四臺(tái)礦20207綜掘工作面綜合防塵技術(shù)應(yīng)用研究

張 靜

（同煤集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037003）

1 工程概況

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺(tái)礦80207工作面正處于準(zhǔn)備階段，80207工作面所采8#煤層總體呈一背斜，煤層厚度4.26～7.35m，平均厚度5.74m。現(xiàn)階段正在進(jìn)行C8#層802盤(pán)區(qū)20207巷的掘進(jìn)工作，20207巷服務(wù)于80207工作面，作為其運(yùn)煤巷，巷道內(nèi)煤層傾角最大20°，最小0°，平均3.2°。20207巷沿C8#煤層頂板掘進(jìn)，當(dāng)煤層厚度不夠3.0m時(shí)，必須沿頂起底掘進(jìn)；煤層厚度超過(guò)3.0m時(shí)，沿煤層頂板掘進(jìn)見(jiàn)底。20207巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1417m，服務(wù)年限8個(gè)月。20207巷井下布置于C8#802盤(pán)區(qū)西翼，北面為已密閉的80201工作面，20207巷從盤(pán)區(qū)軌道大巷開(kāi)口，北面為20201巷，巷道斷面形狀為矩形，斷面尺寸為：寬×高=5500×3000mm，掘進(jìn)斷面面積為16.5m2。四臺(tái)礦C8#層802盤(pán)區(qū)以往的巷道掘進(jìn)過(guò)程中，采用簡(jiǎn)易的粉塵治理措施，由于其設(shè)計(jì)和布置的盲目性，掘進(jìn)工作面出現(xiàn)嚴(yán)重的粉塵濃度超標(biāo)現(xiàn)象，不僅影響綜掘工作面的工作效率，同時(shí)嚴(yán)重威脅著井下的安全生產(chǎn)和工作人員的身體健康。因此，以四臺(tái)礦20207巷的施工為背景，探索一套成熟的綜合降塵技術(shù)方案。

圖1 80207工作面巷道布置示意圖

2 綜掘工作面粉塵運(yùn)移的數(shù)值模擬

（1）建立幾何模型

為詳細(xì)了解四臺(tái)礦20207巷道掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)工作面粉塵運(yùn)移和分布規(guī)律，采用Fluent軟件進(jìn)行模擬[1]。綜掘工作面內(nèi)影響風(fēng)流的因素有很多，如掘進(jìn)機(jī)、風(fēng)筒、頂?shù)装逯Ъ艿龋绻麑?duì)每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬難度非常大，因此必須對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化[2]。掘進(jìn)工作面模擬分析的長(zhǎng)度為50m，將巷道內(nèi)的電纜槽、水管等管線簡(jiǎn)化為規(guī)則的半圓柱體；綜掘機(jī)形狀過(guò)于復(fù)雜，對(duì)其形狀進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化；膠帶輸送機(jī)等設(shè)備對(duì)于風(fēng)流的影響較小，根據(jù)其實(shí)際尺寸進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。工作面的通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行簡(jiǎn)化。吸風(fēng)筒簡(jiǎn)化為直徑為0.8m的圓柱體，風(fēng)筒的吸風(fēng)口設(shè)置在距離迎頭4m處，布置在掘進(jìn)機(jī)正上方，距離巷道底板2.5m；壓入式風(fēng)筒直徑為1.0m，將其懸掛在巷道右上角，距離巷道底板2.2m。數(shù)值模型網(wǎng)格的劃分非常重要，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)和輸出結(jié)果有效性驗(yàn)證，將對(duì)于風(fēng)流影響較大的設(shè)備采用棱柱網(wǎng)格劃分，模型內(nèi)部填充六面體網(wǎng)格。模型參數(shù)和邊界條件：壓風(fēng)筒對(duì)應(yīng)的風(fēng)速入口總風(fēng)量為510m3，風(fēng)速為11m/s，雷諾系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)計(jì)算設(shè)定為695864，湍流強(qiáng)度為2.86%。

（2）20207綜掘工作面壓入式通風(fēng)粉塵場(chǎng)運(yùn)移規(guī)律

掘進(jìn)工作面粉塵的分布模擬結(jié)果如圖2所示，在掘進(jìn)工作面內(nèi)，隨著與巷道底板距離的增大，粉塵的濃度逐漸降低。粒徑相對(duì)較大的粉塵，由于重力作用和風(fēng)速的逐漸減小逐漸下沉，隨著與工作面距離的增大，其濃度明顯的降低，而粒徑相對(duì)較小的粉塵彌漫整個(gè)巷道。根據(jù)其豎直方向上的分布規(guī)律可以看出，距離巷道底板越近，粉塵的濃度越高。由水平方向上的分布規(guī)律可知，回風(fēng)側(cè)粉塵濃度要比風(fēng)筒側(cè)的高，高濃度粉塵主要分布在回風(fēng)側(cè)。

圖2 掘進(jìn)工作面粉塵分布模擬結(jié)果

圖3為隨著與掘進(jìn)工作面距離的增加，巷道內(nèi)距離底板1.6m處煤塵濃度的變化趨勢(shì)。由圖可以看出，隨著與迎頭距離的增大，巷道內(nèi)煤塵的濃度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但是在距離迎頭3m附近出現(xiàn)一個(gè)反彎點(diǎn)，風(fēng)流在此處產(chǎn)生渦旋，形成粉塵聚集點(diǎn)。在掘進(jìn)司機(jī)和風(fēng)筒側(cè)煤塵均出現(xiàn)明顯的增大，距離迎頭4～8m范圍內(nèi)粉塵濃度最大可達(dá)715mg/m3，這將會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工作業(yè)人員的安全和健康造成極大的危害。

圖3 掘進(jìn)工作面內(nèi)1.6m標(biāo)高處粉塵濃度沿程變化規(guī)律

（3）綜掘工作面除塵技術(shù)分析

根據(jù)四臺(tái)礦20207巷具體的工程地質(zhì)條件，為彌補(bǔ)以往掘進(jìn)工作面采用壓入式除塵通風(fēng)方式的不足，設(shè)計(jì)在20207掘進(jìn)工作面采用抽、壓組合式抽塵凈化除塵技術(shù)，即在掘進(jìn)工作面布置兩個(gè)風(fēng)筒，一個(gè)風(fēng)筒通過(guò)壓入式風(fēng)機(jī)向工作面提供新鮮空氣，另一個(gè)風(fēng)筒將工作面粉塵通過(guò)風(fēng)流抽出。抽、壓組合式抽塵凈化除塵技術(shù)需保證壓入式風(fēng)機(jī)供風(fēng)量大于除塵風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量，并且合理抽、壓風(fēng)筒口位置對(duì)除塵效果起關(guān)鍵性作用。合理的位置能夠在巷道內(nèi)形成一個(gè)風(fēng)流屏障，通過(guò)風(fēng)流屏障阻止粉塵向工作人員作業(yè)區(qū)擴(kuò)散，并且能夠獲得較好的吸塵效果[3]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，四臺(tái)礦20207掘進(jìn)工作面掘進(jìn)斷面寬×高=5.5×3.0m，初步設(shè)計(jì)抽、壓組合式除塵系統(tǒng)布置方案：壓入式風(fēng)筒安裝在距離巷道左側(cè)0.5m處，圓形風(fēng)筒的軸心與巷道底板相距2.4m，出風(fēng)口與迎頭的距離為10～15m之間變化，出風(fēng)量400m3/min；濕式振動(dòng)弦除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口位置距離迎頭4m，風(fēng)筒設(shè)置在綜掘機(jī)上方，與巷道底板距離2.0m，抽風(fēng)量為320m3/min。抽風(fēng)筒吸風(fēng)口會(huì)固定在綜掘機(jī)機(jī)身位置處，距迎頭距離始終不變，因此只能夠通過(guò)改變壓風(fēng)筒出風(fēng)口的位置，來(lái)改變抽、壓風(fēng)筒口的相對(duì)位置。為了合理地確定四臺(tái)礦20207工作面抽、壓風(fēng)口的合理位置，分別對(duì)壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口與掘進(jìn)工作面迎頭處距離為10～15m條件下，巷道內(nèi)粉塵濃度的分布情況進(jìn)行模擬。由于篇幅所限，詳細(xì)的建模過(guò)程已省略，不同條件下隨著與迎頭處距離的增大，巷道內(nèi)1.6m處粉塵濃度的變化情況如圖4所示。

圖4 回風(fēng)側(cè)沿程粉塵濃度對(duì)比折線圖

根據(jù)圖4所示的模擬結(jié)果可以看出，隨著與迎頭處距離的增加，巷道內(nèi)粉塵的濃度均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。當(dāng)距離增加到40m左右時(shí)，粉塵的濃度基本處于穩(wěn)定，當(dāng)壓風(fēng)筒的出風(fēng)口距離迎頭13m時(shí)，巷道內(nèi)粉塵的濃度整體較低，其除塵效果明顯較好，因此設(shè)計(jì)壓風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口與迎頭處的距離為13m。

3 20207掘進(jìn)工作面綜合防塵技術(shù)的應(yīng)用及效果

（1）四臺(tái)礦20207掘進(jìn)工作面綜合防塵系統(tǒng)

掘進(jìn)工作面巷道內(nèi)粉塵的濃度可以通過(guò)產(chǎn)塵源治理、粉塵運(yùn)移過(guò)程治理和粉塵傳播終端治理等方法進(jìn)行控制[4]。四臺(tái)礦20207綜掘工作面對(duì)產(chǎn)塵源的治理方式為掘進(jìn)機(jī)高壓內(nèi)外聯(lián)合噴霧系統(tǒng)，可分為內(nèi)噴霧和輔助外噴霧系統(tǒng)。安裝孔徑為1.2mm的螺旋牙水芯（空心錐形）噴嘴，截割期間噴霧壓力保持在4.5～6MPa。截割腰線以下煤巖體時(shí)，外噴霧安裝角度剛好能針對(duì)落塵區(qū)，截割腰線以上煤巖體，外噴霧安裝角度針對(duì)揚(yáng)塵區(qū)。粉塵運(yùn)移過(guò)程治理的措施為采用抽、壓組合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在迎頭處進(jìn)行煤巖體的截割作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)除塵風(fēng)機(jī)，配套剛性骨架負(fù)壓風(fēng)筒固定于綜掘機(jī)機(jī)身上方，抽風(fēng)口距離迎頭處一直保持在4.0m左右。根據(jù)以上模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，壓風(fēng)筒出風(fēng)口距迎頭面保持在13.0m左右時(shí)，取得良好的除塵效果。綜掘機(jī)截割煤巖時(shí)，除掘進(jìn)機(jī)司機(jī)和照明工人外，其余工作人員全部撤離至距離掘進(jìn)工作面40m以外，在距離迎頭40m和100m處分別設(shè)置一道濕式全斷面捕塵簾噴霧系統(tǒng)，皮帶輸送機(jī)各轉(zhuǎn)載點(diǎn)處布置防塵罩和觸控噴淋霧化設(shè)施降塵。粉塵傳播終端治理主要通過(guò)為現(xiàn)場(chǎng)的施工人員配備個(gè)人防護(hù)用具，未佩戴防護(hù)用具的人員嚴(yán)禁進(jìn)行施工作業(yè)。

（2）應(yīng)用效果監(jiān)測(cè)

為考察四臺(tái)礦20207綜掘工作面采用抽、壓組合式抽塵凈化除塵技術(shù)的應(yīng)用效果，采用礦用CCGZ-1000型便攜式直讀式測(cè)塵儀對(duì)巷道內(nèi)的粉塵濃度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果整理后得到圖5所示的折線圖。由圖可知，采用壓入式通風(fēng)時(shí)，采煤司機(jī)附近煤塵濃度約為650mg/m3，采用抽壓組合式通風(fēng)時(shí)，采煤司機(jī)附近粉塵濃度減小為300mg/m3，與模擬結(jié)果非常接近，降塵效果非常明顯。

圖5 抽壓組合式降塵效果實(shí)測(cè)

4 結(jié)論

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺(tái)礦巷道綜掘過(guò)程中面臨著粉塵嚴(yán)重超標(biāo)的問(wèn)題，為降低掘進(jìn)工作面煤塵，結(jié)合20207綜掘工作面具體的開(kāi)采技術(shù)條件，應(yīng)用Fluent模擬軟件對(duì)掘進(jìn)工作面粉塵的運(yùn)移規(guī)律和濃度進(jìn)行研究分析。采用壓入式通風(fēng)時(shí)，風(fēng)流易在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)附近形成渦旋，導(dǎo)致此處粉塵濃度過(guò)高，因此設(shè)計(jì)在20207綜掘工作面采用抽、壓組合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)值模擬確定壓風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口距離迎頭處最佳的距離為13.0m，并設(shè)計(jì)采用掘進(jìn)機(jī)高壓外噴霧系統(tǒng)、濕式全斷面捕塵簾捕塵技術(shù)、輸送帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧降塵技術(shù)。應(yīng)用后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，與原有的壓入式通風(fēng)方式相比，掘進(jìn)工作面粉塵濃度降低率達(dá)到53.8%，所設(shè)計(jì)的綜合降塵技術(shù)取得了良好的應(yīng)用效果。