综掘工作面涡流控尘除尘系统的研究及应用.doc

综掘工作面涡流控尘除尘系统的研究及应用太原理工大学矿业工程学院2012级工程硕士 王浩目 录1 项目研究的背景及目标11.1研究背景11.2项目研究的内容及拟解决的关键问题11.3项目研究的预期成果21.4研究的目标22 掘进工作面通风降尘技术的现状及分析42.1 掘进工作面通风方式42.2掘进工作面防尘降尘技术分析62.2.1粉尘的危害和掘进工作面产尘特点62.2.2喷雾降尘技术分析72.2.3混合通风除尘技术分析82.3涡流控尘技术92.3.1空气风幕阻隔技术92.3.2涡流控尘技术102.4除尘风机的要求和选择122.4.1行业标准对除尘器的要求122.4.2湿式纤维栅除尘风机的性能133综掘工作面涡流控尘系统的设计153.1掘进巷道通风除尘工艺的设计153.1.1通风除尘系统的设计依据153.1.2通风除尘系统的设计163.1.3通风除尘系统工艺参数183.2除尘风机的选型183.3除尘风机的运载小车设计203.4附壁风筒的设计223.5附壁风筒的吊挂结构设计224涡流控尘技术的数值模拟及优化244.1数学模型的建立及数值计算方法244.1.1附壁风筒控尘系统数学模型的建立244.1.2数值模拟方法254.2物理模型及边界条件274.2.1物理模型274.2.2边界条件及颗粒源参数284.3掘进工作面流场和浓度场模拟结果284.3.1气流沿巷道的分布规律284.3.2司机前后流场分析294.4.3粉尘扩散规律304.4通风除尘系统性能比较和优化324.4.1附壁风筒位置变化对巷道内流场和浓度场的影响324.4.2有附壁风筒与无附壁风筒的比较334.4.3吸风口位置对巷道内流场和浓度场的影响344.4.4吸风口分布对巷道内流场和浓度场的影响354.4.5部分气流从附壁风筒的中心轴向方向喷出364.5结论385项目研究的实施过程395.1项目实施前的基本情况395.2项目实施过程中出现的问题和解决方案395.2.1除尘风机的选择问题395.2.2附壁风筒的安装415.2.3其它问题415.3工作面含尘浓度测试结果425.4涡流控尘技术存在的问题和解决方法436结论441 项目研究的背景及目标1.1研究背景太原煤气化集团公司嘉乐泉煤矿为低瓦斯煤矿，掘进巷道为煤巷，掘进机掘进。掘进巷道断面尺寸为宽3.2m、高2.5m，平顶，巷道面积8m2。煤矿掘进工作面是作业人员比较密集的场所，也是瓦斯涌出和产尘量较大的地方，威胁安全生产和故障人员健康。在嘉乐泉煤矿，利用的是长压短抽型的通风除尘形式，工作面新风由压入式灌入，污风再由抽风机抽出。这一通风方式存在以下问题：（1）压风冲击产尘点形成的含尘气流，不可能全部由抽出式风机抽出，有一部分必须进入巷道内，形成对巷道的非常污染；（2）工作面粉尘浓度高，掘进机司机处在粉尘气流中中，遮挡操作视线，容易造成安全事故，降低工作效率；（3）循环风易在除尘系统中出现，让效果不明显；（4）因为系统除尘效率不高，在污染的环境中，人工、设备共同作业，人体受损大；（5）存在粉尘爆炸隐患。粉尘的危害有目共睹。长期以来，集团公司领导十分重视掘进工作面粉尘污染问题，嘉乐泉煤矿也尝试了有关通风除尘方法，但治理效果不尽人意。集团公司通风管理部从维护矿工身体健康、保证煤矿安全生产和提高掘进工作效率出发，针对本公司煤矿特点，提出开展综掘工作面涡流控尘综合除尘系统研究，研究成果将为本公司所有煤矿的掘进工作面综合治理提供依据。1.2该项目研究的内容及拟解决的关键问题根据项目研究规划，研究内容包括：（1）合理应用综掘工作面涡流控尘系统依据现有煤矿的通风降尘系统，结合国内外应用研究成果和公司掘进巷道的特点，设计符合煤矿安全规程的通风除尘工艺，通过优化系统配备设备的结构和参数，把附壁风筒形成的涡流控尘技术应用在公司嘉乐泉煤矿综掘工作面上，实现掘进工作面的高效防尘降尘目的。（2）配套设备选择和设计从实际出现，设计出合理的附壁风筒，选择配备的除尘风机，明确输送机、掘进机、除尘系统三者间位置里阿尼。设计出相应的设备与结构支撑，保证掘进机与通风除尘系统一体化。设计吊挂设备，保障附壁风筒工作的随进退。（3）优化系统结构通过综掘工作面断面大小、巷道现有条件、支护形式、现场静压水压力、巷道风速、压入风量、瓦斯浓度、温度、坡度等参数以及皮带机、掘进机的规格尺寸的综合研究，以煤矿安全规程为前提，提出适合公司煤矿特点的综掘工作面粉尘综合防治方案。拟解决的关键问题：由于附壁风筒吊挂笨重，而工作面空间小，通风除尘系统关键问题是要解决附壁风筒如何吊挂、放置、移动问题。1.3项目研究的预期成果综掘工作面涡流控尘综合除尘系统研究的预期使用效果如下：在除尘系统吸入口，其总粉尘浓度平均值在440mg/m，在除尘系统排放口位置，其总粉尘浓度平均值为30mg/m，除尘系统实现了95%的除尘效率。在工作面掘进机司机位置，观察发现，总粉尘浓度也降低了不少，大约在80%，对掘进工作面粉尘浓度实现了有效降低，作业场所环境卫生也极大的得到改善。1.4研究的目标项目的目标包括近期目标和追求实现行业标准两个方面：（1）近期目标 以集团公司煤矿通风要求、井下条件为研究对象，结合国内外在掘进工作面使用的先进除尘系统，构建出适宜的、完整的、满足集团公司作业的通风除尘系统。 引进可伸缩风筒与带风门式附壁风筒，将导流风筒连接于附壁风筒之前，确保支护、掘进时有充分的风。 在位于皮带机尾的可移动小车上，布置了除尘器，在掘进机移动时，除尘器也移动，那么附壁风筒与除尘器间的距离也会满足一定的要求。（2）实现作业场所空气中粉尘浓度达标本着以人为本的原则，国家安全生产总局、国家煤矿安全监察局制定的煤矿安全规程规定了作业场所国家职业卫生标准，以及生产性粉尘监测应遵守的规定。作业场所空气中的粉尘浓度标准可见表1.1，依据是保证一个矿工在井下长期工作而不会达到初期尘肺病的特征。表1.1 作业场所空气中粉尘浓度标准粉尘中游离SiO2含量（%）允许最高浓度/（mgm3）总粉尘呼吸性粉尘101050508080102223.510.50.3在遵守国家相关职业卫生标准后，集团公司将会不断的利用通风降尘新工艺，希望实现无害化的生产作业，这是集团工作不断探索的目标。2 掘进工作面通风降尘技术的现状及分析在不断提升的煤矿井下机械操作技术前提下，生产效率也水涨船高，但也意味着掘进时，瓦斯、粉尘的量的增加。抓好“一通三防”工作是保障矿井安全生产和维护矿工身体健康的重要前提，为此，国内外开展了广泛的研究，出现了很多实用技术、设备和管理规程。在对现有的掘进工作面的通风降尘设备、技术进行分析后，希望能探索到与集团公司煤矿生产条件相符合的通风降尘方案。2.1 掘进工作面通风方式 通风，即向掘进工作面吹新鲜风，这样就可以对产生的有害成分进行消除，为工作人员提供舒适的空气环境。决定通多少风，需要确定风速、气温、含尘量、空气成分。单签，多数国家在掘进工作面环境改善工作中，都利用了现代科技，比如，瓦斯通风量的确定由巷道瓦斯含量进行观察，工作面粉尘污染由除尘风机消除，工作面热害由制冷机来消除等。当前，抽出式、压入式、混合式通风是常见的掘进工作面应用的通风形式。 （1）压入式通风在掘进巷道10m范围外，即进风侧巷道，安装局部通风机，经柔性风筒，新鲜气流便能进入工作面，然后沿着掘进巷道排除污风，这就是压入式通风。优点：在新鲜风流中安装局部通风机，煤尘与瓦斯爆炸不易出现，具有很好的安全性，风流的射程比较长。缺点：掘进巷道可排除污风，但会严重的污染回风系统与巷道中的工作人员，对人员身体造成危害。在半煤岩、煤巷通风，需要排除瓦斯，这时可采用压入式通风。（2）抽出式通风在回风侧巷道，该巷道主要与掘进巷道距离为10m，将局部通风机安装于此，沿着掘进巷工作面，新鲜风不断流出，局部通风机就可以抽出由风筒排除的污风，这就是抽出式通风。优点：从掘进巷道，新鲜风便能进入工作面，促使了巷道空气清新，改善了空气环境。缺点：如果局部通风机出现火花，粉尘、瓦斯可能出现爆炸。风筒中的粉尘集聚，不易清扫。吸程不大，没有多大的通风性能。柔性风筒使用困难。抽出式通风通常是不应用在瓦斯矿井中的。（3）混合式通风结合抽出式通风、压入式通风，可以得到混合式通风，该通风方式有抽出式、压入式通风的优越性，是掘进面通风常用的方式。工作面由压入式风筒而有了新风，工作面也因抽出式风筒将污风排除而不再浑浊。参考MT/T441-1995，规定了局部通风筒、风机的布置情况，并划分了混合式通风：长压短抽短压、长压短抽、长抽短抽、长抽短压。图2.1为四种混合通风布设位置，图2.1 四种混合通风布设位置1压入式风筒 2抽出式风筒 3压入式风机 4抽出式风机 5除尘风机（或抽出式风机） 6空调机分析混合式通风形式，良好的通风效果是其优点，该方式在长距离大断面掘进通风中比较常用。缺点：在抽出式、压入式方式中出现的重叠段风量，会比较的大。如果在较大的巷道掘进面，那么就会出现更小的风速。另外，瓦斯将在巷道顶板出现层状集聚，安全事故隐患大。将除尘器应用在局部通风工艺上，对巷道矿尘浓度、工作面矿尘浓度有一定的减轻效果。对于混合通风形式存在的不足，煤矿安全规程对此进行了相关的规定，要求有效匹配压风量、抽风量：在利用长压短抽除尘系统后，抽出风量要小于压入风量，比例通常为20-30%，这样可避免循环风的出现。在利用长抽短压系统后，压入风量要小于抽出风量，比例大约20-50%，保证巷道中的重叠段风速符合规定。吸尘效果可参考抽出风量，越大的抽出风量，意味着有良好的排尘效果。相反，工作面粉尘就比较多。通常说来，满足工作面通风、除尘的要求，考虑现行的通风设备，要兼顾抽风量、通风量。2.2掘进工作面防尘降尘技术分析2.2.1粉尘的危害和掘进工作面产尘特点（1）粉尘的危害工作场所会受到严重污染，职业病常发。比如皮肤病、呼吸道炎症、尘肺病。硫化尘、煤尘在矿井集聚的越多，就会有爆炸的可能。机械运作时会快速磨损，精密仪器使用期限将缩短。工作场所视线受限，工伤事故经常出现。最大的危害要数矿尘爆炸与尘肺病，对员工的生命安全、身体健康构成直接威胁。粉尘造成威胁，特别是指呼吸性矿尘，那些微细颗粒，即在5m以下，在经人体呼吸进入到呼吸道，再进入肺区，进而导致了尘肺病。（2）掘进工作面产尘特点通常说来，矿尘在生产时出现，其中有80%的都为呼吸性矿尘。如果是湿式作业，那么能够降低矿尘浓度，但会增加分散度。某些地方存在90%比例的呼吸性矿尘。呼吸性矿尘有很大的危害性，很强的扩散能力，难沉降、难捕获。所以，有必要选择良好的防尘、除尘设备。采用机械化作业，会产生高分散度的粉尘，量也大。另外，就分布来说，粉尘浓度并不相同，这也难以降尘。2.2.2喷雾降尘技术分析降尘、防尘办法比较多样，比如巷道洒水、喷雾降尘、通风降尘、煤体注水等。喷雾降尘比较方便，经常见其使用。利用喷雾降尘，将水雾喷射到含尘气流中，在水雾和颗粒进行凝聚、拦截、碰撞后，水雾将与尘粒结合，以此实现降尘。外喷雾、内喷雾是喷雾降尘常见形式，悬浮在空气中的矿尘用外喷雾进行，直接喷在割落的煤岩上即为内喷雾，生成矿尘那一刻，便抑制其扩散。利用高压喷雾，在掘进机截割臂上安装高压喷嘴，司机可操纵喷雾开关。在截割时，喷雾装置启动，掘进机关闭时，喷雾装置便关闭。喷雾不捕尘的优点：含尘气流被快速运动的雾滴卷起，浮沉与雾滴出现碰撞，增加了尘粒的重点，因引力，尘粒下沉。另外，二次扬尘也可由此阻止。实验表明，高压水喷雾形成的雾滴粒径较大（150400m），单位体积形成雾滴个数较少，雾滴与粉尘颗粒之间发生实质性的惯性碰撞、拦截及凝聚、扩散等效应几率小；由于细小粉尘颗粒表面气膜的存在，即使雾滴与粉尘发生碰撞，雾滴捕尘成功的效率也不高。如果内外喷雾系统设计合理，那么可是吸纳85%-95%的含尘量控制。因为在呼吸性粉尘表面存在气模以及较大的表面积，以雾滴捕集呼吸性粉尘不太有效。所以，有必要另外入手，寻求新的解决之道。2.2.3混合通风除尘技术分析（1）混合通风除尘技术对于存在的高瓦斯浓度、工作面粉尘，可利用压入式通风以冲淡，吹走工作面的粉尘则利用抽出式通风即可。参考MT/T 441-1995规范中列出的几种通风形式，将除尘风机用于抽出式通风技术，便得到了混合通风除尘技术。通常看来，工作面粉尘污染以及巷道粉尘污染可利用混合通风除尘技术以解决。在规范中规定的四种混合通风形式中，有两种降尘形式，即长抽短抽、长抽短压，因为有很大的抽风量，可带走存在掘进工作面的尘气，粉尘的浓度可得到降低，从而使得工作环境质量大大提升。但是，存在严重污染回风巷道的情况，以及其余的诸多缺陷。对于长压短抽、长压短抽的降尘形式，也是可以对粉尘浓度加以改善的，并避免巷道存在过大的污染浓度。但因为抽风两太过大，工作面空气粉尘浓度也不能正常达标。（2）长压短抽混合通风方式的降尘分析参考煤矿安全规程，为避免压风管、抽风管的重叠位置的循环风出现，长压短抽通风除尘工艺的压风量Q压因应为抽风量Q抽的1.2-1.3倍，压风筒出口与工作面的距离应在压风气流有效射程范围之内。因为压风气流可涵盖到掘进工作面，工作面就会因压风气流出现很大的粉尘，出现污风，同时扩散的速度非常的快。加上压风量大于抽风两，在除尘风机除尘量中，大约包括了0.2-0.3Q压的含尘气流无法通过，这样，这些含尘气流将向巷道流去，进而造成巷道、工作面的污染。另外，如果抽风系统可做到100%的除尘效率，但依然会只有77%-83%的降尘效率，也无法满足巷道中含尘气流满足标准。第二，沿着巷道轴向方向，压入式风筒便能为机掘工作面端头供风，这使得巷道各断面的压入风的风速多种多样，速度梯度进而在巷道各断面出现。根据粘性流体力学，如果流体间有速度间的差异，流体剪切便由此引起漩涡的出现。高速度的粉尘也会扩散到外涡，让粉尘浓度难以平均化。尤其对于呼吸性粉尘，有更广的扩散范围，抽风系统很难完全净化该粉尘。再者，如果掘进机头与抽气式风筒吸口、压入式风筒出口的距离不合适，也会出现含尘气流不能在除尘器中净化的现象，造成机掘工作面粉尘过大的情况。从上述分析可发现，利用长压短抽、喷雾降尘技术，是没有办法解决粉尘污染的情况的，其只能对掘进工作面粉尘浓度稍微的减轻。煤炭科学研完总院重庆分院掘进通风组通过对不同大小断面的巷道的混合式通风方式、通风参数与排尘效果之间的相互关系进行试验研究，得出了最佳排尘效果时的合理通风参数，为进一步优化掘进通风除尘系统、提高通风除尘效果提供了设计参考依据。2.3涡流控尘技术前述分析概括说明，长压短抽混合通风除尘与喷雾降尘技术只可稍微的减轻工作面、巷道存在的粉尘污染，但不能按照煤矿安全规程中规定的粉尘浓度标准作业，依然存在严重的呼吸性粉尘威胁。为保证现场作业空气中的粉尘浓度符合国家标准，就需要寻求其余的降尘除尘办法。2.3.1空气风幕阻隔技术空气风幕阻隔技术是利用条缝喷射的洁净空气流形成无形透明屏障，阻止两侧的气流相互渗透和扩散，以达到节能或防污染的目的。在空气防尘、调节领域，空气风幕阻隔技术比较常见，比如，公共场所的进出口，采用的空气风幕阻隔技术有效避免了冷空气向外流失或热空气的流失。再如在洁净厂房进出口，为防止室内空气受到室外空气的污染，也采用了空气风幕阻隔技术，技术适宜可见2.2图示。图2.2 空气风幕阻隔在综采工作面，在空气风幕阻隔技术帮助下，将洁净气流喷射条缝喷口安装在煤壁与采煤司机中间，那么洁净气流就如无形的透明屏障，司机也不会接触到煤壁处的粉尘了，很大程度上改善工作条件。该技术已经在实践中加以应用，但是巷道下风位置的粉尘还是无法解决。因为综采工作面、掘进工作面在空间结构上有所不同，通风环境条件差异性大，在减小的掘进工作面引入条缝喷射洁净空气流并构建透明屏障显然不适合现状。考虑长压短抽通风除尘性质、巷道工作面空间性质，有必要改善空气风幕阻隔技术。为此，得到了空气风幕控尘技术压风通过附壁风筒的涡流控尘技术。2.3.2涡流控尘技术（1）涡流控尘技术的原理上世纪70年代，“控尘装置附壁风筒”由西德研究，被叫做康达风筒，该风筒结构示意可见2.3展示。图2.3附壁风筒结构示意图带附壁风筒的长压短抽通风除尘系统如图2.4所示，压风通过附壁风筒流出，除尘风机抽气。图2.4 带附壁风筒的长压短抽混合通风降尘工艺将附壁风筒安装在长压短抽混合式通风形式的压入式风筒的末端，在风筒侧面存在一处缝隙，该缝隙为气流向上射流的位置，这就改变了向前喷射压风的形式，取而代之的就是旋转新鲜空气风幕。将旋转风幕阻隔屏障建立在压入式风筒的抽风吸气口以及排气口间，这就有效的缩小的粉尘产生的区域，粉尘向外扩散的道路被切断，进而出现涡流控尘技术。图2.5为附壁风筒形成的旋转空气流风幕沿巷道截面流动示意图。 图2.5旋转空气流风幕沿巷道截面流动示意图从分析得到，由附壁风筒构建而来的涡流控尘技术的特性有：形成于附壁风筒的新鲜旋转空气流风幕在推进时，把巷道的截面给覆盖了，从而得到无尘空间，该空间洁净透明。由新鲜空气构建的屏障，可在小小的空间中形成含尘气流压，这让产尘点粉尘无法扩散，抽风设备吸风口在抽尘时，效率大大提升。因为抽气量小于压风量，压风管、抽风管的重叠位置，气流为新风气流，瓦斯不会聚集，提升了巷道的安全性能。机掘工作面工作环境因附壁风筒的涡流控尘技术而有效清除的粉尘，为工作人员创造除了比较新鲜、洁净的空气环境。（2）涡流控尘技术的效果在附带风筒的长压短抽混合通风降尘技术中，若有效的匹配抽风量、压风量，再以高效除尘机以安装，得到的旋转气流流动风幕将是相当的完整的。它既能对产尘点粉尘有效控制，也会解决巷道中聚集瓦斯的现象，此涡流控尘形式将是非常理想的。从理论上分析，作业面巷道在利用附壁风筒的长压短抽混合降尘技术后，存在三个区域，即除尘机净化含尘气流后的洁净区域、包含风筒重叠段的新鲜空气风幕流经区域、掘进面周围的含尘区域，具体可见2.4示意。将高效率除尘风机安装于通风除尘系统，气流在由除尘风机净化后，若排放达标，则利用混合通风除尘技术而得到的涡流控尘工艺对作业场粉尘浓度也会处理达标。通常说来，若切割面与除尘风机吸风口位置越近，那么含尘空间不大，无尘化掘进工作面作业半径就会比较大。为此，以附壁风筒以及长压短抽通风降尘技术共同发挥而来的涡流控尘技术应该在降尘通风中经常用到。（3）有无附壁风筒的长压短抽混合通风除尘系统的性能比较带附壁风筒和无附壁风筒的长压短抽混合通风除尘系统的降尘性能比较如表2.1所示。表2.1 长压短抽混合通风除尘系统降尘性能无附壁风筒有附壁风筒巷道粉尘分布掘进机头附近粉尘浓度高整个巷道被粉尘污染粉尘集中在掘进机头附近位置吸尘口往后巷道粉尘浓度很低降尘效果降尘效果明显无法满足作业场所达标要求设备合理设计、布置可以满足作业场所达标要求管道重叠段有含尘污风流过巷道气流速度很低清新气流流过风筒重叠段没有瓦斯聚集现象2.4除尘风机的要求和选择2.4.1行业标准对除尘器的要求 除尘器功能，尤其是针对呼吸性粉尘时的除尘效率，会很大程度影响涡流控尘工艺技术在除尘时的效率。所以，巷道空气含尘浓度与除尘器除尘性能有直接关系。有必要选择好除尘器。除尘器性能可参考压力损失、除尘效率、液气比等参数，而比较重要的考虑标准可以说就是除尘效率。除尘器的除尘能力及除尘效率，除尘器耗能由压力损失代表。除尘器的理想选择应该是，压力损失非常的低，但除尘效率非常的高。或者在一定的排放规定下，压力损失可尽量的控制。在市场上，除尘器类型多种多样，大致可分为湿法除尘以及干法除尘，参考除尘器结构、性能、工作原理，我国颁布了（MT1592005）规范，规范中对除尘分机的结构型式、种类做了效除尘效率比值规定。表2.2为煤炭行业标准（MT1592005）对除尘器总粉尘除尘效率和呼吸性粉尘除尘效率的要求。表2.2除尘器总粉尘除尘效率和呼吸性粉尘除尘效率除尘器种类空气过滤除尘器湿式旋流除尘器旋风除尘器袋式除尘器冲击式除尘器文丘里除尘器湿式过滤除尘器其他型式除尘器总粉尘除尘效率/%85908599.595999796呼吸性粉尘除尘效率/%6065609070908080注：复合式除尘器应以指标高的一种为准煤矿井下作业时，存在工作面拥挤、空间狭小的情况，采用湿法除尘器，其优点在于除尘效率高、维护简单、容易管理、方便操作、小体积，所以，湿法除尘器在国内煤矿井下作业中经常见到。探讨湿式除尘器，除尘效率比较高的有文丘里除尘器，因存在最大压力损失，会消耗很大能源。对于湿式过滤除尘器，也存在较大的压力损失，过滤速度不快，体积庞大的缺点。湿式旋流除尘器和纤维栅除尘器除尘效率和压力损失。表2.3为煤炭行业标准（MT1592005）对湿式除尘器的液气比要求。表2.3湿式除尘器液气比除尘器种类冲击式除尘器湿式旋流除尘器湿式过滤除尘器文丘里除尘器液气比/L/m30.10.20.40.5注：循环水的除尘器不受此限制呼吸性粉尘的除尘效率往往作为一个非常重要的考核指标。所以，在选择巷道除尘器时，应当考虑的是呼吸性粉尘除尘器的压力损失、液气比、除尘效率等层面。2.4.2湿式纤维栅除尘风机的性能湿式纤维栅除尘器属于湿法复合式除尘，包括湿式纤维栅除尘和湿式旋流除尘两级除尘，如图2.6所示。图2.6 湿式纤维栅除尘器示意图1喷雾段 2供水系统3水雾化器 4纤维栅板 5旋流器 6排污斗湿式纤维栅除尘风机的除尘原理包括：（1）水雾化的雾滴通过振弦过滤板时，雾滴在不锈钢纤维丝表面形成水膜，当含尘气流通过附有水膜的密集不锈钢纤维丝时，粉尘与水膜发生了碰撞、拦截和扩散效应，实现了粉尘的湿润、团聚；（2）细小的不锈钢纤维丝在气流的冲击下产生弦振，延长了水膜与粉尘接触时间，增强了气流的扰动，增加了水膜与粉尘的润湿效果；（3）雾滴经过振动的纤维栅后，与气流的传热、传质加强，气流很快变成了湿饱和空气，这一过程消除了呼吸性粉尘表面气膜，加快了呼吸性粉尘的润湿增重，这一过程对去除呼吸性粉尘起重要作用；（4）雾滴和增重的粉尘经过旋流器，形成了高速旋转气流，雾滴和增重的粉尘在离心力的作用下向壁面运动，达到高效除尘和脱水效果。大量工程应用实践表明，湿式纤维栅除尘风机性能如下：总粉尘除尘效率超过99%；呼吸性粉尘除尘效率达90%97%；除尘系统阻力小于1200MPa；液气比0.030.09L/m3；具有体积小、操作方便、管理容易、维护简单的特点。参考（MT1592005）规范，其中规定了湿式除尘器液气比要求、除尘效果要求。湿式纤维栅除风机是满足该要求的，在使用时，发现其除尘性能比其余风机也更好，对于呼吸性粉尘而言，在除尘时，效果也很高。所以，可得到：在巷道除尘风机选择上，不妨选择湿式纤维栅除尘风机。3综掘工作面涡流控尘系统的设计 分析现在掘进工作面通风除尘特点、设备性能、技术现状，以嘉乐泉煤矿的煤巷掘进、小断面、低瓦斯的现实情况为依托，设计出的通风降尘系统可完美应用在掘进工作面。3.1掘进巷道通风除尘工艺的设计3.1.1通风除尘系统的设计依据根据中华人民共和国煤炭行业标准“巷道掘进混合式通风技术规范”（MT/T 4411995）规定：（1） 涌出瓦斯的岩巷、半煤岩巷、煤巷采用的混合式通风方式，主要应当为长压、短抽、短压以及长压、短抽的形式。（2） 在抽出式风筒的吸风口、压入式风筒的出风口，在计算器和掘进工作面的远近时，需要保持在小于风流的有效吸程范围、有效的射程的范围，掘进工作面与抽出式风筒吸风口要保持大约5m的距离。（3） 主导风筒与短压风筒或短抽风筒的重叠位置长要满足10mh15S掘max=1508=120m3/min。 掘进巷道现有压风实测Q压风=（3.14/4）0.621660=271 m3/min。可以看出Q压风Q掘，此时巷道风速0.56m/s，满足煤矿安全规程对掘进工作面风量的要求。 （2）除尘风机的抽风量 因循环风不可出现在除尘机抽气风筒与混合形式的压风风筒的重叠位置，要求新风的不断流过。所以，掘进工作面可接收一部分的附壁风筒式旋转新风气气流，除尘风机排气口又接收另一部分的气流，确保通风系统稳定以及风筒重叠位置有洁净的气流。参照相关文献研究结果：压风量Q压风=（1.21.3）Q抽气，由此可得出除尘风机所需的抽气量：Q抽气=208226 m3/min。（3）附壁风筒的风量调节在调节附壁风筒风门流出的风量以及附壁风筒缝隙的出风量时，参考除尘效果与现场工作需求，在掘进机工作时，风门开度调节到040%左右，停止掘进时，调节风门全开。3.2除尘风机的选型从前面的相关分析可知，以（MT159-2005）为指导，分析湿式纤维栅除尘风机，发现该风机的除尘效率、性能比较高，对呼吸性粉尘有很好的处理效果，所以，这应该是巷道通风除尘风机的最佳设备。（1）除尘风机的选型分析现在运行的通风除尘系统，大约一台除尘风机每分钟的抽气量在，选择江都市引江矿业有限公司KCS-225ZZ型湿式纤维栅振弦除尘风机，额定处理风量225m3/min，如图3.3所示。图3.3 KCS-225ZZ型湿式纤维栅振弦除尘风机1防暴轴流风机 2供水喷雾系统 机座 4纤维栅除尘器KCS-225ZZ型湿式纤维栅振弦除尘风机额定功率18.5KW；设备尺寸：长2580mm、宽820mm、高860mm；重量550Kg；配直径600mm负压风筒（带骨架、可伸缩）。其它相关技术性能参数如下：额定处理风量：225m3/min；总粉尘除尘效率：99%；呼吸性粉尘除尘效率：（9097）%（与滤过风速呈正相关特性）；设计工作阻力：1200Pa；液气比：（0.030.09）L/m3；适用喷雾水压力: 0.3MPa；适用粉尘种类：煤尘、岩尘、水泥粉尘、铁矿尘、三氧化二铝等各类亲水性粉尘；工作适用粉尘浓度范围：（024000）mg/m3（处理风量）；适用环境温度：0；长期连续工作。保证湿式纤维栅振弦除尘风机长期、高效可靠运行，喷嘴雾化质量是关键。因此，在加水管上安装水质过滤器，定期冲洗沉积杂质，维持喷嘴喷出水量和雾化质量。（2）安装操作要求除尘风机是通风除尘系统中的一个重要设备，为了保证除尘风机的安全和可靠运行，除尘风机除使用前请详细阅读使用说明书外，还需做好如下工作：参见煤矿井下安全规程，做好配用电动机检查工作，检查完毕合格，才能下井。在地面进行10min的通电试转，检查连接有无松动、零部件是否紧固，记录好异常情况。 在使用现场，需要供水压力不小于0.3MPa，与进水接头相连的接头型号为KJ10，关闭排污阀门，开启进水阀门，待除尘风机的供水喷雾系统接通后，要对喷雾、门做检查，如振弦过滤板断面是否被均匀的覆盖。若存在问题，需寻求原因，然后再逐步调整。在检查除尘风机喷雾系统后，喷雾正常，则与电动机电源相连。在接电前，要对配套电动机的冷态绝缘电阻值以兆欧表来测量，其值不应低于0.66 M(380V/660V)或1.14 M(660V/1140V)，检查有没有将其吹干，若与要求相符，那么就通电。待2min运行后，要对除尘风机脱水状态做检查，如，水雾没有出现在出风口，排污斗位置排污口应水流畅通。在使用运行除尘风机时，应当安装瓦斯断电自动保护仪或者无水喷雾保护设备。参考煤矿井下安全规章制度，整机应当做好电气保护接地工作。掘进机工作前先开除尘风机；掘进机停机后，除尘风机继续运行一段时间，清洗纤维栅过滤板，防止过滤板及排污通道堵塞。湿式纤维栅除尘风机的正确安装、高效可靠运行十分重要，能保证系统的安全运行、含尘气流的净化质量，也决定了巷道空气质量，对整个掘进巷道的通风除尘系统的防尘降尘起着非常重要的作用。3.3除尘风机的运载小车设计除尘风机由运载小车装载，在设计时，有必要考虑：（1） 方便安装，结构简单；（2） 设计时参考带式运输机的机尾跑道，要求必须配套，这样跑道上移动才会更轻松；（3） 掘进机工作时，输送机机尾跑道上小车的移动主要依靠桥式转载机实现； （4）小车移动自由、平稳，不会发生侧翻事故。其中，自由、平稳移动，不会发生侧翻事故是设计中重点关注的内容。运载小车结构由两部分组成：牵引支架和车座。牵引支架与桥式转载机相连，能缓解掘进机的不规则移动，保证小车的平稳移动。运载小车的结构设计见图3.4。图3.4 运载小车的结构设计3.4附壁风筒的设计涡流控尘设备中，附壁风筒比较关键，设计结构时，考虑以下几点：（1） 在掘进机运行时，从附壁风筒侧面缝隙喷出的气流速度要满足特定值，这样才能形成旋转风流；（2） 在掘进一些巷道时，由附壁风筒提供旋转风流，另外还应该有轴向风流；（3） 当关闭掘进机时，以及关闭除尘风机时，需要有轴向风流；（4） 连接两端的风筒比较方便。 所以，可将调解风门设计于附壁风筒的末端，以调节轴向风流，那么风门调节就比较人性化了。 图3.5为本项目设计的附壁风筒。图3.5本项目设计的附壁风筒3.5附壁风筒的吊挂结构设计 因为巷道的高度并不太高，传统的柔性风筒吊挂支撑体系没有多大的刚性，附壁风筒又过于沉重，常常出现地面与附壁风筒接触情况，附壁风筒功能就无法发挥了。另外，也存在移动困难、安装时间过长的情况。为更好的吊挂附壁风筒，并移动轻便，为工人减轻不必要的劳力，支撑点可为巷道顶端锚杆，并设计出附壁风筒的吊挂结构：（1） 现场安装吊挂结构时，要有很强的灵活性，以便在巷道中顺利适应。（2） 提高吊挂结构的刚性，软风管与附壁风筒的同心度应当一致。（3） 在吊挂结构上，掘进机移动时，附壁风筒也能移动的轻松自如。（4） 简单的结构，附壁风筒的移动轨道能方便交替更换前行。 根据上述要求，设计的附壁风筒吊挂结构示意图如图3.6所示。图3.6附壁风筒吊挂结构示意图1附壁风筒 2角钢轨道 3槽钢 4圆钢轴 5钢管滚轮6角钢连接件 7圆钢 8挡板 9螺母 10双头螺杆11吊钩 12巷道顶部锚杆 13螺母 14圆钢 在图3.6中，我们发现，将角钢（两根，4m长）焊接得到一根型轨道；将段圆钢（4根，见图中的4）焊接在槽钢两边上端，以此作为钢管滚轮（图中5）的轴，在型轨道上，槽钢可轻松移动。在型轨道上端，用圆钢（图中7和14）焊成连接框架，便于型轨道与锚杆之间通过角钢（图中6）灵活连接。 型轨道通过角钢连接件（图中6）和双头螺杆（图中10）与锚杆连接。2根4m长的型轨道形成8米长附壁风筒吊挂支撑、移动结构。当附壁风筒在其中1根4m长的型轨道上移动时，撤下另一根4m长的型轨道，接到附壁风筒移动的前方。由于附壁风筒连接有伸缩骨架风筒，方便附壁风筒从一根轨道过渡到另一根轨道，这样2根型轨道交替前移，实现附壁风筒的吊挂、移动。4涡流控尘技术的数值模拟及优化 在研究掘进工作面的长压短抽涡流控尘系统时，可采用现代计算机数值模拟方法，首先，对工作面涡流控尘系统的粉尘分布扩散状态以及气体流动可轻松展示，从理论上认识涡流控尘技术的形成过程及其优越性，另一方面为优化涡流控尘系统的布置和设备结构设计提供理论依据。4.1数学模型的建立及数值计算方法4.1.1附壁风筒控尘系统数学模型的建立为对附壁风筒运行时出现的旋转风流场控尘机理有准确的掌握，本文从数学模型入手，建构出附壁风筒控尘系统风流场工作机理。（1）假设条件将通风气流看做为不能压缩的流体，也假设等温通风、避免绝热，可忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热；流体的湍流粘性具有各向同性，湍流粘性系数t可作为标量处理；流动为稳态湍流，满足Boussinesq假设。（2）数学模型在上述假设的基础上，独头巷道通风可用湍流流动数学模型的各时均控制方程描述，以张量形式表示如下：续性方程： （4.1） 动量方程（N-S）方程： (4.2)湍流脉动动能方程（k方程） (4.3)湍流脉动动能耗散率方程（方程） (4.4)式中：i：速度分量(x方向i=1；y方向i=2；z方向i=3)，m/s；i：湍流动力粘性系数，Pas。在借鉴湍流二阶相关量运输方程后，构建的模型，以“梯度模拟假定”开始模拟，并得出了湍流功能耗散率、湍流动能方程，为湍流时存在的均流情况提供补充方程，得到了数学意义上的封闭方程组。4.1.2数值模拟方法所谓数值模拟方法，即通过构建几何模型，该几何模型和实际情况类似，并考虑边界条件、初始条件，在数值计算模型与方法辅助下，对真实过程中存在的场的分布模拟再现。 Computational fluid dynamics，CFD（计算流体力学软件）的兴起时间并不长，是主要的流体力学模型软件。当前，STAR-CD、PHOENICS、FLUENT、FIDAP等是常见的商业性CFD软件。以有限元体积法为基础的FLUENT软件，对于复杂几何区域范围中的热交换、流体流动进行分析、模拟，能够计算不同参考系状态下的流场、计算可压缩与不可压缩流、分析定常与非定常流动以及分析多相流等。在这次，模拟方法为欧拉拉格朗日法，在FLUENT流体力学软件帮助下，以SIMPLE算法，对连续相流场做计算，模拟模型为k-模型，最终可得速度场等信息；构建出离散相喷射源，对离散相的跟踪采用的是DISPLAY、PLOT图形界面，可得出离散相流场质量浓度、分布情况，具体的求解过程可见4.1图示。图4.1 CFD工作流程图（1）偏微分方程的离散化利用有限体积法Finite Volume Method（有限体积法）离散微分方程组。主要的思想有：在某计算区域划分多块控制体积，但不重复，各网格点周围搭配控制体积；在各控制体积积分时，以待解微分方程行知，从而得到了离散方程。网格点中出现的因变量数值，即为未知数。为方便控制体积积分的求解，要对网格点间出现的变化规律以假定，也就是对分段面的分布剖面做假设。区域离散方式体现出了有限体积法的核心。对原有的连续空间以有限个离散点取而代之，这就是区域离散化的本质。进行离散时，主要过程是：在所有计算机区域中，划分得到子区域，这些区域不重叠，也就是计算网络，被叫做Grid。然后，明确节点所在区域中的位置，并计算出其控制体积。在完成了区域离散后，我们常常计算得出的要素有：节点（node）：要对位置物理量的几何位置予以求解；控制体积（control volume）：主要应用了守恒定律、控制方程中的最小几何单位；界面（face）：该界面主要对与节点对应控制体积的分界面位置以规定；网格线（grid line）：将相邻的点以联结，并得到了曲线簇。控制体积可用节点来代表。在离散时，首先会定义控制体积中的物理量，然后再在节点中储存。（2）SIMPLE算法SIMPLE(Semi-implicit method for pressure-linked equation)算法是一种主要拥有求解不可压流场的数值方法，也可用于求解可压流动，它的核心是采用“猜测-修正”的过程。它的基本思想为：在压力场一定时，其可为上次迭代计算得出的值或假设的值，对离散形式中的动量进行求解，由此得出速度场。因为压力场不精确或假定，速度场难以应用在连续方程中。所以，有必要修正给定的压力场。其修正原则为：与修正后的压力场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续方程离散形式。参考该原则，在连续方程的离散形式中代入以动量方程的离散形式而来的速度与压力，以便得出压力修正方程，再经压力修正方程，求解压力修正值。再次，参考修正完成的压力场，一个崭新的速度场由此而来。然后，对速度的收敛做检查，如果未收敛，给定的压力场就是修正完成后的压力值，并继续计算下一层，最终到收敛出现。4.2物理模型及边界条件4.2.1物理模型在分析CFD时，采用的处理器为GAMBIT，该处理器质量优越，功能有网络生成以及几何建模。本文在根据综掘巷道通风除尘系统设计布置的实际情况（见图3.1），将坐标起点设置为除尘风机排放口位，并合理的简化其内被几何条件。利用GAMB IT，构建出综掘巷道的几何模型，并划分计算网格，如图4.2所示；图4.3为网格放大图。图4.2 综掘巷道的几何模型及网格划分图4.3 网格放大本计算使用的是三角形控制体积，三角形的质心就是计算节点，如图中的P点所示。4.2.2边界条件及颗粒源参数将Gambit中的物理模型导入到Fluent中，并对边界条件和颗粒源参数进行了设置，见表4.1。表4.1 边界条件和颗粒源参数项目名称参数设定入口边界类型VELOCITY_INLET压入式风筒出风速度/(m/s)16附壁风筒缝隙流速/(m/s)44.4边界条件湍流动力能量/(m/s2)0.8湍流扩散比率/(m/s3)0.8出口边界OUTFLOW煤壁处剪切条件无滑移喷射源类型面喷射粉尘质量流率/（kg/s）0.006粉尘源主要参数粒径分布Rosin-rammler分布最小颗粒直径/mm10-3最大颗粒直径/mm10010-3粉尘初始速度/(m/s)0颗粒直径种类20收敛精度10-34.3掘进工作面流场和浓度场模拟结果4.3.1气流沿巷道的分布规律在巷道x方向，以一定距离为标准，设置显示风速云图的剖面图，图4.4为气流沿巷道x方向风速总体变化趋势（对应离掘进面分别为1m、2m、3m、4m、6m、8m、10m、12m、14m、18m、22m、26m、28m）。图4.4沿巷道x方向风速的总体变化趋势（单位：m/s）由图4.4可以看出：（1）旋流风向因抽出式风筒、掘进机的阻隔而无法扩散到整个巷道，导致了x的范围在16m-22m，其距离掘进面12m18m。范围内的旋流风速小于x=22m30m（离掘进面4m12m）的旋流风速；（2）在抽气风筒一侧的巷道，其旋流风速并不相同；（3）在旋流风幕流场中，最大的风流速度出现在附壁风筒出口附近。4.3.2司机前后流场分析司机前后位置显示风速云图的剖面图，如图4.5所示。（1）x=26m（离掘进面8m）（2）x=27.8m （离掘进面6.2m）（3）x=