综掘工作面封闭式控尘系统的研究与应用课件

综掘工作面封闭式控尘系统的研究与应用兖州煤业股份有限公司山东科技大学2007.11.3综掘工作面封闭式控尘系统的研究与应用兖州煤业股份有限公司20

1课题的提出及意义

2局部通风系统的研究

3采用封闭式控尘系统的掘进工作面流场

规律研究

4喷雾降尘技术研究

5封闭式控尘技术在综掘工作面的应用

6结论1课题的提出及意义

2局部通风系统的研究

3采用封（1）综掘技术在提高巷道掘进进尺的同时也导致掘进巷道瓦斯涌出量大和粉尘产生量高，从而间接给矿井的粉尘防治工作带来了一定的困难。

（2）综掘巷道的设计和掘进长度一般在1000m以上，这样多造成独头长距离通风的现象，这也就导致风筒出口的有效风量减少，出口风速小，尤其是在风流的速度低于0.5m/s时，巷道的局部将会出现瓦斯、粉尘积聚。

（3）煤矿粉尘因其自身的理化特性，导致其在具有爆炸危险性的同时，还具有降低精密设备使用寿命、降低现场可见度、容易自燃以及导致长期接尘人员患职业病（尘肺病）。

（4）据现场实测，在不采用综合防尘措施情况下，机掘工作面的粉尘浓度为2000~3000mg/m3，个别高达6000mg/m3左右，不难看出，机掘防尘是矿井综合防尘极为关键重要的一环。

1课题的提出及意义（1）综掘技术在提高巷道掘进进尺的同时也导致掘进巷兖州煤业股份有限公司下属的各大型矿井为了保证采煤工作面的正常衔接，长期以来从技术、生产组织、生产工艺等多方面采取措施、以全面提高顺槽工作面的综掘水平，综掘工作取得一定成绩和效果，巷道掘进的月平均进尺达到400～500m左右。

在掘进水平提高的同时，掘进工作面现场的粉尘防治技术并未随之提高，现场粉尘危害仍然十分严重。因此，为了保障安全、高效掘进，就必须解决综掘工作面粉尘浓度高的问题，兖州煤业股份有限公司和山东科技大学共同承担进行了综掘工作面封闭式控尘技术的研究。

该项目研究并提出了封闭掘进工作面回风断面、采用综掘机内喷雾并充分发挥其作用、采用高效抽出式除尘风机以及合理布置抽出式风筒的吸风口的位置、加强转载点、风筒重叠段等区域的降尘的综掘工作面封闭式控尘系统的控尘技术。兖州煤业股份有限公司下属的各大型矿井为了保证采2.1局部通风方式的确定

2.2掘进工作面需风量及风机选型

2.3

局部通风机安装地点的研究

2.4

除尘风机的选型

2.5风筒选型

2.6通风系统

2局部通风系统的研究2.1局部通风方式的确定

2.2掘进工作面需风量及风机选目前，综掘工作面的局部通风方法有：单抽出式、长抽短压、长压短抽和长抽长压式通风方法。这四种通风方法对于治理综掘工作面瓦斯、煤尘各有利弊。2.1

局部通风方式的确定目前，综掘工作面的局部通风方法有：单抽出式、长由于受到我国除尘风机功率小、国外大型抽出式风机（体积大、质量大）不适合国内生产现状，因此，第一和第二种通风方式还不能满足综掘机掘进通风的需要。而采用第四种通风方式时，整个巷道全部处在风筒重叠段，容易产生微风，造成瓦斯积聚，且管理困难。为此考虑我国目前的掘进通风现状，只有选择第三种通风方式——长压短抽式通风方式来解决综掘机掘进通风问题，其关键是选择高效、可靠的除尘风机和确定压入式通风机的有效通风距离。由于受到我国除尘风机功率小、国外大型抽出式风机根据集团公司的配风细则：每个独立通风的掘进工作面实际需要的风量，应按巷道断面、瓦斯或二氧化碳涌出量、局部通风机实际吸风量、风速和人数等规定要求分别进行计算，并必须采取其中最大值。根据有关计算公式可确定掘进工作面需风量为252m3/min。

考虑掘进面需风量以及风筒、管理等因素对局部通风机的吸风量进行计算，根据计算结果及现场实际，选定DKJ—No.5.6对旋轴流式局部通风机作为轨道顺槽掘进工作面的压入式风机。该风机的性能参数为：

型号：DKJ—No.5.6对旋轴流式局部通风机；

风机风量：180~350m3/min；全风压：700～5200Pa；

全压效率：≥80%；功率：18.5KW×2；2.2

掘进工作面需风量及风机选型根据集团公司的配风细则：每个独立通风的掘进工考虑现场实际情况以及《煤矿安全规程》第一百零一条有关规定，将5306掘进面的局部通风机放置在5306四号联的新鲜风流处，且距回风口不小于10m；5305掘进面局部通风机安设在五采一轨上部的新鲜风流处，且距回风口不小于10m。2.3

局部通风机安装地点的研究2.4

除尘风机的选型根据国内外的有关技术资料，目前我国综掘使用的除尘器主要有以下几种：湿式旋流除尘器、SCF-6型湿式除尘风机，KGC-Ⅲ型掘进机除尘器，PSCF-Ⅱ型水射流除尘风机，ZZJC-Ⅱ-B型湿式振弦除尘器等。根据目前我国煤矿综掘工作面目前使用的除尘器的特点，结合鲍店煤矿S-150综掘机以及现场的实际情况，确定选用除尘效果较好的重庆兆魏矿山机电设备公司生产的KCS-300湿式旋流除尘器。考虑现场实际情况以及《煤矿安全规程》第一百零KCS-300型除尘器结构示意图KCS-300型除尘器结构示意图除尘风机除尘的作用过程为：利用风机叶轮高速旋转，在进风窗及两筒口形成负压区，将周围空气连同综掘机截割煤壁时所产生的粉尘全部吸入负压风筒内，然后进入除尘风机并与喷雾相遇，含尘气流通过冲突网（一般由5层10目铜网组成，阻力为1.96~2.45kPa），此时，含尘气流被喷嘴喷射形成的水雾所湿润，一部分粉尘凝聚沉降，未凝聚部分粉尘湿润后再进入风机，固定在叶轮上的发雾盘高速旋转，将水流分散成更加细小的雾滴，并与含尘气流进一步混合，使粉尘进一步湿润和凝聚。风流自风机出来后，在叶轮旋转作用下产生旋转流动，进入脱水器，水滴及湿润的粉尘被水环阻挡而流至脱水槽中，而风流则经导流器排出除尘风机。

因此，湿式旋流除尘风机的除尘原理比较复杂，牵涉到喷雾捕集粉尘、物理过滤、粉尘旋流运动等多种原理，概括而言，其机理主要包括湿式除尘（喷雾降尘）部分和旋转流场两部分。除尘风机除尘的作用过程为：利用风机叶轮高速旋喷雾降尘机理研究

旋转流场理论研究

喷雾降尘机理研究

旋转流场理论研究

KCS-300湿式旋流除尘风机，长度为1900mm，宽度700mm，高度1300mm，若将其放置在伸缩皮带机的一侧，则影响辅助运料的工作；因除尘风机体积比较大，重量重，频繁搬运不方便；而伸缩皮带机的机尾（机尾高度717mm），再考虑一定的过煤空间，机尾高度在1000mm，将除尘风机放在皮带承载段上，既不影响辅助运输通道，又可随着机尾向前延伸而移动，没有增加额外的工作量，因此综合考虑将除尘风机安装在皮带承载段上。现场安装形式如下图所示。

KCS-300湿式旋流除尘风机，长度为1900根据相似理论，在将工作面风流简化为定常流动，忽略掘进机掘进和煤炭运输时对掘进迎头风流场的扰动作用，假定尘源产尘量稳定、巷道内温度、压力恒定，按照模型：实际=1：10的比例建立模型巷道中进行粉尘分布试验来确定掘进迎头断面上的粉尘分布规律。实验结果分析如下图所示。

实际布置时，抽出式除尘风筒的吸风口下端距底板高度为1.0m，抽出式除尘风筒的吸风口上端距底板高度为1.7m，吸风口前端距掘进工作面迎头的距离为2.5m。根据相似理论，在将工作面风流简化为定常流动，忽风筒的选型根据巷道断面面积来确定最小风筒直径。

由于掘进工作面的断面S为14.26m2，故选风筒直径为800mm，压入式风筒材质选择为橡胶涂覆布，5306轨顺掘进面的抽出式风筒材质为橡胶涂覆布，由于布质抽出式风筒容易被快煤磨损，因此，将抽出式风筒的材质进行了改进，采用新型塑钢材料做抽出式风筒，并在5305切眼、轨顺掘进面进行了应用，亦即该面的抽出式风筒材质为塑钢。2.5

风筒选型2.6通风系统封闭式控尘的通风系统如下图所示。风筒的选型根据巷道断面面积来确定最小风筒直径改进前（5306轨顺掘进面）现场设备布置示意图改进后（53052切眼、轨顺掘进面）空气风幕布置示意图改进前（5306轨顺掘进面）现场设备布置示意图改进后（5303采用封闭式控尘系统的掘进工作面流场规律研究3.1封闭式控尘系统流场运动的理论分析

3.2封闭式控尘系统流场模拟分析

3.3单一压抽混合式系统粉尘分布情况模拟

3采用封闭式控尘系统的掘进工作面流场规律研究3.1封闭式掘进头风流的流动和流场分布直接影响到风流和工作面瓦斯、粉尘的质量交换过程，也影响到工作面粉尘的分布。

为了准确掌握综掘工作面风速分布状况和研究煤尘分布的规律，就必要进一步对局部通风掘进工作面的风流分布进行探讨。本课题采用三维k-ε紊流模型来描述压入式局部通风工作面风流的流动过程；用计算流体力学的方法求得了三维k-ε紊流模型的数值解，应用控制容积法导出了描述流体流动方程的离散化方程式，采用SIMPLE（压力耦合方程式的半阴解法）算法解算流场，TDMA（三对角线算法）和Gauss-Seidel法结合通过线顺法求解离散方程，利用弱松弛法防止非线性方程组迭代求解过程中的发散现象，获得了掘进工作面空间的速度分布规律和粉尘分布规律。3.1封闭式控尘系统流场运动的理论分析掘进头风流的流动和流场分布直接影响到风流和工作局部通风工作面紊流风流的高Reynolds数k-ε模型的支配方程包括：描述流体压力p的质量守恒或连续性方程、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个方程。局部通风工作面紊流风流的高Reynolds数k控制容积法的基本原理是将计算领域分成一系列互不重叠的容积单元，每一个容积单元包含一个网格节点。将基本物理原理应用于控制容积单元和穿过单元表面的流体。应用控制容积模型，分析只集中在每一个容积单元上。根据基本物理原理直接在一个微小容积单元进行积分以获得流体的流动方程，单元体如下图所示。控制容积法的基本原理是将计算领域分成一系列互不重叠

SIMPLE算法被用来解算流场。TDMA和Gauss－Seidel法结合，通过线顺法求解离散方程。弱松弛法被用来防止非线性方程组迭代求解过程中的发散现象。SIMPLE算法解算流场的计算步骤如下：

（1）假设一个压力场；

（2）解算方程，求解在假设压力场下的近似速度分布；

（3）求解压力补正值，对假设压力场进行补正；

（4）求解速度矫正值，速度场矫正；

（5）求解紊流能量k和耗散率ε；

（6）将经过补正的压力场作为新的假设压力场，返回第二步，重复（2）~

（6），直至达到满意精度。SIMPLE算法被用来解算流场。TDMA和根据上述理论和计算方法，用Fortran语言编制了模拟解算综掘工作面风流流场的计算程序。综掘工作面按实际尺寸选取，压入式风筒出口距离工作面迎头距离为12.5m，出口平均风速为12.9m/s，抽出式风筒距离工作面迎头距离为2.5m，抽出式风筒进口风速12.8m/s，工作面断面形状如下图所示。在掘进切割滚筒转速为23r/min、30r/min、35r/min、40r/min，抽出式风筒距迎头2.5m，压入式风筒距迎头12.5m，挡尘帘距迎头3m的情况下，对掘进工作面的风流分布场、粉尘分布情况进行了数值模拟解算。3.2

封闭式控尘流场模拟分析根据上述理论和计算方法，用Fortran语言编掘进机转速为23r/min时掘进工作面的风流场分布情况掘进机转速为23r/min时掘进工作面的风流场分布情况通过对模拟解算得到的不同截割速度下现场的风流场情况可见，掘进工作面的风流场并不会随着掘进机掘进速度的变化而有太大变化，即使发生变化，变化部分也主要位于掘进迎头处，亦即挡尘帘前方（掘进迎头后方3m左右的空间）处变化幅度较大。从上述图形可知，在使用挡尘帘的情况下，挡尘帘前方掘进工作面的风流场分布是一个由小到大分布，在挡尘帘后则是一个由大到小再由小到大的分布情况。从模拟解算的结果来看，掘进工作面的风流场情况基本稳定，无太大变化。因此，在上述研究方案提出的供风量和抽出式风量下，掘进工作面不会出现风流场紊乱情况。通过对模拟解算得到的不同截割速度下现场的风流掘进机转速为23r/min时掘进工作面的粉尘场分布情况掘进机转速为23r/min时掘进工作面的粉尘场分布情况在掘进机切割滚筒转速分别为23r/min、30r/min、35r/min、40r/min时，由于使用挡尘帘的原因，在挡尘帘前后的粉尘分布差异较大。随着掘进机截割速度的提高，现场的粉尘浓度相应增加。

从现场粉尘分布图中可见，40r/min时的粉尘增加绝对量并不是很大。而掘进机的规定转速在23~46r/min之间，因此，从保证掘进速度、保护掘进设备以及掘进工作面的粉尘产生量三个方面综合考虑，掘进机的切割滚筒转速选择在40r/min左右时比较合适。在掘进机切割滚筒转速分别为23r/min、3根据上述理论及模型，在同样的条件下，针对不采取封闭式控尘系统、在掘进机的切割滚筒转速为40r/min时，对掘进迎头现场的粉尘浓度分布情况进行了模拟，模拟图形如图所示。3.3单一压抽混合式系统粉尘分布情况模拟掘进机转速为40r/min时掘进工作面的粉尘场分布情况（不采取封闭式控尘系统）根据上述理论及模型，在同样的条件下，针对不采取与同样转速但采取了封闭式控尘系统的模拟情况比较可知，采取了封闭式控尘系统后，掘进过程中产生的粉尘大部分被限制在掘进迎头与封闭（挡尘帘或空气风幕）之间的狭窄空间中，而在封闭（挡尘帘或空气风幕）之后部分（如掘进机司机作业处）的粉尘浓度较不采取封闭式控尘系统有了较大的减少，这就极大地保护了现场作业人员的职业安全与健康。此外，粉尘在封闭前方的大量积聚也有利于提高抽出式风机的除尘效率，增加了抽出式除尘风机的有用功。与同样转速但采取了封闭式控尘系统的模拟情况比4喷雾降尘技术研究4.1喷雾雾化及影响参数

4.2雾滴及尘粒运动的研究

4.3喷雾装置的选择及布置方式确定

4喷雾降尘技术研究4.1喷雾雾化及影响参数

4.2雾用高压射流喷雾（＞2MPa）时，从喷嘴喷出的高速水流经过很短的距离就分散成雾滴并在它之后形成一股气流。这股气流具有卷吸作用，能把含尘气流卷吸入雾滴区内。当压力达到6MPa时就具有较强的卷吸作用，一旦超过10MPa时卷吸作用就十分强烈。雾滴在射流全长上的运动速度超过了沉降速度，不出现低压喷雾时明显的衰减区。4.1喷雾雾化及影响参数不同压力下喷雾示意图用高压射流喷雾（＞2MPa）时，从喷嘴喷出的高根据雾化理论，影响雾滴直径的因素主要有：（1）液体的参数：温度、压力、流量、速度、用量、表面张力、密度等；（2）液束的结构参数：长度、直径等；（3）喷嘴的参数：喷嘴雾化类型、喷嘴结构、喷嘴材质、内部光滑度等。如用无因次方程可表示如下：

d=f(ν，t，P，V，W，d，we，ρ，M，C……)

式中：ν—液体的粘度；

t—液体的温度；

P—液体的压力；

V—液体的流量；

W—体的速度；

d—喷嘴的孔径；

M—喷嘴的类型（如机械式雾化、超声雾化等）；

C—喷嘴的材质。

根据雾化理论，影响雾滴直径的因素主要有：（1）从理论上来讲，雾滴的形成过程、雾滴（尘粒）在风流中的运动以及雾滴捕捉尘粒的运动是极其复杂的，这主要是由于：雾滴（尘粒）的几何形状复杂（多为非球形不规则的形状）；运动中受到多种力的作用（如自身重力、空气浮力、气动阻力、压强梯度力、附加质量力、玛格努斯效应等）；工作面大型设备多，尤其是支架支柱的阻挡作用导致工作面流场情况复杂。为了建立简单的数学模型，研究中引入下述假设：

（1）假设雾滴（尘粒）是球形颗粒；

（2）假设雾滴（尘粒）自身无旋转运动，忽略玛格努斯效应；假设整个流场中温度、压强处处相等，不存在温度梯度和压强梯度；忽略附加质量力、巴塞特力和萨夫曼升力等高阶小力；

（3）忽略扩散对雾滴（尘粒）运动带来的影响，风流沿雾滴（尘粒）运动主流方向取平均风速。

4.2雾滴及尘粒运动的研究从理论上来讲，雾滴的形成过程、雾滴（尘粒）在风忽略入水动能以及出水口压力能，则可得喷雾液滴的初始速度为：

在考虑流量系数的基础上可以得到喷嘴的流量：

雾滴在空气中运动时，由于流体（空气和雾滴的二元混合物）中各组分的浓度不一致，则必然发生传热和传质（质交换），亦即球形雾滴会在风流的作用下发生蒸发、扩散等现象。根据传热传质学理论可得标态下某粒径液滴在空气中的存活时间为：

忽略入水动能以及出水口压力能，则可得喷雾液滴考虑粘性流动，可以得到流体的流动方程：煤尘截留机理中煤尘在流场中变速运动的近似描述：考虑粘性流动，可以得到流体的流动方程：在3MPa压力下，对不同孔径的喷嘴测定了其喷嘴中心线处的雾场粒径分布情况，试验数据分析如下图所示。

4.3喷雾装置的选择及布置方式确定

图13MPa喷嘴中心线处指标参数示意图

图23MPa喷嘴中心线处粒径分布情况图在3MPa压力下，对不同孔径的喷嘴测定了其喷嘴综合考虑粉尘产生源在空间和时间上的扩散规律，以及工人接触粉尘情况的代表性，现场的粉尘采样点应根据作业流程和工人操作方法确定。根据掘进工艺、国家标准（GB5748-85、MT79-84）确定掘进工作面的粉尘采样点布置如下图所示：综合考虑粉尘产生源在空间和时间上的扩散规律，从上图可见，现场粉尘的组成中占整个工作面空间粒径百分比数最大的是2~5μm的粉尘颗粒，其平均值为35.4%；而小粒径颗粒（＜2μm）所占百分比的平均值为33.8%，仅次于2~5μm的粉尘颗粒所占的百分比；再次是5~10μm的粉尘颗粒，其平均值为20.5%；最后是大于10μm的粉尘颗粒，其平均值为10.3%。从计算数据可知，小于5μm的粉尘颗粒所占全部颗粒百分比的平均值为69.2%

在上述试验（喷嘴喷雾雾场粒径分布、现场粉尘分散度情况）分析的基础上，选定1.5mm孔径的不锈钢喷嘴作为转载喷雾和风流净化水幕所用的喷雾降尘喷嘴。从上图可见，现场粉尘的组成中占整个工作面空间5.1封闭式控尘技术（改进前）现场应用效

果分析

5.2封闭式控尘技术（改进后）现场应用效

果分析

5.3改进前后两种封闭式除尘系统方案比较

5封闭式控尘技术在综掘工作面的应用5.1封闭式控尘技术（改进前）现场应用效

果分

5306②轨道顺槽掘进工作面主要用于5306工作面通风、行人及生产，跟底板掘进，5306②轨道顺槽断面形状为矩形，断面面积为14.26m2，巷道设计长度为464m，服务年限为1年。该掘进工作面自2007年3月份开工，2007年5月份竣工。

5306工作面回采的煤层为山西组3层煤。厚度7.80~8.90/8.46m，煤层厚度稳定，结构简单，属半暗~半亮型煤，具条带状结构，层状构造。工作面内煤层倾角2º~10º，一般为6º左右。煤层瓦斯相对涌出量为1.879m3/t，瓦斯绝对涌出量为0.151m3/min；二氧化碳相对涌出量为5.172m3/t，二氧化碳绝对涌出量为0.417m3/min，根据瓦斯等级鉴定结果，矿井属低瓦斯矿井。煤尘具有爆炸危险，爆炸指数38.26％～42.16％。煤层自然发火期为3～6个月。5.1封闭式控尘技术（改进前）现场应用

效果分析5306②轨道顺槽掘进工作面主要用于530压入式局部通风机基本参数序号A-A断面风速（m/min）B-B断面风速（m/min）C-C断面风速（m/min）风筒长度（m）压差计数值（Pa）风筒距迎头距离（m）备注1点2点147.581827390132238212248.102230450134039011347.022029520133236012抽出式局部通风机基本参数序号出口断面风速（m/min）重合段风速（m/min）重合段长度（m）风筒距迎头长（m）压差计数值（Pa）风筒长度（m）备注①点②点113.09.7142.583268525212.89.5152.584071525313.610.1152.582869025表5.25306②轨顺掘进面通风参数数据表5.35306②轨顺掘进面粉尘数据除尘风机降尘效果测定运行状态掘进面迎头司机作业点转载机尾处风筒重合段中部测定日期全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘综掘机喷雾开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采用综合防尘措施时降尘效果测定风筒长238.878.616.74.320.06.8103.04.14风筒长182.561.413.34.428.49.513.94.54.17风筒长253.682.326.710.525.38.411.84.14.20平均225.074.118.96.424.68.211.93.9掘进面不采用防尘设施时的粉尘浓度数据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压入式局部通风机基本参数序号A-A断面风速（m/min）B-根据上述数据得到表5.4

表5.4挡尘帘封闭断面时不同防尘方案的降尘效率比较

测点位置

数防尘方案

据掘进面迎头司机作业点转载机尾处风筒重合段中部平均全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘除尘风机开启56.0%59.1%68.9%70.5%93.1%89.7%95.6%95.9%78.6%采用综合除尘措施81.0%80.4%93.8%93.7%87.7%86.8%95.3%95.8%89.3%从上表可见，采用综合除尘措施，亦即采用挡尘帘装置的同时开启除尘风机，此时工作面现场的降尘效率较高，司机作业处、风筒重合段中部的粉尘浓度（全尘和呼尘）的沉降效率最高达到了95.8%，如此高的粉尘沉降效率明显降低了接尘最严重处——司机作业处人员患职业病危害的可能性。通过计算得到，整个工作面空间的粉尘平均沉降效率接近90%，比仅仅开启除尘风机的防尘方案的效率要高十个百分点，这也表明本方案——采用综合除尘措施在粉尘沉降方面具有较大的优势。根据上述数据得到表5.4

5305②轨道顺槽长1562m，主要用于5305②工作面通风、行人、安装及生产，巷道服务年限2年。5305②切眼、轨顺掘进工作面采取跟底板掘进方式掘进，5305②切眼、轨顺掘进面断面形状为矩形，断面面积为14.26m2，该面自2007年5月份开工，2007年11月份竣工。

煤层瓦斯相对涌出量为1.879m3/t，瓦斯绝对涌出量为0.151m3/min，二氧化炭相对涌出量为5.172m3/t，二氧化碳绝对涌出量为0.417m3/min，根据矿井瓦斯等级鉴定结果可知，该矿井为低瓦斯矿井；开采煤层煤尘具有爆炸危险性，煤尘爆炸指数38.26％～42.16％；煤层自然发火期为3～6个月。

5.2封闭式控尘技术（改进后）现场应用效果分析5305②轨道顺槽长1562m，主要用于530表5.65305②轨顺掘进面通风参数数据表5.75305②轨顺掘进面粉尘数据压入式局部通风机基本参数序号A-A断面风速（m/min）B-B断面风速（m/min）C-C断面风速（m/min）风筒长度（m）风筒距迎头距离（m）备注148.302032.636012247.101932.242011347.902131.458012抽出式局部通风机基本参数序号出口断面风速（m/min）重合段风速（m/min）重合段长度（m）风筒距迎头距离（m）风筒长度（m）备注113.410.0152.525212.59.3152.525313.19.5152.525除尘风机降尘效果测定运行状态掘进面迎头司机作业点转载机尾处风筒重合段中部测定日期全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘综掘机喷雾开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采用封闭式防尘措施时降尘效果测定风筒长360m228.275.615.44.32210.511.83.58.2风筒长420m192.567.414.34.227.49.212.94.28.6风筒长580m243.780.319.77.524.98.111.74.78.20平均221.574.416.55.324.89.312.14.1掘进面不采用防尘设施时的粉尘浓度数据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轨顺掘进面通风参数数据表5.7530根据上述数据得到表5.8

表5.8挡尘帘封闭断面时不同防尘方案的降尘效率比较从上表可见，采用封闭式除尘措施，亦即采用空气风幕装置隔尘的同时开启除尘风机、综掘机内外喷雾装置，此时工作面现场的降尘效率较高，司机作业处、风筒重合段中部的粉尘浓度（全尘和呼尘）的沉降效率最高达到了95.5%，如此高的粉尘沉降效率明显降低了接尘最严重处——司机作业处人员患职业病危害的可能性，该处粉尘平均沉降效率为94.75%。通过计算得到，整个工作面空间的粉尘平均沉降效率接近90%，比仅仅开启除尘风机的防尘方案的效率要高十二个百分点，这也表明本方案——采用封闭式控尘系统在粉尘沉降方面具有较大的优势。

测点位置

数防尘方案

据掘进面迎头司机作业点转载机尾处风筒重合段中部平均全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘除尘风机开启54.2%50.7%71.6%72.2%93.5%92.8%95.8%96.1%78.3%采用综合除尘措施82.0%80.4%94.6%94.9%88.0%85.1%95.3%95.5%89.5%根据上述数据得到表5.8

5.3改进前后两种封闭式除尘系统方案比较现场工业性试验过程中，分别对两种封闭式除尘系统（利用挡尘帘封闭掘进断面、利用空气风幕封闭掘进断面）进行了试验，实验结果对比分析如下表所示。

表5.9不同防尘方案的降尘效率比较

测点位置

数防尘方案

据掘进面迎头司机作业点转载机尾处风筒重合段中部平均全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘挡尘帘封闭控尘81.0%80.4%93.8%93.7%87.7%86.8%95.3%95.8%89.3%空气风幕封闭控尘82.0%80.4%94.6%94.9%88.0%85.1%95.3%95.5%89.5%从表5.9可见，采用空气风幕封闭控尘系统时，掘进面迎头、司机作业点、转载机尾、风筒重叠段处的粉尘沉降效率均要略高于采用挡尘帘封闭控尘系统的降尘效率。5.3改进前后两种封闭式除尘系统方案比较现场从此外，从现场应用来看，改进后的封闭式除尘系统（采用空气风幕封闭掘进断面、塑钢抽出式风筒）较改进前的封闭式除尘系统（采用挡尘帘封闭掘进断面、橡胶涂敷布抽出式风筒）还具有以下优点：

（1）抽出式风筒使用周期长。塑钢风筒则不易被吸入的大煤块磨损破坏；

（2）设备布置简单、操作方便。挡尘帘封闭掘进断面时，挡尘帘材质选用的是阻燃橡胶输送皮带，其体积大并且比较笨重，需要在掘进机上增加小型液压千斤顶来实现自动开关挡尘设施；而空气风幕则仅需要将压风管路连接至风喷嘴，减少了不必要的设备设施的安装；

（3）现场能见度高。挡尘帘封闭掘进断面后，在阻隔掘进迎头的粉尘往司机方向扩散的同时也阻挡了外面的照明灯光照射至掘进迎头，而空气风幕则不存在上述缺点，能够增加现场的光照度。

因此，综合比较，在降尘效率基本相同的情况下，从现场设备设施、环境因素考虑，建议企业采用空气风幕封闭掘进断面的封闭式控尘系统。从此外，从现场应用来看，改进后的封闭式除尘系（1）通过对目前我国的掘进通风现状、通风方式比较分析可知，只有选择长压短抽式通风方式才能有效解决综掘机掘进通风问题，经过分析，选取Q压=1.2～1.3Q抽；压入式风筒距迎头的距离≤抽出式风筒距迎头的距离。在科学计算的基础上，现场试验的压入式风机选取泰安大成公司的DKJNo.5.6对旋轴流式局部通风机；抽出式风机选取KCS-300型湿式旋流除尘风机。

（2）在使用抽出式除尘风机和挡尘帘联合除尘时，工作面的粉尘浓度较仅仅使用除尘风机进行除尘有了较大的减少。根据现场测定来看，采用综合降尘措施后的降尘效率超过了89%，达到了预期的目标。

（3）应用软件模拟分析了综掘机切割滚筒转速分别为23r/min、30r/min、35r/min、40r/min时工作面空间的风流场和粉尘分布场，通过比较，认为在切割滚筒转速为40r/min时，采用封闭式控尘系统在大大降低工作面粉尘含量的同时，也能保证有一个较快的掘进速度。6结论（1）通过对目前我国的掘进通风现状、通风方式比（4）本研究项目对抽出式除尘风机的吸风口及安装位置进行了研究。为了克服设置的三个吸风筒的上吸风筒对司机视线的影响，在掘进机旋转台两侧各布置一个吸风筒，吸风口方向对准煤炭的落地点，将煤炭落地时扬起的煤尘直接吸入吸风筒，另外通过增加除尘风机的吸风量以及挡尘帘的作用，在两个吸风口附近产生较强的负压场，同样能把截割头产生的煤尘吸入吸风筒。吸风口采用喇叭状结构，挂在掘进机旋转台上随截割臂一起旋转，采用旋转连接装置和后面的刚性吸风筒连接，避免了采用柔性连接带来的连接部位易压扁、扭曲和损坏等缺点。固定风筒和旋转风筒连接部位采用圆柱形迷宫密封结构。

（5）在研究除尘风机吸风口位置的同时，对封闭式除尘系统的挡尘帘结构、空气风幕安装形式也进行了研究。本项目中取消了司机作业前方的透明观察窗，在主副司机视线前方不设任何挡尘帘，消除了观察窗对司机视线的影响。由于挡尘帘里边负压场的作用，外边的新鲜空气经由此处向里流动，煤尘是不会从此处向外扩散。侧帘均采用铰接摆动结构，包括顶梁的升降均采用液压千斤顶操作，减轻了作业人员的劳动强度。空气风幕的风喷嘴安设在除尘风机吸风口后，沿综掘机机体宽度方向共布置22个风喷嘴，即保证了有效封闭掘进断面，同时也保证了粉尘不易扩散到司机作业处等作业地点。（4）本研究项目对抽出式除尘风机的吸风口及安装（6）通过现场测定5306轨顺综掘面、5305切眼、轨顺综掘面现场的通风和和防尘效果，证实本课题研究的封闭式控尘方式能够保证供给掘进工作面的风量充足，各项指标满足规程要求；提出的封闭式控尘技术能够保证极大的降低现场作业地点的煤尘浓度，采取挡尘帘形式以及采用空气风幕形式的封闭式控尘系统后，现场的平均降尘效率分别为89.3%和89.5%，如此高的降尘效率，不但能够保证矿井的安全、高效生产，同时也极大的提高的现场作业环境质量。工业性试验的成功也表明本项目提出的封闭式控尘技术能够实现巷道的快速掘进，同时也能够解决由于成巷速度快而引起的粉尘含量高问题，保证掘进生产的高速高效开展。（6）通过现场测定5306轨顺综掘面、5305谢谢谢谢综掘工作面封闭式控尘系统的研究与应用兖州煤业股份有限公司山东科技大学2007.11.3综掘工作面封闭式控尘系统的研究与应用兖州煤业股份有限公司20

1课题的提出及意义

2局部通风系统的研究

3采用封闭式控尘系统的掘进工作面流场

规律研究

4喷雾降尘技术研究

5封闭式控尘技术在综掘工作面的应用

6结论1课题的提出及意义

2局部通风系统的研究

3采用封（1）综掘技术在提高巷道掘进进尺的同时也导致掘进巷道瓦斯涌出量大和粉尘产生量高，从而间接给矿井的粉尘防治工作带来了一定的困难。

（2）综掘巷道的设计和掘进长度一般在1000m以上，这样多造成独头长距离通风的现象，这也就导致风筒出口的有效风量减少，出口风速小，尤其是在风流的速度低于0.5m/s时，巷道的局部将会出现瓦斯、粉尘积聚。

（3）煤矿粉尘因其自身的理化特性，导致其在具有爆炸危险性的同时，还具有降低精密设备使用寿命、降低现场可见度、容易自燃以及导致长期接尘人员患职业病（尘肺病）。

（4）据现场实测，在不采用综合防尘措施情况下，机掘工作面的粉尘浓度为2000~3000mg/m3，个别高达6000mg/m3左右，不难看出，机掘防尘是矿井综合防尘极为关键重要的一环。

1课题的提出及意义（1）综掘技术在提高巷道掘进进尺的同时也导致掘进巷兖州煤业股份有限公司下属的各大型矿井为了保证采煤工作面的正常衔接，长期以来从技术、生产组织、生产工艺等多方面采取措施、以全面提高顺槽工作面的综掘水平，综掘工作取得一定成绩和效果，巷道掘进的月平均进尺达到400～500m左右。

在掘进水平提高的同时，掘进工作面现场的粉尘防治技术并未随之提高，现场粉尘危害仍然十分严重。因此，为了保障安全、高效掘进，就必须解决综掘工作面粉尘浓度高的问题，兖州煤业股份有限公司和山东科技大学共同承担进行了综掘工作面封闭式控尘技术的研究。

该项目研究并提出了封闭掘进工作面回风断面、采用综掘机内喷雾并充分发挥其作用、采用高效抽出式除尘风机以及合理布置抽出式风筒的吸风口的位置、加强转载点、风筒重叠段等区域的降尘的综掘工作面封闭式控尘系统的控尘技术。兖州煤业股份有限公司下属的各大型矿井为了保证采2.1局部通风方式的确定

2.2掘进工作面需风量及风机选型

2.3

局部通风机安装地点的研究

2.4

除尘风机的选型

2.5风筒选型

2.6通风系统

2局部通风系统的研究2.1局部通风方式的确定

2.2掘进工作面需风量及风机选目前，综掘工作面的局部通风方法有：单抽出式、长抽短压、长压短抽和长抽长压式通风方法。这四种通风方法对于治理综掘工作面瓦斯、煤尘各有利弊。2.1

局部通风方式的确定目前，综掘工作面的局部通风方法有：单抽出式、长由于受到我国除尘风机功率小、国外大型抽出式风机（体积大、质量大）不适合国内生产现状，因此，第一和第二种通风方式还不能满足综掘机掘进通风的需要。而采用第四种通风方式时，整个巷道全部处在风筒重叠段，容易产生微风，造成瓦斯积聚，且管理困难。为此考虑我国目前的掘进通风现状，只有选择第三种通风方式——长压短抽式通风方式来解决综掘机掘进通风问题，其关键是选择高效、可靠的除尘风机和确定压入式通风机的有效通风距离。由于受到我国除尘风机功率小、国外大型抽出式风机根据集团公司的配风细则：每个独立通风的掘进工作面实际需要的风量，应按巷道断面、瓦斯或二氧化碳涌出量、局部通风机实际吸风量、风速和人数等规定要求分别进行计算，并必须采取其中最大值。根据有关计算公式可确定掘进工作面需风量为252m3/min。

考虑掘进面需风量以及风筒、管理等因素对局部通风机的吸风量进行计算，根据计算结果及现场实际，选定DKJ—No.5.6对旋轴流式局部通风机作为轨道顺槽掘进工作面的压入式风机。该风机的性能参数为：

型号：DKJ—No.5.6对旋轴流式局部通风机；

风机风量：180~350m3/min；全风压：700～5200Pa；

全压效率：≥80%；功率：18.5KW×2；2.2

掘进工作面需风量及风机选型根据集团公司的配风细则：每个独立通风的掘进工考虑现场实际情况以及《煤矿安全规程》第一百零一条有关规定，将5306掘进面的局部通风机放置在5306四号联的新鲜风流处，且距回风口不小于10m；5305掘进面局部通风机安设在五采一轨上部的新鲜风流处，且距回风口不小于10m。2.3

局部通风机安装地点的研究2.4

除尘风机的选型根据国内外的有关技术资料，目前我国综掘使用的除尘器主要有以下几种：湿式旋流除尘器、SCF-6型湿式除尘风机，KGC-Ⅲ型掘进机除尘器，PSCF-Ⅱ型水射流除尘风机，ZZJC-Ⅱ-B型湿式振弦除尘器等。根据目前我国煤矿综掘工作面目前使用的除尘器的特点，结合鲍店煤矿S-150综掘机以及现场的实际情况，确定选用除尘效果较好的重庆兆魏矿山机电设备公司生产的KCS-300湿式旋流除尘器。考虑现场实际情况以及《煤矿安全规程》第一百零KCS-300型除尘器结构示意图KCS-300型除尘器结构示意图除尘风机除尘的作用过程为：利用风机叶轮高速旋转，在进风窗及两筒口形成负压区，将周围空气连同综掘机截割煤壁时所产生的粉尘全部吸入负压风筒内，然后进入除尘风机并与喷雾相遇，含尘气流通过冲突网（一般由5层10目铜网组成，阻力为1.96~2.45kPa），此时，含尘气流被喷嘴喷射形成的水雾所湿润，一部分粉尘凝聚沉降，未凝聚部分粉尘湿润后再进入风机，固定在叶轮上的发雾盘高速旋转，将水流分散成更加细小的雾滴，并与含尘气流进一步混合，使粉尘进一步湿润和凝聚。风流自风机出来后，在叶轮旋转作用下产生旋转流动，进入脱水器，水滴及湿润的粉尘被水环阻挡而流至脱水槽中，而风流则经导流器排出除尘风机。

因此，湿式旋流除尘风机的除尘原理比较复杂，牵涉到喷雾捕集粉尘、物理过滤、粉尘旋流运动等多种原理，概括而言，其机理主要包括湿式除尘（喷雾降尘）部分和旋转流场两部分。除尘风机除尘的作用过程为：利用风机叶轮高速旋喷雾降尘机理研究

旋转流场理论研究

喷雾降尘机理研究

旋转流场理论研究

KCS-300湿式旋流除尘风机，长度为1900mm，宽度700mm，高度1300mm，若将其放置在伸缩皮带机的一侧，则影响辅助运料的工作；因除尘风机体积比较大，重量重，频繁搬运不方便；而伸缩皮带机的机尾（机尾高度717mm），再考虑一定的过煤空间，机尾高度在1000mm，将除尘风机放在皮带承载段上，既不影响辅助运输通道，又可随着机尾向前延伸而移动，没有增加额外的工作量，因此综合考虑将除尘风机安装在皮带承载段上。现场安装形式如下图所示。

KCS-300湿式旋流除尘风机，长度为1900根据相似理论，在将工作面风流简化为定常流动，忽略掘进机掘进和煤炭运输时对掘进迎头风流场的扰动作用，假定尘源产尘量稳定、巷道内温度、压力恒定，按照模型：实际=1：10的比例建立模型巷道中进行粉尘分布试验来确定掘进迎头断面上的粉尘分布规律。实验结果分析如下图所示。

实际布置时，抽出式除尘风筒的吸风口下端距底板高度为1.0m，抽出式除尘风筒的吸风口上端距底板高度为1.7m，吸风口前端距掘进工作面迎头的距离为2.5m。根据相似理论，在将工作面风流简化为定常流动，忽风筒的选型根据巷道断面面积来确定最小风筒直径。

由于掘进工作面的断面S为14.26m2，故选风筒直径为800mm，压入式风筒材质选择为橡胶涂覆布，5306轨顺掘进面的抽出式风筒材质为橡胶涂覆布，由于布质抽出式风筒容易被快煤磨损，因此，将抽出式风筒的材质进行了改进，采用新型塑钢材料做抽出式风筒，并在5305切眼、轨顺掘进面进行了应用，亦即该面的抽出式风筒材质为塑钢。2.5

风筒选型2.6通风系统封闭式控尘的通风系统如下图所示。风筒的选型根据巷道断面面积来确定最小风筒直径改进前（5306轨顺掘进面）现场设备布置示意图改进后（53052切眼、轨顺掘进面）空气风幕布置示意图改进前（5306轨顺掘进面）现场设备布置示意图改进后（5303采用封闭式控尘系统的掘进工作面流场规律研究3.1封闭式控尘系统流场运动的理论分析

3.2封闭式控尘系统流场模拟分析

3.3单一压抽混合式系统粉尘分布情况模拟

3采用封闭式控尘系统的掘进工作面流场规律研究3.1封闭式掘进头风流的流动和流场分布直接影响到风流和工作面瓦斯、粉尘的质量交换过程，也影响到工作面粉尘的分布。

为了准确掌握综掘工作面风速分布状况和研究煤尘分布的规律，就必要进一步对局部通风掘进工作面的风流分布进行探讨。本课题采用三维k-ε紊流模型来描述压入式局部通风工作面风流的流动过程；用计算流体力学的方法求得了三维k-ε紊流模型的数值解，应用控制容积法导出了描述流体流动方程的离散化方程式，采用SIMPLE（压力耦合方程式的半阴解法）算法解算流场，TDMA（三对角线算法）和Gauss-Seidel法结合通过线顺法求解离散方程，利用弱松弛法防止非线性方程组迭代求解过程中的发散现象，获得了掘进工作面空间的速度分布规律和粉尘分布规律。3.1封闭式控尘系统流场运动的理论分析掘进头风流的流动和流场分布直接影响到风流和工作局部通风工作面紊流风流的高Reynolds数k-ε模型的支配方程包括：描述流体压力p的质量守恒或连续性方程、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个方程。局部通风工作面紊流风流的高Reynolds数k控制容积法的基本原理是将计算领域分成一系列互不重叠的容积单元，每一个容积单元包含一个网格节点。将基本物理原理应用于控制容积单元和穿过单元表面的流体。应用控制容积模型，分析只集中在每一个容积单元上。根据基本物理原理直接在一个微小容积单元进行积分以获得流体的流动方程，单元体如下图所示。控制容积法的基本原理是将计算领域分成一系列互不重叠

SIMPLE算法被用来解算流场。TDMA和Gauss－Seidel法结合，通过线顺法求解离散方程。弱松弛法被用来防止非线性方程组迭代求解过程中的发散现象。SIMPLE算法解算流场的计算步骤如下：

（1）假设一个压力场；

（2）解算方程，求解在假设压力场下的近似速度分布；

（3）求解压力补正值，对假设压力场进行补正；

（4）求解速度矫正值，速度场矫正；

（5）求解紊流能量k和耗散率ε；

（6）将经过补正的压力场作为新的假设压力场，返回第二步，重复（2）~

（6），直至达到满意精度。SIMPLE算法被用来解算流场。TDMA和根据上述理论和计算方法，用Fortran语言编制了模拟解算综掘工作面风流流场的计算程序。综掘工作面按实际尺寸选取，压入式风筒出口距离工作面迎头距离为12.5m，出口平均风速为12.9m/s，抽出式风筒距离工作面迎头距离为2.5m，抽出式风筒进口风速12.8m/s，工作面断面形状如下图所示。在掘进切割滚筒转速为23r/min、30r/min、35r/min、40r/min，抽出式风筒距迎头2.5m，压入式风筒距迎头12.5m，挡尘帘距迎头3m的情况下，对掘进工作面的风流分布场、粉尘分布情况进行了数值模拟解算。3.2

封闭式控尘流场模拟分析根据上述理论和计算方法，用Fortran语言编掘进机转速为23r/min时掘进工作面的风流场分布情况掘进机转速为23r/min时掘进工作面的风流场分布情况通过对模拟解算得到的不同截割速度下现场的风流场情况可见，掘进工作面的风流场并不会随着掘进机掘进速度的变化而有太大变化，即使发生变化，变化部分也主要位于掘进迎头处，亦即挡尘帘前方（掘进迎头后方3m左右的空间）处变化幅度较大。从上述图形可知，在使用挡尘帘的情况下，挡尘帘前方掘进工作面的风流场分布是一个由小到大分布，在挡尘帘后则是一个由大到小再由小到大的分布情况。从模拟解算的结果来看，掘进工作面的风流场情况基本稳定，无太大变化。因此，在上述研究方案提出的供风量和抽出式风量下，掘进工作面不会出现风流场紊乱情况。通过对模拟解算得到的不同截割速度下现场的风流掘进机转速为23r/min时掘进工作面的粉尘场分布情况掘进机转速为23r/min时掘进工作面的粉尘场分布情况在掘进机切割滚筒转速分别为23r/min、30r/min、35r/min、40r/min时，由于使用挡尘帘的原因，在挡尘帘前后的粉尘分布差异较大。随着掘进机截割速度的提高，现场的粉尘浓度相应增加。

从现场粉尘分布图中可见，40r/min时的粉尘增加绝对量并不是很大。而掘进机的规定转速在23~46r/min之间，因此，从保证掘进速度、保护掘进设备以及掘进工作面的粉尘产生量三个方面综合考虑，掘进机的切割滚筒转速选择在40r/min左右时比较合适。在掘进机切割滚筒转速分别为23r/min、3根据上述理论及模型，在同样的条件下，针对不采取封闭式控尘系统、在掘进机的切割滚筒转速为40r/min时，对掘进迎头现场的粉尘浓度分布情况进行了模拟，模拟图形如图所示。3.3单一压抽混合式系统粉尘分布情况模拟掘进机转速为40r/min时掘进工作面的粉尘场分布情况（不采取封闭式控尘系统）根据上述理论及模型，在同样的条件下，针对不采取与同样转速但采取了封闭式控尘系统的模拟情况比较可知，采取了封闭式控尘系统后，掘进过程中产生的粉尘大部分被限制在掘进迎头与封闭（挡尘帘或空气风幕）之间的狭窄空间中，而在封闭（挡尘帘或空气风幕）之后部分（如掘进机司机作业处）的粉尘浓度较不采取封闭式控尘系统有了较大的减少，这就极大地保护了现场作业人员的职业安全与健康。此外，粉尘在封闭前方的大量积聚也有利于提高抽出式风机的除尘效率，增加了抽出式除尘风机的有用功。与同样转速但采取了封闭式控尘系统的模拟情况比4喷雾降尘技术研究4.1喷雾雾化及影响参数

4.2雾滴及尘粒运动的研究

4.3喷雾装置的选择及布置方式确定

4喷雾降尘技术研究4.1喷雾雾化及影响参数

4.2雾用高压射流喷雾（＞2MPa）时，从喷嘴喷出的高速水流经过很短的距离就分散成雾滴并在它之后形成一股气流。这股气流具有卷吸作用，能把含尘气流卷吸入雾滴区内。当压力达到6MPa时就具有较强的卷吸作用，一旦超过10MPa时卷吸作用就十分强烈。雾滴在射流全长上的运动速度超过了沉降速度，不出现低压喷雾时明显的衰减区。4.1喷雾雾化及影响参数不同压力下喷雾示意图用高压射流喷雾（＞2MPa）时，从喷嘴喷出的高根据雾化理论，影响雾滴直径的因素主要有：（1）液体的参数：温度、压力、流量、速度、用量、表面张力、密度等；（2）液束的结构参数：长度、直径等；（3）喷嘴的参数：喷嘴雾化类型、喷嘴结构、喷嘴材质、内部光滑度等。如用无因次方程可表示如下：

d=f(ν，t，P，V，W，d，we，ρ，M，C……)

式中：ν—液体的粘度；

t—液体的温度；

P—液体的压力；

V—液体的流量；

W—体的速度；

d—喷嘴的孔径；

M—喷嘴的类型（如机械式雾化、超声雾化等）；

C—喷嘴的材质。

根据雾化理论，影响雾滴直径的因素主要有：（1）从理论上来讲，雾滴的形成过程、雾滴（尘粒）在风流中的运动以及雾滴捕捉尘粒的运动是极其复杂的，这主要是由于：雾滴（尘粒）的几何形状复杂（多为非球形不规则的形状）；运动中受到多种力的作用（如自身重力、空气浮力、气动阻力、压强梯度力、附加质量力、玛格努斯效应等）；工作面大型设备多，尤其是支架支柱的阻挡作用导致工作面流场情况复杂。为了建立简单的数学模型，研究中引入下述假设：

（1）假设雾滴（尘粒）是球形颗粒；

（2）假设雾滴（尘粒）自身无旋转运动，忽略玛格努斯效应；假设整个流场中温度、压强处处相等，不存在温度梯度和压强梯度；忽略附加质量力、巴塞特力和萨夫曼升力等高阶小力；

（3）忽略扩散对雾滴（尘粒）运动带来的影响，风流沿雾滴（尘粒）运动主流方向取平均风速。

4.2雾滴及尘粒运动的研究从理论上来讲，雾滴的形成过程、雾滴（尘粒）在风忽略入水动能以及出水口压力能，则可得喷雾液滴的初始速度为：

在考虑流量系数的基础上可以得到喷嘴的流量：

雾滴在空气中运动时，由于流体（空气和雾滴的二元混合物）中各组分的浓度不一致，则必然发生传热和传质（质交换），亦即球形雾滴会在风流的作用下发生蒸发、扩散等现象。根据传热传质学理论可得标态下某粒径液滴在空气中的存活时间为：

忽略入水动能以及出水口压力能，则可得喷雾液滴考虑粘性流动，可以得到流体的流动方程：煤尘截留机理中煤尘在流场中变速运动的近似描述：考虑粘性流动，可以得到流体的流动方程：在3MPa压力下，对不同孔径的喷嘴测定了其喷嘴中心线处的雾场粒径分布情况，试验数据分析如下图所示。

4.3喷雾装置的选择及布置方式确定

图13MPa喷嘴中心线处指标参数示意图

图23MPa喷嘴中心线处粒径分布情况图在3MPa压力下，对不同孔径的喷嘴测定了其喷嘴综合考虑粉尘产生源在空间和时间上的扩散规律，以及工人接触粉尘情况的代表性，现场的粉尘采样点应根据作业流程和工人操作方法确定。根据掘进工艺、国家标准（GB5748-85、MT79-84）确定掘进工作面的粉尘采样点布置如下图所示：综合考虑粉尘产生源在空间和时间上的扩散规律，从上图可见，现场粉尘的组成中占整个工作面空间粒径百分比数最大的是2~5μm的粉尘颗粒，其平均值为35.4%；而小粒径颗粒（＜2μm）所占百分比的平均值为33.8%，仅次于2~5μm的粉尘颗粒所占的百分比；再次是5~10μm的粉尘颗粒，其平均值为20.5%；最后是大于10μm的粉尘颗粒，其平均值为10.3%。从计算数据可知，小于5μm的粉尘颗粒所占全部颗粒百分比的平均值为69.2%

在上述试验（喷嘴喷雾雾场粒径分布、现场粉尘分散度情况）分析的基础上，选定1.5mm孔径的不锈钢喷嘴作为转载喷雾和风流净化水幕所用的喷雾降尘喷嘴。从上图可见，现场粉尘的组成中占整个工作面空间5.1封闭式控尘技术（改进前）现场应用效

果分析

5.2封闭式控尘技术（改进后）现场应用效

果分析

5.3改进前后两种封闭式除尘系统方案比较

5封闭式控尘技术在综掘工作面的应用5.1封闭式控尘技术（改进前）现场应用效

果分

5306②轨道顺槽掘进工作面主要用于5306工作面通风、行人及生产，跟底板掘进，5306②轨道顺槽断面形状为矩形，断面面积为14.26m2，巷道设计长度为464m，服务年限为1年。该掘进工作面自2007年3月份开工，2007年5月份竣工。

5306工作面回采的煤层为山西组3层煤。厚度7.80~8.90/8.46m，煤层厚度稳定，结构简单，属半暗~半亮型煤，具条带状结构，层状构造。工作面内煤层倾角2º~10º，一般为6º左右。煤层瓦斯相对涌出量为1.879m3/t，瓦斯绝对涌出量为0.151m3/min；二氧化碳相对涌出量为5.172m3/t，二氧化碳绝对涌出量为0.417m3/min，根据瓦斯等级鉴定结果，矿井属低瓦斯矿井。煤尘具有爆炸危险，爆炸指数38.26％～42.16％。煤层自然发火期为3～6个月。5.1封闭式控尘技术（改进前）现场应用

效果分析5306②轨道顺槽掘进工作面主要用于530压入式局部通风机基本参数序号A-A断面风速（m/min）B-B断面风速（m/min）C-C断面风速（m/min）风筒长度（m）压差计数值（Pa）风筒距迎头距离（m）备注1点2点147.581827390132238212248.102230450134039011347.022029520133236012抽出式局部通风机基本参数序号出口断面风速（m/min）重合段风速（m/min）重合段长度（m）风筒距迎头长（m）压差计数值（Pa）风筒长度（m）备注①点②点113.09.7142.583268525212.89.5152.584071525313.610.1152.582869025表5.25306②轨顺掘进面通风参数数据表5.35306②轨顺掘进面粉尘数据除尘风机降尘效果测定运行状态掘进面迎头司机作业点转载机尾处风筒重合段中部测定日期全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘综掘机喷雾开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采用综合防尘措施时降尘效果测定风筒长238.878.616.74.320.06.8103.04.14风筒长182.561.413.34.428.49.513.94.54.17风筒长253.682.326.710.525.38.411.84.14.20平均225.074.118.96.424.68.211.93.9掘进面不采用防尘设施时的粉尘浓度数据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压入式局部通风机基本参数序号A-A断面风速（m/min）B-根据上述数据得到表5.4

表5.4挡尘帘封闭断面时不同防尘方案的降尘效率比较

测点位置

数防尘方案

据掘进面迎头司机作业点转载机尾处风筒重合段中部平均全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘除尘风机开启56.0%59.1%68.9%70.5%93.1%89.7%95.6%95.9%78.6%采用综合除尘措施81.0%80.4%93.8%93.7%87.7%86.8%95.3%95.8%89.3%从上表可见，采用综合除尘措施，亦即采用挡尘帘装置的同时开启除尘风机，此时工作面现场的降尘效率较高，司机作业处、风筒重合段中部的粉尘浓度（全尘和呼尘）的沉降效率最高达到了95.8%，如此高的粉尘沉降效率明显降低了接尘最严重处——司机作业处人员患职业病危害的可能性。通过计算得到，整个工作面空间的粉尘平均沉降效率接近90%，比仅仅开启除尘风机的防尘方案的效率要高十个百分点，这也表明本方案——采用综合除尘措施在粉尘沉降方面具有较大的优势。根据上述数据得到表5.4

5305②轨道顺槽长1562m，主要用于5305②工作面通风、行人、安装及生产，巷道服务年限2年。5305②切眼、轨顺掘进工作面采取跟底板掘进方式掘进，5305②切眼、轨顺掘进面断面形状为矩形，断面面积为14.26m2，该面自2007年5月份开工，2007年11月份竣工。

煤层瓦斯相对涌出量为1.879m3/t，瓦斯绝对涌出量为0.151m3/min，二氧化炭相对涌出量为5.172m3/t，二氧化碳绝对涌出量为0.417m3/min，根据矿井瓦斯等级鉴定结果可知，该矿井为低瓦斯矿井；开采煤层煤尘具有爆炸危险性，煤尘爆炸指数38.26％～42.16％；煤层自然发火期为3～6个月。

5.2封闭式控尘技术（改进后）现场应用效果分析5305②轨道顺槽长1562m，主要用于530表5.65305②轨顺掘进面通风参数数据表5.75305②轨顺掘进面粉尘数据压入式局部通风机基本参数序号A-A断面风速（m/min）B-B断面风速（m/min）C-C断面风速（m/min）风筒长度（m）风筒距迎头距离（m）备注148.302032.636012247.101932.242011347.902131.458012抽出式局部通风机基本参数序号出口断面风速（m/min）重合段