綜掘工作面粉塵運移沉降規律及三壓帶分段注水降塵技術

陳豹

（晉能控股集團 永定莊煤業有限公司，山西 大同 037003）

永定莊煤業為高瓦斯突出礦井，以Ⅱ1084 風巷掘進工作面為試驗工作面。該采區10 煤層煤塵有爆炸性，工作面為排除瓦斯供風量大，風量均需超過700 m3/min，通風方式為壓入式。工作面在掘進施工過程中會產生大量粉塵污染，總粉塵濃度超過1 000 mg/m3。在突出煤層中，抽壓式混合通風降塵效果不理想。除此之外，在注水可注性、煤塵浸潤性等方面缺少相關的基礎理論研究，對煤塵基本特性認識不足，致使煤層注水效果不佳[1-2]。

1 地質概況

Ⅱ1084 風巷橫截面呈斜梯形狀，凈寬度和凈高度分別為4 600 mm 和3 000 mm。煤層構造簡單，其傾斜角度為10°。在煤層直接頂和老頂中，多分布中粒砂巖和泥巖，在直接底和老底中，多分布粉砂巖和泥巖。將一排尺寸為φ17.8 mm×6 300 mm 的錨索加裝在兩排錨桿之間，作用是補強支護，各錨索之間的排距統一設定為2 400 mm×1 600 mm。

2 粉塵運移沉降規律

2.1 模型建立

Ⅱ1084 風巷斷面呈直墻斜梯形，設計計算域為50 m。現場采用壓入式局部通風機，建模時設定風筒出風口與迎頭距離為5 m，風筒直徑為800 mm，懸掛高度為2.2 m。根據巷道及巷道內設備實際尺寸，建立幾何模型如圖1 所示。

圖1 數值模擬幾何模型Fig.1 Numerical simulation geometric model

2.2 數值模擬結果分析

采用歐拉- 拉格朗日法[3]模擬永定莊煤業Ⅱ1084 風巷掘進工作面在生產過程中的粉塵沉降運移規律，為確保數值模擬結果的準確性，將求解器的迭代步數設置為450 步。通過計算，各殘差曲線均小于10-3。

當風流被局部通風機壓入進風筒后，風流最終從風筒末端向掘進工作面射出，由于風筒緊貼巷道壁面，因此風流從風筒流出后，在有限空間內形成附著射流，垂直于射流運動方向的截面隨射程的增大而增大。最終，大部分風流流向回風流一側，并沿著掘進機和巷道壁面流入后風流，而一小部分風流在工作面和后部風流的推壓作用下流向巷道頂板，該部分風流大多沿巷道頂部移動到工作面后部，并穿過掘進機機身匯入后部風流。當射流區的風流在工作面阻擋作用下流向回流區時，由于射流區卷吸作用，會在射流區和回流區之間、位于掘進機機身前部形成明顯渦流，這樣，整個掘進工作面將形成三個流場區域，即射流區、渦流區、回流區。

當風流受掘進工作面阻擋后產生反向回流，回流到綜掘機處時，一部分風流在綜掘機阻擋作用下，沿綜掘機與回流區巷道壁面的空隙和巷道頂板繼續進行回流運動；另一部分風流會改變運動方向，沿綜掘機機身前部向射流區運動，該部分風流會在綜掘機機身和掘進面之間形成較大的渦流區。從綜掘機機身左右兩側和機身上部流出的風流，由于穿過綜掘機機身的繞流運動，會在機身后方4 m內形成一個較小的渦流區。

在掘進機機身至工作面渦流區內，距離掘進工作面1.5 m 處，選取平行于掘進面的平面，得到分別距離底板0.8、1、1.2、1.5 和1.8 m 的速度分布規律，如圖2 所示。可以看出，渦流區內的流場速度較為復雜，在不同高度范圍內，流場速度均是隨高度的增加而不斷增加，同一高度內流場速度是兩邊大、中間小，即在進風側巷道的近壁面處流場速度達到最大值，隨后沿巷道寬度流場速度逐漸降低，在降低到最低速度后又逐漸升高，在回風側巷道的近壁面處達到另一高值。隨著巷道內風流不斷流動，流場速度會逐漸趨于平穩，在距掘進工作面30 m 時，風速逐漸達到穩定值0.97 m/s。

圖2 距工作面1.5 m 巷道斷面上不同高度的速度分布Fig.2 Velocity distribution at different heights on the section of 1.5 m roadway from the working face

從模擬結果可以看出，Ⅱ1084 風巷內粉塵濃度在綜掘面處較大，風筒出口距迎頭距離小于5 m，在距離掘進工作面3 m 范圍內形成渦流區，造成粉塵集聚，粉塵沉降與擴散效果較差，粉塵濃度達1 000 mg/m3以上。

3 工作面防塵降塵技術

3.1 “三壓帶”分段注水技術

3.1.1 系統組成

掘進面巷道開挖后，隨著掘進面不斷向前推進，在煤體前方形成卸壓帶、集中應力帶、原始應力帶的“三壓帶”。分段式注水系統采用可回收式FKSS-50/12 型兩段式注水封孔器進行封孔注水，封孔器額定壓力設定為12 MPa[4]。它屬于兩級逐級封孔注水的封孔器，一方面能夠增加煤體注水區域的水分含量，另一方面又可以減少工作中產生的粉塵量。

該試驗系統組成部分有高壓泵站、分段注水的封孔器、掘進機噴灑降塵裝置、壓力表、流量表、高壓管線等，分別設定高壓泵站水箱容積、額定流量、額定壓力的參數為1 m3、80 L/min、25 MPa。

3.1.2 分段注水試驗參數（1） 試驗孔布置。

永定莊煤業Ⅱ1084 風巷的工作面呈斜梯狀，凈寬度和凈高度分別為4.6 m 和3 m，凈橫截面積為13.8 m2，煤層的傾角是10°，在進行注水實驗的時候，采用φ42 mm 的鉆頭在工作面的正中央打一個鉆孔，深度為6 m，每鉆進1 m 取一次鉆屑進行密封存放，其中鉆屑量不低于100 g。

（2） 注水壓力、注水時間和注水量。

在煤層注水試驗中，我們設定注水壓力分別為6、8、10、12 MPa，同時記錄觀察注水壓力的變換和煤壁是否出水情況。首先進行第一段注水，通過觀察注水壓力以及煤壁出水情況，當煤壁出現掛汗或注水壓力明顯下降時，停止第一段注水，或在注水量不再增加時，切換到第二段注水，當煤壁再次出水或注水壓力明顯下降時，停止第二段注水，或者在注水量不再增加時，結束第二段注水。注水壓力、注水時間和注水量測試數據見表1。

表1 注水壓力、注水時間和注水量測試結果Table 1 Water injection pressure,water injection time and water injection test results table

從注水試驗中可以看出，在壓力設定為10 MPa 時，效果最為理想。

（3） 水分增量的考察。

在分別距離注水試驗孔0.5 m、1.0 m、1.5 m的位置處進行試驗，深度設定為6 m，工作面每鉆進1 m 取一次鉆屑進行密封存放，其中鉆屑量不低于100 g。按照GBT/211-2007 《煤中全水分的測定方法》的要求，對鉆屑煤樣品進行檢測和分析，并與原來的煤樣含水量進行比較，得出水分增量測試分析計算結果見表2。

表2 水分增量測試分析計算結果Table 2 Moisture increment test analysis and calculation results

表3 Ⅱ1084 風巷掘進工作面煤層高壓噴霧降塵效果測試結果Table 3 II1084 test results of high pressure spray dust reduction effect of coal seam in heading face of ventilation roadway

結果表明，距離注水試驗孔1.5 m 的區域內，煤的平均含水量增長大于1.5%，因此確定注水的有效濕潤半徑為1.5 m。

（4） 分段注水工藝參數的確定

基于試驗結果，分別設定注水壓力10 MPa、鉆孔深度6 m、鉆頭直徑42 mm。以注水有效濕潤半徑為1.5 m 為依據，將2 個注水鉆孔布置在工作面迎頭處以確保濕潤效果覆蓋整個斷面，如圖3所示。

圖3 注水孔布置Fig.3 Water injection hole layout

3.2 高壓外噴霧技術

試驗中，以G 形高壓霧化噴頭為主要工具，壓力為8 ～10 MPa、噴霧霧粒直徑為75 ～56μm、直徑為0.8 mm。安裝10 個噴頭，其中6 個分布在頂端，2 個分布在兩端。頂端的噴嘴間隔為100 mm，在兩端噴霧中，上部1 個噴嘴與頂部間隔100 mm，下部2 個噴嘴間隔150 mm。當噴霧壓力為8 MPa 時，總耗水量為32 L/min，對煤層及頂底基本無影響。高壓外噴霧降塵系統主要包括高壓噴霧泵站、高壓精密水質濾清器、高壓管線以及高壓噴霧降塵器等部分，同時，將泵站固定安裝于掘進巷道硐室中，由高壓管線將高壓水送至掘進機高壓噴霧降塵設備和煤層注水口封閉裝置中。

4 效果分析

4.1 分段注水降塵效果分析

測試除塵效果時，測試點位于距離工作面15 m 的回風口。測塵方法采用濾膜質量法，采樣流量設定為20 L/min，從而計算出空氣中總粉塵的濃度和降塵效率。

通過測試可以看出，分段注水前，回風側距工作面15 m 處的總粉塵量為467.5 mg/m3，分段注水后的總粉塵量降低至179.1 mg/m3，總粉塵量有所下降，總粉塵降塵效率可達到61.8%。同時，注水前的呼吸性粉塵含量為37.6 mg/m3，注水后的呼吸性粉塵含量為13.7 mg/m3，降塵效率可達67%，呼吸性粉塵降塵效率為63.4%。數據說明通過煤層注水可以降低粉塵濃度，基本達到了良好的注水效果和降塵效果。

4.2 高壓噴霧降塵效果分析

采用掘進機的高壓噴霧降塵方法，在煤層注水前及注水后，分別對回風測15 m 范圍內的粉塵進行了濃度測定。測塵時流量設定在20 L/min，采用的是濾膜質量法，在采樣完成后，利用公式分別計算出空氣中總粉塵的濃度和降塵效率。

由測試結果可知，在僅采用噴霧降塵措施的情況下，工作面回風側15 m 處的總粉塵和呼吸性粉塵濃度分別為126.6 mg/m3和14.2 mg/m3，總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率分別為72.8%和62.4%。將煤層分段注水和高壓噴霧綜合應用于工作面后，工作面回風側15 m 處的總粉塵和呼吸性粉塵濃度分別降低到43.2mg/m3和8.2mg/m3，總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率分別提高到了90.7%和77.9%。

5 結 論

（1） 基于歐拉- 拉格朗日法建立數學模型，根據Ⅱ1084 風巷掘進工作面的實際情況，得出Ⅱ1084 風巷內粉塵濃度在綜掘面處較大，風筒出口距迎頭距離小于5 m，在距離掘進工作面3 m 范圍內形成渦流區，造成粉塵集聚，粉塵沉降與擴散效果較差，粉塵濃度達1 000 mg/m3以上。

（2） 實際應用中，將煤層分段注水和高壓噴霧綜合應用于工作面后，工作面回風側15 m 處的總粉塵和呼吸性粉塵濃度分別降低到43.2 mg/m3和8.2 mg/m3，總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率分別提高到了90.7%和77.9%。