四明山工作面粉塵分布規(guī)律與防治技術(shù)研究

賀森棟

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四明山煤礦，山西 高平 048400）

我國井工礦的開采數(shù)量約占煤礦總數(shù)的90%左右，在這些煤炭資源開采過程中，會(huì)釋放出大量的煤礦粉塵，因此粉塵防治成為企業(yè)安全生產(chǎn)工作中的重點(diǎn)內(nèi)容。目前井工礦開采強(qiáng)度逐步提高、采掘深度日益加深，通風(fēng)難度隨之加大，工作面的粉塵濃度呈上升趨勢(shì)，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(yuǎn)高于行業(yè)職衛(wèi)健康的要求[3－4]。

井下粉塵不僅嚴(yán)重地制約著煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)，還威脅著井下工人的身體健康。據(jù)2010年我國衛(wèi)生部數(shù)據(jù)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(dá)94.2%，長期從事于高濃度煤塵環(huán)境中，嚴(yán)重者甚至因此喪失勞動(dòng)能力[5]。因此，研究井下工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律，對(duì)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(yùn)銷集團(tuán)四明山煤業(yè)（全文簡稱四明山礦）位于晉城高平北詩鎮(zhèn)，采用中央分列式通風(fēng)系統(tǒng)，機(jī)械抽出式通風(fēng)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(chǔ)量55.8萬t，經(jīng)鑒定為不可注水煤層。本次模擬根據(jù)四明山礦實(shí)際條件，對(duì)綜掘工作面正常通風(fēng)下的粉塵分布規(guī)律進(jìn)行研究，目的在于更有針對(duì)性的制定區(qū)域防塵措施，改善工作面的工作環(huán)境。

1.1 模型的建立

模型選取9102工作面運(yùn)輸順槽為研究對(duì)象，該順槽巷道斷面寬：4.8 m高：2.5 m，井下巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個(gè)管路、綜掘設(shè)備、電纜槽、皮帶機(jī)等都會(huì)對(duì)粉塵運(yùn)移帶來影響，綜合考慮因素較多導(dǎo)致建模難度大，需在建模過程中進(jìn)行適當(dāng)簡化。根據(jù)工作面實(shí)際情況，利用建模軟件ICEM對(duì)現(xiàn)場各部分按等比例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將巷道簡化為拱形體，計(jì)算長度取50 m。模型計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格劃分為六面體網(wǎng)格（Hex-Core），網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共計(jì)78564個(gè)，如圖1所示。

圖1 綜掘工作面網(wǎng)格劃分示意圖

9102工作面粉塵為顆粒狀固體，巷道內(nèi)填充為空氣，為了研究粉塵的分布規(guī)律，將采用歐拉-拉格朗日法建立數(shù)學(xué)模型[6]。

邊界條件的設(shè)定：網(wǎng)格成功生成后，將模型導(dǎo)入FLUENT數(shù)值模擬軟件中，選用離散相瞬態(tài)模型作為計(jì)算模型，具體邊界條件與粉塵參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 模型參數(shù)設(shè)定表

1.2 模擬結(jié)果

如圖2為距離底板不同距離時(shí)（0.5 m、1.5 m和3.5 m），巷道內(nèi)粉塵的分布情況。當(dāng)工作面進(jìn)行采掘作業(yè)時(shí)，風(fēng)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(shí)懸浮于巷道空氣中，細(xì)微顆粒狀的粉塵在風(fēng)流作用下于巷道自由擴(kuò)散。

圖2 距底板不同距離時(shí)粉塵分布效果圖

煤（巖）壁側(cè)的粉塵分布情況如圖3和圖4所示，回風(fēng)側(cè)和風(fēng)筒側(cè)粉塵質(zhì)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(wěn)定（圖4-1、圖4-3），最終在100 mg/m3左右。在距離綜掘機(jī)司機(jī)5 m左右的位置（圖4-2），受空氣擾動(dòng)的影響，形成渦旋致使粉塵聚集，濃度高達(dá)720 mg/m3，將對(duì)作業(yè)人員的健康產(chǎn)生極大威脅。

圖4 巷道不同地點(diǎn)粉塵濃度分布曲線圖

2 防塵措施

通過數(shù)值模擬研究，為更有針對(duì)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(fēng)除塵

在9102工作面采用局扇通風(fēng)，通風(fēng)方式選用壓入式供風(fēng)，井下主變電所、主排水泵房、調(diào)度室、等候室及井下消防材料庫等硐室利用主通風(fēng)機(jī)全負(fù)壓通風(fēng)。為防止通風(fēng)系統(tǒng)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(jī)、掘進(jìn)機(jī)、液壓支架、破碎機(jī)等處設(shè)置噴霧防塵裝置，內(nèi)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(fēng)流

在9102工作面內(nèi)各設(shè)兩道全斷面風(fēng)流凈化水幕，第一道水幕距迎頭距離不得超過50 m；為自動(dòng)控制風(fēng)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(dòng)控制風(fēng)流凈化水幕。

2.4 個(gè)體防護(hù)

接觸粉塵作業(yè)的人員，尤其是采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)司機(jī)、移架工、鉆眼工，佩帶帶有“MA”標(biāo)志的防塵口罩KN95型。

3 井下實(shí)測及結(jié)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(fēng)筒附壁面0.2 m處布置10個(gè)觀測點(diǎn)，對(duì)粉塵濃度進(jìn)行采樣分析，采樣點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 粉塵濃度測點(diǎn)布置俯視圖（m）

每個(gè)測點(diǎn)取樣三次，取加權(quán)平均值進(jìn)行記錄,制成下頁表2。結(jié)果顯示，經(jīng)過針對(duì)性的防塵措施的實(shí)施，9102工作面粉塵濃度下降明顯，運(yùn)輸順槽粉塵防治工作達(dá)到國家要求標(biāo)準(zhǔn)。

表2 巷道各測點(diǎn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)語

根據(jù)模擬結(jié)果顯示，9102工作面粉塵濃度超標(biāo)，會(huì)嚴(yán)重影響到四明山礦的生產(chǎn)安全，為解決此問題，先后對(duì)工作面粉塵分布進(jìn)行模擬研究，進(jìn)而采取有針對(duì)性的通風(fēng)除塵、噴霧除塵，凈化風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，確保掘進(jìn)工作安全、快速、高效推進(jìn)。