高瓦斯易突礦井掘進工作面綜合降塵技術研究

靳 擎

（潞安集團古城煤礦，山西 長治 046108）

1 工程概況

3105工作面位于3#煤層一采區(qū)，工作面主采3#煤層，煤層平均厚度為4.7m，結構簡單，全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層直接頂為泥巖，均厚2.4m，基本頂為中粒砂巖，均厚5.3m，直接底為泥巖，均厚1.5m，基本底為砂質泥巖，均厚為8.3m，平均傾角為5°，工作面實測最大瓦斯壓力為1.7MPa，屬于高瓦斯礦井，且煤體破碎嚴重，易出現(xiàn)瓦斯突出的危險性。

3105工作面運輸巷目前正在進行掘進作業(yè)，掘進工作面采用EBZ200型掘進機，根據(jù)掘進工作面瓦斯測定得知，該掘進工作面的瓦斯初放速度為12.4mmHg，根據(jù)煤層濕潤性測定結果知煤塵的接觸角為67.25°，存在著煤塵爆炸的可能性，目前該工作面采用普通外噴霧進行降塵作業(yè)，但降塵效果較差，無法為掘進工作面的安全作業(yè)提供保障，故需采用有效的措施降低掘進工作面的粉塵。

2 粉塵移動規(guī)律分析

為有效分析3105工作面運輸巷掘進工作面進行掘進作業(yè)時粉塵的運移規(guī)律，現(xiàn)通過Fluent建立運輸巷的幾何模型，模型中設置工作面長度為50m，寬度為5m，高度為3.5m，掘進機的長×寬×高=10m×2.7m×1.8m，壓入式風筒直徑設置為800mm，并設置粉塵的產生源頭為綜掘機截割頭的圓圈范圍內[1-2]，具體物理力學模型如圖1所示。

根據(jù)3105工作面運輸巷掘進作業(yè)的順序進行模擬分析，首先在工作面掘進前進行一段時間的通風，隨后對掘進工作面開始作業(yè)，粉塵源開始釋放粉塵，具體記錄60s內粉塵的運移規(guī)律，結果如圖2所示。

圖1 掘進工作面物理力學模型示意圖

圖2 不同時間下粉塵運移規(guī)律分布

通過具體分析圖2可知，在巷道掘進作業(yè)開始后，掘進頭的粉塵源開始釋放粉塵的60s內，粉塵在巷道內部逐漸擴散，并且大部分的粉塵會隨著風流流向回風側，僅有小部分粉塵會聚集在循環(huán)風流區(qū)域和巷道后半部分，結合模擬結果和現(xiàn)場實際情況分析認為，由于粉塵的差異性，會使得在不同粒徑分布條件下的分布規(guī)律出現(xiàn)一定的差異性，巷道內部不規(guī)律的小股粉塵的聚集主要為小粒徑的粉塵，另外巷道底板粉塵高濃度的聚集出現(xiàn)在距離回風巷20m以后的位置處，從掘進工作面的粉塵分布規(guī)律上分析，能夠看出粉塵濃度的最高值在綜掘面截割的位置處，基于此分析知在粉塵源的位置處進行降塵作業(yè)，能夠獲得較好的降塵效果。

基于數(shù)值模擬結果，為進一步分析出巷道內粉塵的分布規(guī)律，沿著巷道的走向方向，進行巷道沿YZ方向截面的出圖作業(yè)，將巷道劃分為回風側X=1處，進風側X=4處，巷道中部X=2.5m處，根據(jù)模擬結果能夠得出巷道斷面不同位置處的分布規(guī)律如圖3所示。

圖3 巷道沿YZ方向不同剖面的粉塵分布規(guī)律

通過具體分析圖3可知，在掘進作業(yè)開始后的60s時，巷道內部的粉塵主要集中在回風側，但巷道中部和進風側為高濃度粉塵的主要聚集點，，結合工程現(xiàn)場情況分析知，由于回風側的風流速度較快，粉塵的在回風側極易被風流帶走，但由于粉塵同樣會隨著回風側風流的運動而移動，這也是掘進工作面回風側粉塵濃度較高的主要原因，在巷道距離掘進頭約50m的范圍內，巷道的中部及回風側仍有較多的粉塵聚集，由于小粒徑的粉塵會在風流及空氣浮力的作用下出現(xiàn)逐漸消散的現(xiàn)象，進而會在巷道的回風側出現(xiàn)，隨著與掘進頭距離的增加，回風側粉塵的飄散程度會逐漸增大。

3 綜合降塵技術

3.1 降塵方案

根據(jù)3105工作面運輸巷的具體條件，結合數(shù)值模擬結果知在粉塵源頭位置粉塵濃度最高，在掘進頭的位置進行降塵作業(yè)效果較好，另外在參各項規(guī)程的基礎上，確定在3105工作面運輸巷掘進工作面更換降塵設備，在掘進頭割煤、裝煤和煤壁垮落位置采用泡沫降塵技術[3-4]，在皮帶機轉載點的位置采用密閉觸控噴霧降塵技術，在皮帶的運輸過程中采用定點觸控式聯(lián)動噴霧降塵技術，為對巷道全斷面的風流進行凈化，特采用定時光控噴霧技術，另外在該四項降塵技術的基礎上，加強人工定期清理積塵、定時灑水等作業(yè)，具體3105工作面運輸巷掘進工作面的綜合防塵方案示意圖如圖4所示。

圖4 掘進工作面綜合防塵方案布置示意圖

具體3105工作面運輸巷的降塵措施如下：

1）掘進工作面前方煤體預注水技術。根據(jù)3105運輸巷掘進工作面煤體的測試試驗可知，該區(qū)域煤體內的吸水率、水分、堅固性系數(shù)和孔隙率的數(shù)據(jù)見表2。

表2 3105運輸巷掘進工作面煤層各項指標測試值

基于表2中的數(shù)據(jù)可知，結合煤層可注水的標準可知，當原有水分小于4%、堅固性系數(shù)大于0.4，吸水率大于1%的煤層符合注水的條件，但該區(qū)域煤層的孔隙率為1.92%，小于煤層可注水孔隙率4%的標準，故基于此數(shù)據(jù)可知3105運輸巷掘進工作面在正常掘進作業(yè)時，可不進行煤層注水作業(yè)，在粉塵含量較高時，可利用掘進頭煤層注水系統(tǒng)進行預注水作業(yè)，在進行煤層預注水作業(yè)時，煤層注水的各項參數(shù)見表3。

表3 煤層預注水孔布置方式各項參數(shù)

2）泡沫降塵技術。根據(jù)3105運輸巷掘進工作面區(qū)域煤層的具體特征知煤層具有疏水的特性，現(xiàn)優(yōu)化原有的水噴霧為機載泡沫降塵設備，從源頭上對掘進工作面的的高粉塵進行防治，通過泡沫對掘進頭的粉塵進行沉降和捕獲。

3）密閉觸控噴霧降塵技術。由于煤在轉載點附近會由于自身的重力作用而出現(xiàn)降落，現(xiàn)在轉載點附近通過噴霧和密閉的方式來來實現(xiàn)工作面的降塵作業(yè)，轉載機的密閉主要通過密閉罩實現(xiàn)，轉載點的噴霧系統(tǒng)通過自動觸控式風水聯(lián)動噴霧。

4）定點觸控式聯(lián)動噴霧降塵技術。在掘進工作面的皮帶上，煤在運輸?shù)倪^程中會經常出現(xiàn)摩擦和振動的現(xiàn)象，進而會在巷道內部產生大量的粉塵，為高效全方位的實現(xiàn)降塵，現(xiàn)在皮帶上每間隔400m安設一處觸控式噴霧。

5）巷道全斷面的風流進行凈化技術。由于掘進工作面中的粉塵基本呈現(xiàn)出不規(guī)律的分布形態(tài)，在降塵作業(yè)的同時，同時在人員經過固定噴霧點時使用光控傳感器停止噴霧作業(yè)，具體噴霧點設置間距為400m一個，噴霧的控制采用定時互相交錯的開啟，采用光控傳感器進行控制關閉，設置噴霧的間隔時間為1h，每次進行噴霧作業(yè)的時長為5min～10min。

6）凈化水幕與人工降塵技術。根據(jù)上述數(shù)值模擬結果可知，在3105工作面掘進頭的位置處，距離掘進頭50m范圍內巷道內部均存在著粉塵分布，故在50m范圍內設置2道全斷面凈化水幕，兩道間距控制為20m，第一道距離掘進頭5m，第二道距離掘進頭45m；根據(jù)數(shù)值模擬結果可知，巷道掘進作業(yè)時，在風筒和巷道的壁面處粉塵易積聚，故人工降塵措施實施的主要區(qū)域為對巷道頂板、兩幫、底板及風筒表面上的粉塵進行清掃，并適當掃水降低煤運輸過程中粉塵。

3.2 效果分析

為有效考察3105運輸巷掘進工作面綜合降塵技術措施的效果，特針對煤層預注水，泡沫降塵技術的降塵效果進行監(jiān)測分析，設置監(jiān)測點為回風側15m，基于監(jiān)測結果得出表5所示，綜合降塵措施實施前后效果對比見表4，通過具體分析表4可知，各項降塵措施效果顯著，掘進機割煤作業(yè)時全塵的濃度從410.62mg/m3降低至 67.8mg/m3。

表4 各項降塵措施實施效果分析

4 結 論

根據(jù)3105工作面區(qū)域煤層的具體地質條件，現(xiàn)采用數(shù)值模擬的方式對掘進工作面的粉塵運移規(guī)律進行研究分析，得出粉塵濃度的最高值在綜掘面截割的位置處，在巷道距離掘進頭約50m的范圍內，巷道的中部及回風側仍有較多的粉塵聚集，基于數(shù)值模擬結果確定掘進工作面采用煤體預注水+泡沫降塵+密閉觸控噴霧降塵+定點觸控式聯(lián)動噴霧降塵+全斷面的風流進行凈化+人工降塵和凈化水幕的綜合降塵措施，根據(jù)降塵措施的監(jiān)測結果可知，綜合降塵措施實施后，降塵效果顯著，保障了掘進工作面的安全掘進作業(yè)。