干河煤礦2-216運輸順槽掘進(jìn)工作面防塵技術(shù)研究與應(yīng)用

張 彤

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾041602）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2-216工作面井下位于+80水平一采區(qū)的右翼，北側(cè)為F14斷層，西側(cè)為2-112工作面采空區(qū)，南側(cè)為2-118C工作面采空區(qū)，東側(cè)為F23斷層。工作面開采2#煤層，煤層平均厚度3.75m，夾矸0.55m左右，煤層傾角7～11°，平均9°，煤層硬度為1.5，屬于穩(wěn)定性煤層，煤層直接頂為細(xì)粒砂巖，均厚2.45，直接頂中粒砂巖，均厚為4.8m，直接底巖層為炭質(zhì)泥巖，均厚2.9m，基本底為中粒砂巖，均厚為3.1m。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，2#煤層有爆炸性危險，煤塵爆炸指數(shù)61.2%，火焰長度120mm，加巖粉量為70%。2-216工作面運輸順槽沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度×高度=5m×4.8m，巷道掘進(jìn)時采用EBZ200掘進(jìn)機，巷道掘進(jìn)期間采用壓入式通風(fēng)方式，現(xiàn)為有效治理掘進(jìn)工作面作業(yè)時的粉塵，特進(jìn)行粉塵分布規(guī)律及防塵技術(shù)的分析研究。

2 掘進(jìn)工作面粉塵分布規(guī)律

2-216工作面運輸順槽掘進(jìn)期間產(chǎn)生的粉塵主要受到自然因素和非自然因素兩方面的影響，自然因素方面主要包括：地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存、煤巖性質(zhì)和環(huán)境溫度濕度，非自然因素主要包括：通風(fēng)情況、作業(yè)強度、截割參數(shù)和截割順序[1-3]，具體綜掘面的塵源種類、產(chǎn)塵影響因素和產(chǎn)塵機理如圖1所示。

現(xiàn)為有效分析2-216運輸順槽掘進(jìn)工作面掘進(jìn)作業(yè)時粉塵的分布規(guī)律，現(xiàn)采用FLUENT數(shù)值模擬軟件，設(shè)置掘進(jìn)工作面風(fēng)筒直徑為1m，風(fēng)速為11.2m/s，設(shè)置風(fēng)流場出口采用outflow條件，設(shè)置空氣密度為1.25kg/m3，動力粘度為1.7894×10-5kg/m·s，溫度為298K[4-5]，現(xiàn)基于上述建立的數(shù)值模擬模型，進(jìn)行2-216運輸順槽綜掘工作面作業(yè)時粉塵場的運移規(guī)律1.7

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，現(xiàn)分別給出巷道掘進(jìn)作業(yè)開始后60s后，在巷道YZ斷面上粉塵濃度的分布規(guī)律如圖2所示。

圖1 綜掘工作面產(chǎn)塵結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 巷道掘進(jìn)60s后YZ斷面上粉塵濃度分布云圖

分析圖2可知，在巷道掘進(jìn)60s后，此時巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的粉塵主要在掘進(jìn)工作面的回風(fēng)側(cè)，另外從圖中能夠看出此時高濃度粉塵主要在巷道的中部和進(jìn)風(fēng)側(cè)產(chǎn)生聚集，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因為巷道回風(fēng)側(cè)的風(fēng)速相對較快，在風(fēng)流作業(yè)下粉塵會隨著風(fēng)流被帶走，故巷道回風(fēng)側(cè)不易出現(xiàn)高濃度粉塵聚集的現(xiàn)象，致使高濃度的粉塵集中主要出現(xiàn)在巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)和巷道中部；由于巷道回風(fēng)側(cè)的粉塵會隨著風(fēng)流運動，進(jìn)而使得回風(fēng)側(cè)整體表現(xiàn)為粉塵濃度較高。從圖1中同樣能夠看出，在距離掘進(jìn)頭50m的范圍內(nèi)，巷道中部和回風(fēng)側(cè)存在著較多的粉塵，回風(fēng)側(cè)粉塵的濃度主要表現(xiàn)為隨著距掘進(jìn)工作面距離的增大，粉塵飄散的越來越高，粉塵濃度逐漸降低。

現(xiàn)為進(jìn)一步分析綜掘工作面粉塵濃度的分布規(guī)律，現(xiàn)將掘進(jìn)工作面劃分為三個區(qū)域，分別為回風(fēng)側(cè)、巷道中部和風(fēng)筒側(cè)，現(xiàn)具體分析掘進(jìn)工作面該三處區(qū)域沿程粉塵濃度的分布，具體不同區(qū)域粉塵濃度曲線如圖3所示。

通過分析圖3可知，掘進(jìn)工作面在風(fēng)流作用下會在巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)和中部4～6m的位置處出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，進(jìn)而形成高濃度的粉塵聚集點，進(jìn)風(fēng)側(cè)在該處的粉塵濃度達(dá)到690mg/m3，巷道中部該處粉塵濃度約為680mg/m3；隨著距掘進(jìn)工作面距離的增大，工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)粉塵的濃度均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，粉塵濃度在距離掘進(jìn)工面月40m的位置處，其粉塵濃度的變化逐漸降低，在距離掘進(jìn)工作面50m的位置處，粉塵濃度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 掘進(jìn)工作面沿程粉塵濃度分布曲線圖

基于上述分析可知，2-216工作面掘進(jìn)期間，掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵主要集中在距掘進(jìn)工作面50m的范圍內(nèi)，粉塵主要分布在巷道回風(fēng)側(cè)，在巷道中部和進(jìn)風(fēng)側(cè)距掘進(jìn)工作面4～6m的位置處出現(xiàn)粉塵聚集，故在進(jìn)行掘進(jìn)工作面防塵作業(yè)時，應(yīng)將防塵重點放在巷道回風(fēng)側(cè)及進(jìn)風(fēng)側(cè)和中部4～6m的位置處。

3 防塵方案與效果

3.1 防塵方案

根據(jù)2-216工作面運輸順槽掘進(jìn)工作面的具體特征，結(jié)合掘進(jìn)工作面粉塵分布規(guī)律的模擬結(jié)果，確定工作面采用在綜掘機截割頭位置采用泡沫降塵技術(shù)，在皮帶機運輸過程中采用定點觸控式風(fēng)水聯(lián)動噴霧系統(tǒng)，為實現(xiàn)全斷面的風(fēng)流的凈化采用定時光噴霧系統(tǒng)，并進(jìn)一步輔以人工灑水的方式以防止掘進(jìn)工作面出現(xiàn)二次揚塵現(xiàn)象，具體2-216工作面運輸順槽掘進(jìn)工作面防塵系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 掘進(jìn)工作面防塵系統(tǒng)示意圖

具體2-216運輸順槽掘進(jìn)工作面的降塵措施為：

1）機載泡沫降塵：由于煤層一般具有疏水特性，因此采用煤層注水的方式并不能取得較好的降塵效果，向通過機載泡沫在掘進(jìn)機源頭的位置處對高濃度的粉塵進(jìn)行捕捉沉降。

2）皮帶運輸降塵：皮帶在運煤過程中，會存在摩擦與振動現(xiàn)象，其會產(chǎn)生大量的粉塵，現(xiàn)在定點風(fēng)水聯(lián)動噴霧系統(tǒng)，設(shè)置噴霧點間距為400m一個，噴霧的控制方式為觸控式[6]，一處噴霧點安設(shè)2個噴嘴，以實現(xiàn)對皮帶運輸過程中產(chǎn)生粉塵的捕捉。

3）在轉(zhuǎn)載點防塵：轉(zhuǎn)載點位置處由于掘進(jìn)處的煤巖體會在重力作用下墜落，在該點位置處同樣采用自動觸控式噴霧系統(tǒng)進(jìn)行防塵，噴霧系統(tǒng)的控制方式等參數(shù)與皮帶機降塵參數(shù)相同。

4）全斷面降塵：采用定時定點光噴霧技術(shù)進(jìn)行巷道全斷面的降塵，噴霧的控制方式為定時互相交錯開啟，通過光控關(guān)閉，噴霧在巷道走向上以400m的間距布置，生產(chǎn)作業(yè)班每間隔1h進(jìn)行一次噴霧作業(yè)，每次噴霧作業(yè)噴霧時長為8min。

5）凈化水幕：在距掘進(jìn)工作面迎頭50m的范圍內(nèi)設(shè)置兩道全斷面凈化水幕，第一道水幕設(shè)置在距掘進(jìn)頭20m的位置處，第二道水幕布置在距掘進(jìn)頭45m的位置處，凈化水幕布置形式如圖5。

圖5 凈化水幕布置形式示意圖

6）人工降塵：基于數(shù)值模擬結(jié)果，人工降塵作業(yè)主要在距掘進(jìn)工作面50m范圍內(nèi)的回風(fēng)側(cè)和巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)和中部距掘進(jìn)工作面4～6m的位置處實施，人工灑水每間隔2h實施一次。

3.2 效果分析

為分析2-216運輸順槽防塵方案的效果，在掘進(jìn)工作面采用防塵措施前后分別進(jìn)行粉塵濃度的測試，測試主要包括全塵濃度和呼塵濃度，測試結(jié)果如表1所示。

分析表1可知，當(dāng)2-216運輸順槽掘進(jìn)工作面采用上述防塵措施后，全塵的降塵率為92.18%～94.46%，呼塵的降塵率為91.55%～92.30%，據(jù)此可知上述降塵方案降塵效果顯著。

表1 掘進(jìn)工作面采用防塵方案前后粉塵濃度數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

根據(jù)2-216運輸順槽掘進(jìn)工作面的具體特征，通過數(shù)值模擬的方式分析了掘進(jìn)面粉塵的分布規(guī)律，確定掘進(jìn)面粉塵主要出現(xiàn)在距掘進(jìn)工作面50m的范圍內(nèi)，基于數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)計以綜掘機截割頭位置采用泡沫降塵技術(shù)為主的防塵方案。根據(jù)防塵方案實施前后的粉塵濃度數(shù)據(jù)對比，得出防塵方案降塵效果顯著，優(yōu)化了掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境。