四明山工作面粉塵分布規律與防治技術研究

賀森棟

（晉能控股煤業集團四明山煤礦，山西 高平 048400）

我國井工礦的開采數量約占煤礦總數的90%左右，在這些煤炭資源開采過程中，會釋放出大量的煤礦粉塵，因此粉塵防治成為企業安全生產工作中的重點內容。目前井工礦開采強度逐步提高、采掘深度日益加深，通風難度隨之加大，工作面的粉塵濃度呈上升趨勢，粉塵涌出量占井下煤塵總量的60%[1－2]。在未采取有效防塵措施綜采工作面，粉塵濃度甚至將超過3000 mg/m3，遠高于行業職衛健康的要求[3－4]。

井下粉塵不僅嚴重地制約著煤礦企業的安全生產，還威脅著井下工人的身體健康。據2010年我國衛生部數據顯示，新增塵肺病病例23812例，其中煤礦工人塵肺病和矽肺占比高達94.2%，長期從事于高濃度煤塵環境中，嚴重者甚至因此喪失勞動能力[5]。因此，研究井下工作面粉塵運移規律，對制定粉塵防控措施、降低粉塵濃度具有重大意義。

1 模擬的建立與分析

山西煤炭運銷集團四明山煤業（全文簡稱四明山礦）位于晉城高平北詩鎮，采用中央分列式通風系統，機械抽出式通風方法。目前四明山礦正在開采9102綜采工作面，該工作面順槽長度1250 m，可采儲量55.8萬t，經鑒定為不可注水煤層。本次模擬根據四明山礦實際條件，對綜掘工作面正常通風下的粉塵分布規律進行研究，目的在于更有針對性的制定區域防塵措施，改善工作面的工作環境。

1.1 模型的建立

模型選取9102工作面運輸順槽為研究對象，該順槽巷道斷面寬：4.8 m高：2.5 m，井下巷道結構復雜，各個管路、綜掘設備、電纜槽、皮帶機等都會對粉塵運移帶來影響，綜合考慮因素較多導致建模難度大，需在建模過程中進行適當簡化。根據工作面實際情況，利用建模軟件ICEM對現場各部分按等比例進行適當調整，將巷道簡化為拱形體，計算長度取50 m。模型計算域內網格劃分為六面體網格（Hex-Core），網格節點共計78564個，如圖1所示。

圖1 綜掘工作面網格劃分示意圖

9102工作面粉塵為顆粒狀固體，巷道內填充為空氣，為了研究粉塵的分布規律，將采用歐拉-拉格朗日法建立數學模型[6]。

邊界條件的設定：網格成功生成后，將模型導入FLUENT數值模擬軟件中，選用離散相瞬態模型作為計算模型，具體邊界條件與粉塵參數設置如表1。

表1 模型參數設定表

1.2 模擬結果

如圖2為距離底板不同距離時（0.5 m、1.5 m和3.5 m），巷道內粉塵的分布情況。當工作面進行采掘作業時，風流速度隨與底板距離的增加而減弱，大顆粒狀的粉塵受重力影響逐漸向下沉積，而沿程粉塵受空氣阻力影響，濃度在減弱的同時懸浮于巷道空氣中，細微顆粒狀的粉塵在風流作用下于巷道自由擴散。

圖2 距底板不同距離時粉塵分布效果圖

煤（巖）壁側的粉塵分布情況如圖3和圖4所示，回風側和風筒側粉塵質量濃度隨與迎頭面距離的增加而減弱，最高超過1000 mg/m3，直至45 m處趨于穩定（圖4-1、圖4-3），最終在100 mg/m3左右。在距離綜掘機司機5 m左右的位置（圖4-2），受空氣擾動的影響，形成渦旋致使粉塵聚集，濃度高達720 mg/m3，將對作業人員的健康產生極大威脅。

圖4 巷道不同地點粉塵濃度分布曲線圖

2 防塵措施

通過數值模擬研究，為更有針對性的制定防塵措施，四明山礦特制訂以下粉塵防治措施：

2.1 通風除塵

在9102工作面采用局扇通風，通風方式選用壓入式供風，井下主變電所、主排水泵房、調度室、等候室及井下消防材料庫等硐室利用主通風機全負壓通風。為防止通風系統紊亂，井底煤倉不得放空。

2.2 噴霧除塵

在9102工作面的采煤機、掘進機、液壓支架、破碎機等處設置噴霧防塵裝置，內噴霧壓力不得小于2 MPa，外噴霧壓力不得小于4 MPa。

2.3 凈化風流

在9102工作面內各設兩道全斷面風流凈化水幕，第一道水幕距迎頭距離不得超過50 m；為自動控制風流凈化水幕；第一道水幕與第二道水幕間距不得大于20 m，為自動控制風流凈化水幕。

2.4 個體防護

接觸粉塵作業的人員，尤其是采煤機和掘進機司機、移架工、鉆眼工，佩帶帶有“MA”標志的防塵口罩KN95型。

3 井下實測及結果分析

為測量9102工作面防塵措施的制定效果，將在距離壓風筒附壁面0.2 m處布置10個觀測點，對粉塵濃度進行采樣分析，采樣點布置如圖5所示。

圖5 粉塵濃度測點布置俯視圖（m）

每個測點取樣三次，取加權平均值進行記錄,制成下頁表2。結果顯示，經過針對性的防塵措施的實施，9102工作面粉塵濃度下降明顯，運輸順槽粉塵防治工作達到國家要求標準。

表2 巷道各測點數據表

4 結語

根據模擬結果顯示，9102工作面粉塵濃度超標，會嚴重影響到四明山礦的生產安全，為解決此問題，先后對工作面粉塵分布進行模擬研究，進而采取有針對性的通風除塵、噴霧除塵，凈化風流等防塵措施，使工作面粉塵濃度從超過1000 mg/m3下降到國家要求標準以內，確保掘進工作安全、快速、高效推進。