綜掘工作面粉塵運移規律分析及防塵技術研究

張晨雨

（晉能控股裝備制造集團趙莊二號井，山西 晉城 048000）

1 工程概況

晉能控股裝備制造集團某礦10-4308 工作面位于東四采區左翼皮帶巷左側，10#煤層為當前的主要開采區域，厚度主要集中在1.95～2.78 m 之間，平均值為2.62 m。10-430B1 巷道掘進的主要目的是為便于工作面的煤礦輸送，行人通過，其開采方向與10#煤層底板掘進的方向相同，掘進斷面為矩形。利用錨網式錨桿進行巷道的支撐。在掘進巷道口采取了壓入法進行通風。通過對10#煤體的分析，發現10#煤體是一種可開采的、結構比較復雜的、煤粉是易發生爆炸的煤層。本文就煤巷掘進過程中的粉塵輸送規律和防治措施進行了初步的討論。

2 粉塵運移規律

2.1 數值模擬分析

為了更好的了解10—430B1 井巷施工過程中煤層的運動特性，以煤層的地質條件為基礎，利用Fluent 數值仿真程序對煤層進行了分析。為了簡化仿真模型，本文對一些條件進行簡化處理，例如假設流體不可壓縮，流場為穩定流場，在此基礎上，建立了長×寬×高為100 m×50 m×30 m 的數值模型，其中對風道進行了仿真，將壓力風管的風量設定為11.2 m/s，風管的口徑為1 m，在壓力風管出口處使用Outflow工況。根據數值計算的數據，繪制了XZ 剖面在距地面不同間距（Y=0.5、1.5、3.5 m）的剖面粉塵分布情況和工作面與煤層之間的不同間距（X=0.5 m、2.7 m、4.5 m）YZ 斷面上的粉塵分布情況，如圖1 所示。

圖1 粉塵濃度分布云圖

從圖1 的結果可以看出，10—430B1 隧道在開挖過程中，沿水平面的風速隨與基巖間距的增加而降低，大氣中顆粒較大的塵埃由于自身的自重和風力的作用而逐步堆積，隨著隧道的開挖，其密度將會逐步降低。因為細小的塵埃很難沉淀，所以在氣流的推動下，灰塵會在空氣中自由的傳播，從而導致細小的灰塵在巷子里飄蕩[1]。此外，從圖表可以看到，在巷道風管一側，煤層的濃度高于回風一側，而巷道內的高濃度粉塵則以回風側為主。

此外，對采集到的資料進行了分析，得到了采場回風側、司機區、風筒側的煙塵遷移情況，變化規律如圖2 所示。

圖2 距離底板1.6 m 沿程粉塵濃度分布曲線

從圖2 的解析可以看出，在采煤工作面采用壓入法的情況下，在采煤工作面4～6 m 的地方，也就是采煤的司機部位，在那里形成一個煙塵集中的地方，煙塵質量濃度高達680 mg/m3，而且煙塵的密度很大，會嚴重地危害工人的身體和安全；而隨著掘進頭的長度增加，采場回風側及風筒一側的粉塵濃度均呈逐步下降的趨勢，在落后工作面40 m 處，粉塵濃度趨于穩定。此時，當距離掘進工作面的距離進一步增加的情況下，煤塵的濃度沒有明顯的變化。

2.2 現場實測分析

為了更好地了解10-430B1 煤巷施工過程中煤層的運動情況，在巷道施工過程中，利用CCGZ5748-85 直讀式可移動灰塵測試儀對煙塵進行了檢測，在煤機的風筒側、采煤機的司機區、采煤機的風筒側、采煤機駕駛員、回風側各測了三次，根據實測數據可以得到回風側的現場實測數據，不同位置實測濃度和模擬濃度的對比，如圖3 所示。

圖3 回風側現場實測與數值模擬粉塵濃度分布

通過對圖3 的解析，可以看出，在與掘進機正面5～10 m 處的回風端，實際測量的粉塵密度比數值計算得到的要高，原因在于，在計算中沒有將煤壁、掘進機身、水分等因素考慮在內，導致模型的精確度較差。在采煤工作面20～25 m 的回風區，因計算時要兼顧二次轉載時的灰塵，但是在仿真模型中沒有考慮該因素，故實際測量的粉塵比仿真結果高；在采煤工作面25～50 m 的回風區，通過數值計算得到的回風區的粉塵濃度與實測值相吻合。

從圖3 的分析可以看出，在距掘進口5～10 m 處，在回風面上的實測粉塵濃度比數值計算得到的要高，這是因為數值模型沒有考慮到煤壁、掘進機身、濕氣等因素對煤層的吸附作用；在采煤工作面20～25 m 的回風區，由于計算時考慮了二次翻轉時的飛揚，故實際的粉塵濃度比模擬結果高；在采煤工作面25～50 m的回風區，通過數值計算得到的回風區的粉塵濃度與實測值相吻合。

根據以上的研究結果，雖然計算和實際測量數據有一些差別，但是通過兩種方法得到的煤塵濃度沿程隨時間的改變趨勢是一致的[2]。從分析結果可以看出，采煤工作面的高塵土分布在回風邊區，而位于采煤工作面4～6 m，也就是在司機工作范圍內有著較高的粉塵濃度，當煤層高度達到40 m 以后，煤層的含塵量就控制在一定的區間之內。

3 防塵技術

3.1 防塵方案

為了對10—43081 井巷施工進行有效的控制，根據煤層運動特性，采取了一套分級控制技術，也就是一系列的除塵措施。主要內容有治理產塵源、治理粉塵運移、治理粉塵個人保護等，其治理措施有如下：

1）掘進機高壓噴霧系統優化。綜上所述，由于在進行挖掘時，由于其工作模式為挖掘式，所以其內部噴射壓力很小，造成了在其截割處的內噴射口經常發生阻塞。但由于噴嘴的水流量大，水壓不穩定，噴嘴孔徑不均勻等特點，因此也容易發生噴嘴的阻塞。為了保證綜采工作面上的施工，使綜采工作面上的噴淋裝置得到最大程度的利用，并對其進行了改造，如圖4所示。該系統包括內部噴射系統和外部輔助噴射系統，該噴頭使用直徑1.2 mm 的螺旋齒形噴頭，在噴射系統工作時將噴射壓力設定在4～6 MPa；同時，在鉆機上安裝了過濾器，用于過濾井下的水源，避免了由于水中的雜質而造成的水口堵塞；在最優條件下，在截斷到腰部以上的時候，外部噴灑的作用是控制楊塵的，而在截斷到腰部以下的時候，外部噴灑的角度正好可以覆蓋到落塵的范圍，從而達到對產生塵源的控制。

圖4 外噴霧系統原理

2）濕式全斷面捕塵簾。在綜采工作面上，在工作面40 m 的落后工作面上安裝一塊濕式型全剖面捕塵網，從而有效地捕獲了巷道中的細小懸浮物，此部位的粉塵收集是通過噴灑裝置來完成的。此外，在落后鉆探100～200 m 的地方，各設有一塊防塵帷幕，這兩個部位的灰塵收集裝置采用了紅外線傳感器，當灰塵的密度達到或超過閾值時，可以利用紅外線感測來控制灰塵的升降和噴灑裝置的打開和關閉。

3）皮帶輸送機轉載點降塵。在礦井輸送過程中，輸送的煤塵占了整個工作面的5%～10%。造成這一地區粉塵的主要原因是由于輸送帶式輸送機在輸送轉運點有一定的落差，當煤塊在空中拋物線的時候，由于空氣的阻力，細小的顆粒會在空氣中形成灰塵，而在風流的沖擊下，小顆粒會被吹起。因此，根據這一特點，在輸送帶的各個轉運點上設置了防塵罩和觸摸式噴霧裝置來控制粉塵的排放。

4）粉塵個體防護。以上各項防塵處理完成后，煤層中仍然會出現一些可吸入的塵埃。為了確保操作工人的人身安全，操作工人必須穿戴防塵帽和防塵口罩，嚴格執行防護措施。因此，所采取的多重防塵措施的排列形式，如圖5 所示。

圖5 多級防塵方案布置

3.2 效果分析

為了檢驗10—43081 井巷掘進工作面采取多級防塵措施，對其進行了除塵處理，采取了分級防塵措施，并對其在煤層5、20 m 范圍內進行了現場的粉塵含量測定，測試結果如表1 所示。

表1 多級防塵技術實施前后降塵效果

通過對表1 的數據進行分析，發現在掘進工作面20 m 以內，多階段除塵技術應用于掘進工作面后，煤層的含塵量為120 mg/m3，多層除塵技術降低了80%塵土，使煤層的運行條件得到了明顯的提高。

4 結語

根據10-43081 煤層的實際情況，采用數值仿真和現場測量方法，對煤層煤層運動的影響進行了研究，得到了粉塵濃度較高的區域集中在回風邊區。而在采煤工作面4～6 m 的范圍內，也就是采煤的采煤司機所在的區域，是粉塵濃度較大的地區。根據煤層的運動特性，提出了在掘進過程中應采取的多層次控制技術，對多層除塵工藝實施前后的粉塵密度進行了比較，結果表明：多層除塵技術具有明顯的降塵作用。