綜掘工作面粉塵運移規律與防塵技術初探

張 強

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤集團辛置煤礦10-430B工作面位于東四采區左翼皮帶巷左側，西部為10-428A工作面(已圈定)，南部緊鄰東四左翼軌道巷，北部為10-430B2巷，工作面主要開采10#煤層，煤層厚度為1.95～2.78 m，平均厚度2.62 m，平均傾角為2°。10-430B1巷是為滿足10-430B回采工作面的出煤、進風、行人而設計的。10-430B1巷沿10#煤層底板掘進，掘進斷面為矩形，掘進凈寬×凈高=4.0 m×2.6 m。巷道支護采用錨網錨索支護。掘進作業時巷道的通風采用壓入式通風。根據地質資料可知，10#煤層穩定可采，結構復雜，煤塵具有爆炸性。

為優化綜掘工作面的作業環境，本文擬對掘進工作面粉塵運移規律及防塵技術進行初步探討。

2 粉塵運移規律

2.1 數值模擬分析

為掌握10-430B1巷掘進作業時，掘進工作面區域粉塵的運移規律，根據巷道的地質條件，采用Fluent數值模擬軟件進行建模。模型中將風流視為不可壓縮的理想流體，將流場視為恒溫穩態流場[1-2]，建立數值模型長×寬×高=100 m×50 m×30 m的模型，模型中模擬采用風速入口，設置壓入風筒的風速為11.2 m/s，風筒直徑為1 m，在壓入風筒流出端采用Outflow條件。基于數值模擬結果，對距離底板不同距離處（Y=0.5 m、1.5 m、3.5 m）處XZ截面粉塵分布情況、掘進工作面距離煤巖壁不同距離時（X=0.5 m、2.7 m、4.5 m）YZ截面的粉塵分布情況進行出圖分析，具體粉塵分布云圖見圖1。

對圖1分析可知，在10-430B1巷道掘進期間，在巷道高度方向上，隨著距底板距離的增大，風速在逐漸減小，空氣中的大顆粒粉塵在自身重力及風阻力的影響下逐漸的沉積，在巷道掘進沿程方向上，粉塵濃度會逐漸減小。由于微小顆粒的粉塵其自身較難沉降，進而使得粉塵在風流的作用下不斷的自由擴散，進而致使微小顆粒的粉塵會在整個巷道內漂浮。另外從圖中能夠看出在掘進工作面風筒側的粉塵濃度要比回風側的粉塵濃度高，掘進工作面的高濃度粉塵區域主要集中在回風側區域。

圖1 粉塵濃度分布云圖

另外，通過數據整理，分別繪制出掘進工作面回風側、司機處和風筒側的粉塵運移規律分別見圖2。

圖2 距離底板1.6 m沿程粉塵濃度分布曲線

對圖2分析可知，在掘進工作面壓入式的通風方式下，風流在距離掘進工作面4～6 m的位置處，即綜掘機司機位置產生渦旋，進而在該區域形成粉塵聚集點，該區域的粉塵濃度能夠達到680 mg/m3，粉塵濃度相對較大，對作業人員的健康和安全產生有較大的影響；而隨著掘進工作面掘進頭距離的增大，在工作面回風側和風筒側的粉塵濃度呈現出逐漸降低的趨勢，且粉塵濃度在滯后掘進工作面約40 m的位置1處基本達到穩定； 此時再隨著距離掘進工作面距離的增大，粉塵濃度變化不大。

2.2 現場實測分析

為進一步準確掌握10-430B1巷掘進期間巷道內部的粉塵運移規律，特在巷道掘進期間，采用CCGZ5748-85型直讀便攜式測塵儀進行粉塵濃度的測定[3-4]，測點布置在巷道距離底板1.6 m風筒側、采煤機司機處和回風側，每個測點進行三次粉塵濃度測量作業，基于實測結果，能夠得出回風側現場實測與數值模擬粉塵濃度分布曲線見圖3。

圖3 回風側現場實測與數值模擬粉塵濃度分布

對圖3分析可知，在距離掘進迎頭5～10 m的回風側區域，現場實測粉塵濃度大于數值模擬得出的粉塵濃度，這是由于數值模型中未考慮煤巖壁、掘進機身、水分等能夠對粉塵進行一定的捕捉和粘附；在距離掘進工作面20～25 m回風側的范圍內，由于數值模擬時為考慮二次轉載時產生的揚塵，所以導致實測粉塵濃度大于模擬得出的粉塵濃度；在距離掘進工作面25～50 m回風側的范圍內，此時數值模擬得出的回風側粉塵濃度與測試結果基本一致。

基于上述分析可知，盡管數值模擬結果與實測結果之間存在著一定的差異，但兩種測試結果所得出掘進工作面粉塵濃度沿程變化規律基本一致；據此可知，掘進工作面高粉塵區域主要集中在回風側區域，且在距離掘進工作面4～6 m處，即綜掘機司機的位置區域粉塵濃度較高，距離掘進工作面40 m后，此時巷道內粉塵濃度處于合理范圍內。

3 防塵技術

3.1 防塵方案

為有效治理10-430B1巷掘進工作面的粉塵，結合掘進工作面粉塵運移規律，確定采用多級防塵技術，即系列的除塵措施，主要包括產塵源治理、粉塵運移過程治理，以及粉塵個體防護，具體治理方案如下：

（1）掘進機高壓噴霧系統優化。綜掘機在進行掘進作業時，其工作方式采用的是掏挖式，其內部噴霧壓力較低，導致綜掘機在截割部位上的內噴頭常出現堵塞的情況。而綜掘機的外噴霧存在著水流量大、水壓不穩、噴嘴孔徑不等特征，同樣易于出現堵塞現象[5-6]?，F為保障綜掘機在掘進作業時能夠充分的發揮噴霧系統作用，對綜掘機噴霧系統進行改進，改進后的噴霧系統形式見圖4。優化后的噴霧系統由內噴霧系統和輔助外噴霧系統組成，噴嘴采用孔徑為1.2 mm螺旋牙水芯，噴霧系統運行時設置噴霧壓力為4～6 MPa；同時在掘進機上設置過濾裝置對井下水源進行過濾，以防止水中的雜質對噴嘴產生堵塞；優化后的綜掘機當其截割至腰部以上區域時，此時外噴霧主要針對揚塵區進行治理，當截割至腰部以下的位置時，此時外噴霧的安裝角度剛好能夠覆蓋落塵區域，以此實現產塵源的粉塵治理。

圖4 外噴霧系統原理

（2）濕式全斷面捕塵簾。在綜掘機截割煤巖時，在滯后掘進頭40 m的位置處設置一道濕式全斷面捕塵簾，進而實現對巷道內部懸浮微小顆粒的捕捉。該位置處的捕塵簾采用噴霧系統實現。另外在滯后掘進頭100 m和200 m的位置處分別設置一道捕塵簾； 該兩處位置處的捕塵簾通過紅外傳感技術，分別在粉塵濃度達標和超限時，通過紅外感應實現捕塵簾的上下卷動和噴霧系統的開啟與關閉。

（3）皮帶輸送機轉載點降塵。井下皮帶運輸時所產生的粉塵占到整個工作面粉塵總量的5%～10%。該區域產生粉塵的主要原因為皮帶輸送機在運輸轉載點上存在運輸落差，在煤巖塊體作拋物線運動時，在空氣阻力的作用下細小顆粒會形成塵化氣流，另外在風流等的沖擊作用下中小顆粒會產生粉塵飛揚現象，故基于此在皮帶輸送機各轉載點的位置處布置防塵罩和觸控噴淋霧化設施進行降塵作業。

（4）粉塵個體防護。在上述所有防塵措施實施完畢后，仍會存在部分呼吸性粉塵懸浮與巷道內。為保障作業者的安全，要求作業人員佩戴防塵口罩，做好個人防護。

綜上所述，本次采用的多次防塵方案布置方式見圖5。

圖5 多級防塵方案布置

3.2 效果分析

為驗證分析10-430B1巷掘進工作面采用多級防塵技術后的降塵效果，分別在綜掘工作面采用多級防塵前后，在距離迎頭5 m和20 m的位置處進行粉塵濃度測試，根據測試結果得出的數據見表1。

表1 多級防塵技術實施前后降塵效果

對表1中的數據分析可知，在掘進工作面采用多級降塵技術后，在距離掘進工作面20 m范圍內，粉塵濃度均在120 mg/m3以下，多級防塵技術的降塵效率在80%以上，降塵效果顯著，明顯改善了掘進工作面的作業環境。

4 結語

依據10-430B1巷的工程條件，通過數值模擬與現場實測相結合的方式對綜掘工作面粉塵運移規律進行分析，得出掘進工作面高粉塵區域主要集中在回風側區域； 且在距離掘進工作面4～6 m處，即綜掘機司機所處位置區域粉塵濃度較高?；诜蹓m運移規律，確定掘進工作面采用多級防塵技術；通過對采用多級防塵技術實施前后的粉塵濃度對比分析可知，多級防塵技術降塵效果顯著。