高瓦斯易突礦井掘進(jìn)工作面綜合降塵技術(shù)研究

靳 擎

（潞安集團(tuán)古城煤礦，山西 長治 046108）

1 工程概況

3105工作面位于3#煤層一采區(qū)，工作面主采3#煤層，煤層平均厚度為4.7m，結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層直接頂為泥巖，均厚2.4m，基本頂為中粒砂巖，均厚5.3m，直接底為泥巖，均厚1.5m，基本底為砂質(zhì)泥巖，均厚為8.3m，平均傾角為5°，工作面實測最大瓦斯壓力為1.7MPa，屬于高瓦斯礦井，且煤體破碎嚴(yán)重，易出現(xiàn)瓦斯突出的危險性。

3105工作面運(yùn)輸巷目前正在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，掘進(jìn)工作面采用EBZ200型掘進(jìn)機(jī)，根據(jù)掘進(jìn)工作面瓦斯測定得知，該掘進(jìn)工作面的瓦斯初放速度為12.4mmHg，根據(jù)煤層濕潤性測定結(jié)果知煤塵的接觸角為67.25°，存在著煤塵爆炸的可能性，目前該工作面采用普通外噴霧進(jìn)行降塵作業(yè)，但降塵效果較差，無法為掘進(jìn)工作面的安全作業(yè)提供保障，故需采用有效的措施降低掘進(jìn)工作面的粉塵。

2 粉塵移動規(guī)律分析

為有效分析3105工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時粉塵的運(yùn)移規(guī)律，現(xiàn)通過Fluent建立運(yùn)輸巷的幾何模型，模型中設(shè)置工作面長度為50m，寬度為5m，高度為3.5m，掘進(jìn)機(jī)的長×寬×高=10m×2.7m×1.8m，壓入式風(fēng)筒直徑設(shè)置為800mm，并設(shè)置粉塵的產(chǎn)生源頭為綜掘機(jī)截割頭的圓圈范圍內(nèi)[1-2]，具體物理力學(xué)模型如圖1所示。

根據(jù)3105工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)作業(yè)的順序進(jìn)行模擬分析，首先在工作面掘進(jìn)前進(jìn)行一段時間的通風(fēng)，隨后對掘進(jìn)工作面開始作業(yè)，粉塵源開始釋放粉塵，具體記錄60s內(nèi)粉塵的運(yùn)移規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。

圖1 掘進(jìn)工作面物理力學(xué)模型示意圖

圖2 不同時間下粉塵運(yùn)移規(guī)律分布

通過具體分析圖2可知，在巷道掘進(jìn)作業(yè)開始后，掘進(jìn)頭的粉塵源開始釋放粉塵的60s內(nèi)，粉塵在巷道內(nèi)部逐漸擴(kuò)散，并且大部分的粉塵會隨著風(fēng)流流向回風(fēng)側(cè)，僅有小部分粉塵會聚集在循環(huán)風(fēng)流區(qū)域和巷道后半部分，結(jié)合模擬結(jié)果和現(xiàn)場實際情況分析認(rèn)為，由于粉塵的差異性，會使得在不同粒徑分布條件下的分布規(guī)律出現(xiàn)一定的差異性，巷道內(nèi)部不規(guī)律的小股粉塵的聚集主要為小粒徑的粉塵，另外巷道底板粉塵高濃度的聚集出現(xiàn)在距離回風(fēng)巷20m以后的位置處，從掘進(jìn)工作面的粉塵分布規(guī)律上分析，能夠看出粉塵濃度的最高值在綜掘面截割的位置處，基于此分析知在粉塵源的位置處進(jìn)行降塵作業(yè)，能夠獲得較好的降塵效果。

基于數(shù)值模擬結(jié)果，為進(jìn)一步分析出巷道內(nèi)粉塵的分布規(guī)律，沿著巷道的走向方向，進(jìn)行巷道沿YZ方向截面的出圖作業(yè)，將巷道劃分為回風(fēng)側(cè)X=1處，進(jìn)風(fēng)側(cè)X=4處，巷道中部X=2.5m處，根據(jù)模擬結(jié)果能夠得出巷道斷面不同位置處的分布規(guī)律如圖3所示。

圖3 巷道沿YZ方向不同剖面的粉塵分布規(guī)律

通過具體分析圖3可知，在掘進(jìn)作業(yè)開始后的60s時，巷道內(nèi)部的粉塵主要集中在回風(fēng)側(cè)，但巷道中部和進(jìn)風(fēng)側(cè)為高濃度粉塵的主要聚集點，，結(jié)合工程現(xiàn)場情況分析知，由于回風(fēng)側(cè)的風(fēng)流速度較快，粉塵的在回風(fēng)側(cè)極易被風(fēng)流帶走，但由于粉塵同樣會隨著回風(fēng)側(cè)風(fēng)流的運(yùn)動而移動，這也是掘進(jìn)工作面回風(fēng)側(cè)粉塵濃度較高的主要原因，在巷道距離掘進(jìn)頭約50m的范圍內(nèi)，巷道的中部及回風(fēng)側(cè)仍有較多的粉塵聚集，由于小粒徑的粉塵會在風(fēng)流及空氣浮力的作用下出現(xiàn)逐漸消散的現(xiàn)象，進(jìn)而會在巷道的回風(fēng)側(cè)出現(xiàn)，隨著與掘進(jìn)頭距離的增加，回風(fēng)側(cè)粉塵的飄散程度會逐漸增大。

3 綜合降塵技術(shù)

3.1 降塵方案

根據(jù)3105工作面運(yùn)輸巷的具體條件，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果知在粉塵源頭位置粉塵濃度最高，在掘進(jìn)頭的位置進(jìn)行降塵作業(yè)效果較好，另外在參各項規(guī)程的基礎(chǔ)上，確定在3105工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面更換降塵設(shè)備，在掘進(jìn)頭割煤、裝煤和煤壁垮落位置采用泡沫降塵技術(shù)[3-4]，在皮帶機(jī)轉(zhuǎn)載點的位置采用密閉觸控噴霧降塵技術(shù)，在皮帶的運(yùn)輸過程中采用定點觸控式聯(lián)動噴霧降塵技術(shù)，為對巷道全斷面的風(fēng)流進(jìn)行凈化，特采用定時光控噴霧技術(shù)，另外在該四項降塵技術(shù)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)人工定期清理積塵、定時灑水等作業(yè)，具體3105工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面的綜合防塵方案示意圖如圖4所示。

圖4 掘進(jìn)工作面綜合防塵方案布置示意圖

具體3105工作面運(yùn)輸巷的降塵措施如下：

1）掘進(jìn)工作面前方煤體預(yù)注水技術(shù)。根據(jù)3105運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面煤體的測試試驗可知，該區(qū)域煤體內(nèi)的吸水率、水分、堅固性系數(shù)和孔隙率的數(shù)據(jù)見表2。

表2 3105運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面煤層各項指標(biāo)測試值

基于表2中的數(shù)據(jù)可知，結(jié)合煤層可注水的標(biāo)準(zhǔn)可知，當(dāng)原有水分小于4%、堅固性系數(shù)大于0.4，吸水率大于1%的煤層符合注水的條件，但該區(qū)域煤層的孔隙率為1.92%，小于煤層可注水孔隙率4%的標(biāo)準(zhǔn)，故基于此數(shù)據(jù)可知3105運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面在正常掘進(jìn)作業(yè)時，可不進(jìn)行煤層注水作業(yè)，在粉塵含量較高時，可利用掘進(jìn)頭煤層注水系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)注水作業(yè)，在進(jìn)行煤層預(yù)注水作業(yè)時，煤層注水的各項參數(shù)見表3。

表3 煤層預(yù)注水孔布置方式各項參數(shù)

2）泡沫降塵技術(shù)。根據(jù)3105運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面區(qū)域煤層的具體特征知煤層具有疏水的特性，現(xiàn)優(yōu)化原有的水噴霧為機(jī)載泡沫降塵設(shè)備，從源頭上對掘進(jìn)工作面的的高粉塵進(jìn)行防治，通過泡沫對掘進(jìn)頭的粉塵進(jìn)行沉降和捕獲。

3）密閉觸控噴霧降塵技術(shù)。由于煤在轉(zhuǎn)載點附近會由于自身的重力作用而出現(xiàn)降落，現(xiàn)在轉(zhuǎn)載點附近通過噴霧和密閉的方式來來實現(xiàn)工作面的降塵作業(yè)，轉(zhuǎn)載機(jī)的密閉主要通過密閉罩實現(xiàn)，轉(zhuǎn)載點的噴霧系統(tǒng)通過自動觸控式風(fēng)水聯(lián)動噴霧。

4）定點觸控式聯(lián)動噴霧降塵技術(shù)。在掘進(jìn)工作面的皮帶上，煤在運(yùn)輸?shù)倪^程中會經(jīng)常出現(xiàn)摩擦和振動的現(xiàn)象，進(jìn)而會在巷道內(nèi)部產(chǎn)生大量的粉塵，為高效全方位的實現(xiàn)降塵，現(xiàn)在皮帶上每間隔400m安設(shè)一處觸控式噴霧。

5）巷道全斷面的風(fēng)流進(jìn)行凈化技術(shù)。由于掘進(jìn)工作面中的粉塵基本呈現(xiàn)出不規(guī)律的分布形態(tài)，在降塵作業(yè)的同時，同時在人員經(jīng)過固定噴霧點時使用光控傳感器停止噴霧作業(yè)，具體噴霧點設(shè)置間距為400m一個，噴霧的控制采用定時互相交錯的開啟，采用光控傳感器進(jìn)行控制關(guān)閉，設(shè)置噴霧的間隔時間為1h，每次進(jìn)行噴霧作業(yè)的時長為5min～10min。

6）凈化水幕與人工降塵技術(shù)。根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，在3105工作面掘進(jìn)頭的位置處，距離掘進(jìn)頭50m范圍內(nèi)巷道內(nèi)部均存在著粉塵分布，故在50m范圍內(nèi)設(shè)置2道全斷面凈化水幕，兩道間距控制為20m，第一道距離掘進(jìn)頭5m，第二道距離掘進(jìn)頭45m；根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道掘進(jìn)作業(yè)時，在風(fēng)筒和巷道的壁面處粉塵易積聚，故人工降塵措施實施的主要區(qū)域為對巷道頂板、兩幫、底板及風(fēng)筒表面上的粉塵進(jìn)行清掃，并適當(dāng)掃水降低煤運(yùn)輸過程中粉塵。

3.2 效果分析

為有效考察3105運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面綜合降塵技術(shù)措施的效果，特針對煤層預(yù)注水，泡沫降塵技術(shù)的降塵效果進(jìn)行監(jiān)測分析，設(shè)置監(jiān)測點為回風(fēng)側(cè)15m，基于監(jiān)測結(jié)果得出表5所示，綜合降塵措施實施前后效果對比見表4，通過具體分析表4可知，各項降塵措施效果顯著，掘進(jìn)機(jī)割煤作業(yè)時全塵的濃度從410.62mg/m3降低至 67.8mg/m3。

表4 各項降塵措施實施效果分析

4 結(jié) 論

根據(jù)3105工作面區(qū)域煤層的具體地質(zhì)條件，現(xiàn)采用數(shù)值模擬的方式對掘進(jìn)工作面的粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究分析，得出粉塵濃度的最高值在綜掘面截割的位置處，在巷道距離掘進(jìn)頭約50m的范圍內(nèi)，巷道的中部及回風(fēng)側(cè)仍有較多的粉塵聚集，基于數(shù)值模擬結(jié)果確定掘進(jìn)工作面采用煤體預(yù)注水+泡沫降塵+密閉觸控噴霧降塵+定點觸控式聯(lián)動噴霧降塵+全斷面的風(fēng)流進(jìn)行凈化+人工降塵和凈化水幕的綜合降塵措施，根據(jù)降塵措施的監(jiān)測結(jié)果可知，綜合降塵措施實施后，降塵效果顯著，保障了掘進(jìn)工作面的安全掘進(jìn)作業(yè)。