綜掘工作面粉塵運移沉降規(guī)律及三壓帶分段注水降塵技術(shù)

陳豹

（晉能控股集團 永定莊煤業(yè)有限公司，山西 大同 037003）

永定莊煤業(yè)為高瓦斯突出礦井，以Ⅱ1084 風(fēng)巷掘進工作面為試驗工作面。該采區(qū)10 煤層煤塵有爆炸性，工作面為排除瓦斯供風(fēng)量大，風(fēng)量均需超過700 m3/min，通風(fēng)方式為壓入式。工作面在掘進施工過程中會產(chǎn)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(fēng)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(guān)的基礎(chǔ)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(zhì)概況

Ⅱ1084 風(fēng)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(gòu)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(tǒng)一設(shè)定為2 400 mm×1 600 mm。

2 粉塵運移沉降規(guī)律

2.1 模型建立

Ⅱ1084 風(fēng)巷斷面呈直墻斜梯形，設(shè)計計算域為50 m。現(xiàn)場采用壓入式局部通風(fēng)機，建模時設(shè)定風(fēng)筒出風(fēng)口與迎頭距離為5 m，風(fēng)筒直徑為800 mm，懸掛高度為2.2 m。根據(jù)巷道及巷道內(nèi)設(shè)備實際尺寸，建立幾何模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模擬幾何模型Fig.1 Numerical simulation geometric model

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用歐拉- 拉格朗日法[3]模擬永定莊煤業(yè)Ⅱ1084 風(fēng)巷掘進工作面在生產(chǎn)過程中的粉塵沉降運移規(guī)律，為確保數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，將求解器的迭代步數(shù)設(shè)置為450 步。通過計算，各殘差曲線均小于10-3。

當風(fēng)流被局部通風(fēng)機壓入進風(fēng)筒后，風(fēng)流最終從風(fēng)筒末端向掘進工作面射出，由于風(fēng)筒緊貼巷道壁面，因此風(fēng)流從風(fēng)筒流出后，在有限空間內(nèi)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(fēng)流流向回風(fēng)流一側(cè)，并沿著掘進機和巷道壁面流入后風(fēng)流，而一小部分風(fēng)流在工作面和后部風(fēng)流的推壓作用下流向巷道頂板，該部分風(fēng)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(fēng)流。當射流區(qū)的風(fēng)流在工作面阻擋作用下流向回流區(qū)時，由于射流區(qū)卷吸作用，會在射流區(qū)和回流區(qū)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(qū)域，即射流區(qū)、渦流區(qū)、回流區(qū)。

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

在掘進機機身至工作面渦流區(qū)內(nèi)，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(guī)律，如圖2 所示。可以看出，渦流區(qū)內(nèi)的流場速度較為復(fù)雜，在不同高度范圍內(nèi)，流場速度均是隨高度的增加而不斷增加，同一高度內(nèi)流場速度是兩邊大、中間小，即在進風(fēng)側(cè)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(fēng)側(cè)巷道的近壁面處達到另一高值。隨著巷道內(nèi)風(fēng)流不斷流動，流場速度會逐漸趨于平穩(wěn)，在距掘進工作面30 m 時，風(fēng)速逐漸達到穩(wěn)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(jié)果可以看出，Ⅱ1084 風(fēng)巷內(nèi)粉塵濃度在綜掘面處較大，風(fēng)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(nèi)形成渦流區(qū)，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(shù)

3.1 “三壓帶”分段注水技術(shù)

3.1.1 系統(tǒng)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(yīng)力帶、原始應(yīng)力帶的“三壓帶”。分段式注水系統(tǒng)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(shè)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(qū)域的水分含量，另一方面又可以減少工作中產(chǎn)生的粉塵量。

該試驗系統(tǒng)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(shè)定高壓泵站水箱容積、額定流量、額定壓力的參數(shù)為1 m3、80 L/min、25 MPa。

3.1.2 分段注水試驗參數(shù)（1） 試驗孔布置。

永定莊煤業(yè)Ⅱ1084 風(fēng)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(shè)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(xiàn)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(jié)束第二段注水。注水壓力、注水時間和注水量測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 注水壓力、注水時間和注水量測試結(jié)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(shè)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(shè)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(jié)果見表2。

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

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

結(jié)果表明，距離注水試驗孔1.5 m 的區(qū)域內(nèi)，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(shù)的確定

基于試驗結(jié)果，分別設(shè)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(jù)，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(shù)

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?shù)谆緹o影響。高壓外噴霧降塵系統(tǒng)主要包括高壓噴霧泵站、高壓精密水質(zhì)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(shè)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(fēng)口。測塵方法采用濾膜質(zhì)量法，采樣流量設(shè)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(fēng)側(cè)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(shù)據(jù)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(fēng)測15 m 范圍內(nèi)的粉塵進行了濃度測定。測塵時流量設(shè)定在20 L/min，采用的是濾膜質(zhì)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(jié)果可知，在僅采用噴霧降塵措施的情況下，工作面回風(fēng)側(cè)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(yīng)用于工作面后，工作面回風(fēng)側(cè)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(jié) 論

（1） 基于歐拉- 拉格朗日法建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)Ⅱ1084 風(fēng)巷掘進工作面的實際情況，得出Ⅱ1084 風(fēng)巷內(nèi)粉塵濃度在綜掘面處較大，風(fēng)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(nèi)形成渦流區(qū)，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(yīng)用中，將煤層分段注水和高壓噴霧綜合應(yīng)用于工作面后，工作面回風(fēng)側(cè)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%。