更加简单、清晰，回风风流能够较顺畅的进入到除尘风筒中，不同高度处的涡流区分布也较单一，3.0 m高度处的流场可以清晰地看到进入除尘风筒的趋势。从迹线图中可以看出，虽然仍有“绕行”现象，但是相较于图6中的“绕行”现象有了极大的好转，且涡流区的面积减小了。

图7 除尘风筒位于巷道左侧时巷道内流场图Fig.7 Flow field diagram in the roadway when the dust collector air duct is located at the left side of the roadway

当巷道中有掘进机时，流场结构图见图8。巷道中掘进机对风流结构的影响较大，流场分别在掘进机前后两端形成了两个涡流区。由于掘进机前段至掌子面距离较小，因此这个区域内的涡流区面积也较小，由于掘进机对风流的限制，使得大部分风流最终可以进入到除尘风筒中。在掘进机尾部，涡流区具有较大的面积，涡流区中的风流速度相对于其他地方来说，速度较小。从以上的研究可以发现，当除尘风筒与局部通风机风筒分布在巷道两侧时，风流结构更加简单，而简单的风流结构更有利于污染物的运移和扩散。当巷道中有掘进机存在时，掘进机占据了断面上绝大部分的空间，对风流结构影响很大，两个涡流区的出现更是改变了巷道中原有的风流结构。但是掘进机前段的风流经过流动后可以顺利地进入除尘风筒中，尾部的涡流区中具有较小的风速，也更加有利于粉尘浓度的降低。

图8 巷道内设置掘进机时的流场结构图Fig.8 Flow field diagram when a roadheader is located in the roadway

3 干式除尘器作用下巷道内粉尘分布研究

3.1 除尘风筒和局部通风机风筒相对位置对粉尘的影响

研究除尘风筒和局部通风机风筒相对位置对粉尘扩散影响时，模型统一采用除尘风筒距离掘进头3 m时的模型进行研究。图9展示了除尘风筒位于巷道中部时粉尘的分布情况。分别观察巷道内整体并截取高度为1.6 m和3 m的两个平面观察巷道中粉尘的浓度分布。可以很明显地看出，粉尘在巷道中呈现出“V”字形分布，这是由于中间的粉尘可以较好地被除尘风筒吸入而形成的。此外，3 m高度处高浓度粉尘的范围略小于1.6 m处的，这样分布的原因一方面是因为粉尘自身重量导致粉尘沉降，另一方面是因为除尘风筒布置在该高度处，可以有限吸收该高度处的粉尘。此外，还可以发现巷道右侧被粉尘污染的区域小于左侧被污染的区域，这主要是由于局部通风机风筒布置在该处，让新鲜风从右侧进入，粉尘被新鲜风推入了巷道左侧，使得左侧污染区域较大。

当除尘风筒位于巷道左侧时，巷道中的粉尘浓度见图10，粉尘不在呈现“V”字形分布，而是呈现出左边浓度高，右边浓度低情况，这是由于粉尘被除尘风筒吸入造成的。高浓度区域的影响范围也远小于将除尘风筒布置在中部时的情况。这一点很好地说明，除尘风筒布置在左侧(与进风风筒相对的一侧)时，除尘效果远好于除尘风筒布置在中部的情况。因此，后续计算中的除尘风筒统一布置在左侧。对比同样在3 m处粉尘分布情况还可以发现，图9除尘风筒中的粉尘浓度明显高于图8中，说明这样的布局中的干式除尘风器具有更高的工作效率，能够为掘进头提供更好的工作环境。

图9 除尘风筒位于巷道中部时不同高度粉尘分布图Fig.9 Dust distribution diagram at different heights when the dust collector air duct is located in the middle of the roadway

图10 除尘风筒位于巷道左侧时不同高度粉尘分布图Fig.10 Dust distribution diagram at different heights when the dust collector air duct is located on the left side of the roadway

当巷道中加入掘进机时，巷道内掘进粉尘的分布情况见图11。在掘进机的影响下，高浓度的粉尘贴近壁面，呈现出“同”字形分布。整个巷道中的粉尘浓度分布，可以分为3个区域，首先是重度浓度区，主要分布在掘进工作面和两帮壁面附近，该区域粉尘浓度远高于其他区域。其次是掘进机所处的位置范围内，该区域内粉尘浓度远高于掘进机尾部以后的区域但又小于重度浓度区的粉尘浓度。在掘进机尾部涡流的作用下，该区域内部的粉尘只有较少数会扩散至掘进机范围外部，大部分能够被干式除尘器吸收。而扩散出去的粉尘会进入第3个区域——轻度浓度区。该区域粉尘团零星分布，大部分集中在巷道左侧(远离进风风筒处)，且在局部通风机风筒出风口的后端处截止，同样在涡流的作用下，该区域内的粉尘较难继续通过风流的输运作用被排出，因此在进风风筒出风口的后端粉尘浓度再一次出现了快速降低，粉尘浓度更低。

图11 除尘风筒位于巷道左侧时不同高度粉尘分布图Fig.11 Dust distribution diagram at different heights when the dust collector air duct is located on the left side of the roadway

3.2 除尘风筒至掘进头的距离对粉尘分布的影响

在除尘风筒至掘进工作面距离对粉尘的分布影响研究中，分别设置了距离为2、3、4、5和6 m共5种情况，计算完整后同样截取1.6 m和3 m两个高度处的粉尘分布以及巷道中粉尘的整体分布情况(图12)。

图12 不同高度下巷道内粉尘分布情况Fig.12 Dust distribution in roadways at different heights

从粉尘的分布情况可发现，当距离为6 m时，除尘效果要比2～5 m的情况差很多，整个巷道中基本上都分布有粉尘，很多掘进产生的粉尘并没有被吸入除尘风筒中，而是随着风流扩散至整个巷道中，该情况说明除尘风筒进风口距离掘进头距离较大时，不利于粉尘被吸入。当距离为2～5 m时，巷道中粉尘的分布情况比较相似，大部分都集中在掘进头附近，且巷道中粉尘分布较少，说明绝大多数粉尘能够被吸入除尘风机中，起到较好的降尘效果。但是仔细观察可以发现，当时除尘风筒距离掘进头2 m或者5 m时，高浓度的粉尘(图中红色区域)面积及影响范围要大于3 m和4 m时的情况。对比3 m和4 m的情况可以发现：4 m时，高浓度的粉尘基本上是贴近壁面的，而中间浓度(图中绿色及浅蓝色)比较均匀地分布在距离掘进头2倍宽度范围内；此外，该距离下仍有一部分粉尘没有被吸入除尘风机内，沿着左边壁面向巷道洞口方向扩散；而当距离为3 m时，虽然高浓度的范围比4 m时大，但是距离掘进头2倍宽度范围内的整体粉尘浓度要低，尤其是司机位置处。由此可以发现，当巷道中没有掘进机工作时，除尘风筒进风口的最佳距离是3 m处。

当巷道中有掘进机以后，粉尘的分布同样受到了掘进机的影响(图13)，对比不同距离下巷道内粉尘的分布可以发现：大部分粉尘集中在掘进机范围内。从高度1.6 m处的平面上粉尘分布可以发现：在掘进机的影响下高浓度的粉尘基本上集中在巷道内右侧。3 m高度处的粉尘的分布规律基本相同。当除尘风筒距离只有2 m时，在掘进机的影响下，大量的粉尘没有能够被吸入到隧道中，反而被集中在了掘进头附近，使得该距离下掘进头附近粉尘浓度最高(掘进头区域最红)。在1.6 m高度处，不同距离下粉尘分布比较相似，但是距离6 m时，粉尘浓度相较于其他几个距离较大，影响的范围更广。而3 m时掘进机左侧的粉尘浓度也高于4 m和5 m时的情况；高度3 m处，距离为5 m的情况下，在除尘风筒进风口附近出现了一个小的低浓度区域，该区域浓度较低，可以明显看出大部分粉尘被吸进除尘风筒中，说明该距离下具有更好的除尘效果。

图13 巷道内设置掘进机时不同高度下巷道内粉尘分布情况Fig.13 Dust distribution in the roadway at different heights when the roadheader is located in the roadway

4 结论

采用数值模拟的方式研究了具有干式除尘器的巷道掘进时风流结构及粉尘分布情况，并通过粉尘分布情况分析了干式除尘器的最佳布局方式，得到以下结论。

(1)当除尘风筒布局在巷道中部时，风流流场更加复杂，涡流区多且乱；除尘风筒位于局部通风机风筒相对一侧时，风流结构清晰简单，污风能够较好的进入除尘风筒，“绕行”现象减缓；当巷道中具有掘进机时，对风流造成了较大的影响，在掘进机的前段和尾部均产生了涡流区。

(2)除尘风筒布置在巷道中部时会使得粉尘在掘进头附近呈现“V”字形分布，粉尘影响范围大；当除尘风筒布置在局部通风机风筒相对一侧时，除尘风筒能够更好地吸入掘进产生的粉尘，有利于粉尘的降低。

(3)当巷道中没有掘进机时，除尘风筒进风口布置在距离掘进头3 m的情况下，除尘效果最好；但是巷道中布置有掘进机时，最佳的除尘距离为5 m。