長壓短抽通風方式下粉塵分布規律及綜合降塵技術

喬安良

（山西焦煤集團霍州煤電集團安全監察局，山西 霍州 031400）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦位于霍州市境內。該礦所采10#煤層瓦斯相對涌出量為0.46m3/t，為低瓦斯煤層。煤層傾角為2°～9°，平均傾角4°，煤層厚度1.43～2.67m，平均厚度2.6m，10#煤層厚度不穩定，煤層結構復雜，含兩層或三層夾矸，屬于近水平中厚煤層。10#煤層的直接頂為3m厚的9#煤和泥巖，其中泥巖為黑色，呈薄層狀，厚度為2m，9#煤的結構簡單，厚度1m；直接底為0.8m厚的砂質泥巖，呈灰黑色，含黃鐵礦結核；老頂為8m厚的K2灰巖，為深灰色，致密堅硬，夾有燧石條帶；老底為7m厚的中-細砂巖，為灰白色，呈中厚層狀。該礦目前正進行10-428工作面正巷的掘進作業，工作面的正巷沿煤層走向布置，10-428正巷長1661m，掘進過程中在長壓短抽的通風方式下掘進巷道內粉塵濃度過高，遮擋工作人員視線嚴重，對掘進作業的正常進行造成影響。

2 10-428巷道綜掘粉塵濃度分布規律

2.1 模型建立

根據辛置煤礦10-428掘進工作面圍巖的物理力學參數，同時借鑒類似礦井掘進作業經驗[1-2]，通過Fluent軟件建立10-428正巷掘進工作面及工作面后方15m巷道模型，來研究本工作面在長壓短抽式通風系統下的粉塵分布規律。所建巷道模型長15m，高3m，寬3.5m。由于綜掘機在掘進巷道內占有較大空間，不可忽略綜掘機的存在對掘進過程中粉塵分布規律的影響，故簡化綜掘機為總長7m、高1.5m、寬1.8m的長方體。在掘進作業開始，產生粉塵后，沿縱軸方向截取掘進機中心、掘進機右側和掘進機左側的巷道粉塵濃度分布圖。

2.2 模擬結果分析

如圖1為掘進作業時巷道粉塵分布圖。圖2為Z=1.75m、Z=0.85m及Z=2.65m時，巷道截面粉塵分布圖。

圖1 掘進作業時巷道粉塵分布圖

觀察圖1可發現，巷道掘進迎頭處抽風筒側的粉塵濃度明顯高于壓風筒側的粉塵濃度。這是由于壓風筒風流和抽風筒的共同作用下將原本均勻散布在巷道內的粉塵吹送至抽風筒側，但抽風筒并不能及時高效地抽走所有粉塵所致。并且隨著與掘進迎頭距離的增加，巷道內的粉塵濃度逐漸下降。

圖2 不同Z截面巷道粉塵濃度分布圖

圖2（a）為掘進機中心縱向粉塵濃度分布截圖，觀察此圖可以發現，由于綜掘機的存在，其噴霧系統會對掘進迎頭的風流場造成影響。掘進產生的粉塵，一部分被噴霧降塵系統捕捉，一部分經通風系統排出掘進工作面，一部分隨風流經掘進機兩側及上方繞至掘進機后方并積聚，從而造成掘進機后方粉塵濃度相對較高。圖2（b）為掘進機右側縱向粉塵濃度分布截圖，由于壓風筒風流作用，該截面下粉塵濃度整體偏低。圖2（c）為掘進機左側縱向粉塵濃度分布截圖，雖然掘進機左側區域有抽風筒，但是由于抽風筒筒口的有效吸塵范圍有限，導致抽風筒的風流場只能攜帶走抽風筒筒口一定范圍的粉塵，其余粉塵會隨風流飄散至掘進機后方巷道，因此掘進機左側即抽風筒一側的粉塵濃度偏高。

綜上，10-428掘進工作面在長壓短抽的通風方式下，由于通風系統本身的局限性及綜掘機的影響，致使很大一部分粉塵滯留在掘進機后方巷道內，巷道內粉塵濃度過高，影響范圍較大，影響到了巷道的正常掘進。

3 粉塵綜合治理技術

3.1 內抽外壓集塵器的應用[3]

目前煤礦掘進工作面應用的除塵器以壓入式或者抽出式的除塵器居多，這兩類除塵器的構造單一，對掘進面的除塵降塵效果并不理想。為了提高掘進工作面的除塵效果，結合掘進工作面粉塵分布規律，引入內抽外壓式集塵器。內抽外壓集塵器安裝在掘進機上，隨掘進機向前移動，使用方便。內抽外壓式集塵器由壓入式風筒、抽出式風筒、喇叭口、除塵器（由小車搭載）及連接裝置共同構成。抽出式風筒嵌入壓入式風筒內部，并且抽出式風筒和壓入式風筒筒口均連接有喇叭口，用來增加筒口風流場的有效作用范圍，可以改變喇叭口的尺寸來適應不同尺寸斷面的掘進降塵作業。在10-428巷道內選用直徑為800mm的外部壓入式風筒、直徑為600mm的內部抽出式風筒。內抽外壓集塵器通過壓入式風筒的風流將粉塵包圍在抽出式風筒筒口的有效吸塵范圍內，然后通過抽風筒將粉塵抽送至除塵器進行處理。內抽外壓集塵器在巷道內的布置示意圖如圖3所示。

3.2 濕式全斷面捕塵簾捕塵技術[4]

通過在巷道頂板布置高壓噴霧水管，在掘進作業時開啟噴霧水管，達到巷道內全斷面粉塵捕捉的降塵效果。在綜掘機掘進作業時，除綜掘機司機及輔助照明工人外，其他人員全部退后到掘進工作面后方40m處的警戒線外，在掘進工作面后方40m處頂板布置高壓噴霧水管，對巷道內未被長壓短抽通風系統及內抽外壓式集塵器處理的懸浮粉塵顆粒進行捕捉，防止這些未被處理的粉塵運移至人員聚集的地方，降低巷道內可吸入粉塵顆粒的濃度。現場掘進作業時，需在距掘進工作面后方40m處的警戒線處及距掘進工作面后方100m處、200m處分別布置三道高壓噴霧水管進行全斷面粉塵的捕捉。掘進作業開始后，同時開啟3道高壓噴霧水管，第一道高壓噴霧水管由工作人員通過遙控進行控制，后兩道高壓噴霧水管通過在水管附近安裝粉塵濃度超限傳感器和紅外線傳感器來實現高壓噴霧水管的自動開啟與關閉，避免行人通過巷道淋濕衣物。

圖3 內抽外壓集塵器在巷道內的布置示意圖

3.3 轉載點降塵措施

當前煤礦井下的運輸多采用皮帶運輸機，其具有連續運輸能力大、便于維護的特點。但是由于一般情況下運輸機轉載點處均有高度落差，煤粉塊在下落時做拋物線運動，會產生揚塵，煤粉塊跌落至下方皮帶上時，所產生的沖擊力也會致使大量粉塵飛揚，因此煤礦井下運輸中轉載點也是產生粉塵的主要部分。大量數據表明轉載點的產塵量約占到總粉塵量的5%～10%。因此需要在皮帶運輸機各轉載點處布置噴霧裝置，進行轉載點二次揚塵的抑制。

3.4 綜合降塵效果

辛置煤礦10-428巷道綜掘面實施上述綜合降塵措施后，分別在綜合降塵措施實施前和實施后在綜掘機司機、刮板轉載點和運輸轉載點處進行6次全塵實測，并取其平均值作為結果。全塵實測結果如表1所示。

通過表1觀察綜合降塵措施實施前和實施后在綜掘機司機、刮板轉載點和運輸轉載點處全塵實測結果發現，在采取綜合降塵措施后，巷道全塵濃度顯著下降，綜掘機司機、刮板轉載點和運輸轉載點處降塵率分別為84%、81%和84%，除塵效果明顯。

表1 全塵實測結果

4 結論

通過Fluent軟件建立10-428正巷掘進工作面及工作面后方15m巷道模型研究本工作面在長壓短抽式通風系統下的粉塵分布規律，發現由于通風系統本身的局限性及綜掘機的影響，致使很大一部分粉塵滯留在掘進機后方巷道內，巷道內粉塵濃度過高影響到了巷道的正常掘進。通過現場實測發現，在采取內抽外壓集塵器、濕式全斷面捕塵簾捕塵技術及轉載點噴霧降塵的綜合降塵措施后，巷道全塵濃度顯著下降，綜掘機司機、刮板轉載點和運輸轉載點處降塵率分別為84%、81%和84%，綜掘巷道內的平均粉塵濃度降至64mg/m3，除塵效果明顯，可以滿足正常安全掘進此巷道。