综采工作面空气幕隔尘理论及应用研究

摘要

粉尘是煤矿五大灾害之一。随着当代采矿技术的不断发展，采掘机械化水平越来越高，实现了工作面的高产高效，为煤矿带来了巨大的经济效益，但同时也带来了十分严重的粉尘职业危害问题。一方面，粉尘对人体的健康危害极大，尤其是呼吸性粉尘。煤矿工人长期处于高浓度粉尘作业环境场所，极易患上尘肺病。据统计，目前煤炭系统尘肺病人数已超过30万人，约占我国总尘肺病人数的一半，对此国家每年要化费大量的医疗费用，同时也给患者及其家属带来极大痛苦。另一方面，煤矿井下粉尘浓度高，易引起爆炸。一旦井下发生煤尘爆炸，往往造成重大伤亡事故，甚至严重摧毁矿井，带来巨大的经济损失。此外，工作地点的粉尘会恶化劳动环境、降低能见度、影响劳动生产率、增加工伤事故率，并引起皮肤病和眼科疾病，加速机械设备的磨损。
　　 采掘工作面是煤矿井下产尘量最大、粉尘浓度最高的地点，尤其是综合机械化采煤工作面（简称综采工作面）。当采煤机割煤时，工作面原始粉尘浓度高达8000～10000mg/m3。尽管目前工作面采取了煤层注水、喷雾降尘等多种防尘措施，起到了一定效果，但是工作面粉尘浓度，特别是采煤机司机处的呼吸性粉尘浓度，仍难以控制到行业标准以下。为此，本论文从理论分析、实验研究、数值模拟及现场试验四个方面开展了利用空气幕隔断技术阻止采煤机割煤滚筒产生的粉尘向司机工作区扩散、降低司机处粉尘浓度的防尘新方法研究，主要研究内容如下：
　　 (1)以流体力学、气溶胶力学及空气动力学为基础，分析了综采工作面尘源扩散运动规律及其影响因素。
　　 (2)通过井下实测得到综采工作面粉尘和风流分布的基本规律，分析了综采工作面采煤机附近风流运动特性和粉尘分布特点。
　　 (3)根据平面射流理论，利用空气幕屏蔽作用，提出了综采工作面空气幕隔尘方法及理论，建立了空气幕隔尘的理论模型。
　　 (4)对综采工作面流场及粉尘分布现场实测数据进行综合分析，采用FLUENT软件数值模拟了采煤机割煤时呼吸性粉尘扩散及综采工作面空气幕的隔尘效果，并对空气幕设计参数及安装位置、安装角度对隔尘效果的影响进行了分析，得出了隔尘空气幕最佳设计及安装参数。
　　 (5)在实验室进行了多工况的相似模拟实验，实验结果与综采工作面现场实测及理论分析结果基本一致，并验证了空气幕设计、安装参数对其隔尘效果的影响。
　　 (6)在河北金牛能源有限责任公司（原邢台矿务局）葛泉煤矿1326和1528工作面进行了工业性试验。
　　 研究结果表明，在综采工作面采煤机上安装空气幕，其作用相当于一个“透明的无形屏障”，能有效地阻止采煤机截煤过程中粉尘向司机处扩散，尤其是阻止呼吸性粉尘的扩散，大大地降低综采工作面司机处的粉尘浓度。该装置成本低、操作简单实用、不影响司机的视线和操作，深受综采工作面司机的好评，在现场实际应用中获得了良好的安全环境经济效益及社会效应，具有广阔的推广应用前景。
　　 论文研究的主要创新点有：
　　 (1)首次提出了在综采工作面利用空气幕隔断技术来抑制采煤机截煤过程中粉尘向司机处扩散，降低采煤机司机工作区的粉尘浓度，同时提高采煤机的喷雾降尘效果，进一步改善整个工作面的作业环境，提高矿井安全生产可靠性的思想。
　　 (2)针对综采工作面作业空间特点，研究综采工作面空气幕隔尘机理，建立了综采工作面空气幕隔尘的理论模型。并引入旋风分离理论，提出了旋转风幕控尘新概念，分析了空气幕隔尘效率与粉尘粒径的关系，论证了空气幕能有效抑制煤壁侧呼吸性粉尘向司机处扩散。
　　 (3)通过理论计算分析和现场实测发现了采煤机割煤过程中所产生的粉尘由煤壁侧向司机处扩散，是滚筒割煤和煤炭垮落所产生的侧向扰动气流，以及粉尘在风流中弥散和扩散综合作用的结果。
　　 (4)通过相似模拟实验、数值模拟和现场工业性试验研究，得出了试验工作面条件下的空气幕最佳设计和安装参数，并有效解决了司机处呼吸性粉尘浓度超标的技术难题。