玉溪煤礦1301膠帶順槽掘進工作面降塵技術研究與應用

常晉陽

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

山西蘭花科創玉溪煤礦1301工作面位于井田南部的一盤區，為玉溪煤礦的首采工作面，工作面開采3號煤層，煤層均厚5.85 m，平均傾角為5°，3號煤層以亮煤和鏡煤為主，少量暗煤，屬光亮型煤；3號煤層具有突出危險性，煤層頂板巖層為泥巖和中粒砂巖，底板巖層為泥巖和砂質泥巖，具體頂底板巖層特征見表1，工作面采用大采高綜采工藝進行采煤作業，全部垮落法管理頂板。

表1 煤層頂底板巖層特征表

1301膠帶順槽主要為工作面提供進風、運輸、行人等服務，巷道沿煤層底板掘進，巷道斷面為矩形，掘進寬度×高度=5 700 mm×3 800 mm，巷道支護方式為錨網索支護方案，巷道采用綜掘機進行掘進作業，由于3號煤層較為松軟，故在巷道掘進期間產塵量會較大，故為優化掘進工作面的作業環境，特進行巷道降塵方案設計與分析。

2 掘進工作面粉塵分布規律

2.1 綜掘面產塵特性分析

根據眾多理論及試驗研究結論[1-2]，結合1301膠帶順槽的地質條件，得出1301綜掘工作面產塵的主要來源以下幾個方面：

1）巷道掘進期間，待掘區域在地質作用下出現了斷裂、錯位，在煤體內部的裂隙內留存了一定量的原生粉塵。

2）綜掘機在進行掘進作業時，截割煤巖體造成煤體破碎而產生的粉塵。

3）巷道掘進后，松散煤巖體掉落時產生的粉塵。

4）進行煤炭轉載和皮帶機運輸時產生的粉塵。

5）進風流中攜帶的粉塵及巷道內已沉積的粉塵由于掘進作業或巷道供風時出現的二次揚塵現象。

工作面的粉塵主要是由綜掘機截齒截割煤巖體時產生的，1301膠帶順槽掘進工作面采用EBZ200型掘進機，截割頭采用鎬形齒截割方式，鎬形齒截割具體破巖能力強、產塵量大的特點[3-5]，影響綜掘機截割作業時產塵的主要因素為：煤巖體的性質、含水量、巷道通風狀況、巷道內濕度及環境溫度、掘進作業設備的種類、截割參數、順序及方式等，具體綜掘面產塵源的種類、影響因素及產塵機理如圖1所示。

圖1 綜掘工作面產塵示意圖

2.2 粉塵分布規律

為分析1301膠帶順槽掘進工作面粉塵分布規律，現采用C F D數值模擬軟件，根據巷道的地質條件，建立數值模型進行粉塵分布規律的分析，模型中設置掘進工作面的長度為50 m，在掘進巷道內布置綜掘機、風筒、轉載機等，將綜掘機簡化為長方形，設置其長×寬×高=10 m×2.7 m×1.8 m，設置風筒為規則的圓筒，直徑為800 mm，設置粉塵的產源為截割頭外圈圓形范圍。

數值模型建立完成后，進行綜掘機割煤作業時，工作面粉塵運移規律的分析，根據數值模擬結果能夠得出，巷道在掘進作業開始后的60 s內，巷道YZ斷面內的粉塵分布規律如圖2所示。

圖2 巷道掘進開始60 s后YZ斷面粉塵分布云圖

分析圖2可知，1301膠帶順槽掘進作業開始60 s后，掘進工作面的粉塵主要集中在巷道的回風側，而高濃度粉塵點主要出現在進風側和巷道中部的底板，產生這種現象的主要原因為在局部通風機的作用下，巷道回風側在較高風速的作用下，粉塵會隨風飄揚，進而出現在巷道回風側底板粉塵不易積聚的現象；另一方面，由于回風側風流的作用大部分粉塵會隨著風流而不斷運動，這是造成回風側粉塵濃度較高的主要原因。基于數值模擬結果可知，在距掘進頭約50 m的位置處，巷道中部及回風側仍存在著較多的粉塵，且隨著與掘進頭距離的增大，回風側粉塵飄散的程度越來越高，產生這種現象的主要原因為風流和空氣浮力對低粒徑粉塵的影響。

另外根據數值模擬結果能夠得出在掘進作業開始后的60 s內，巷道X Z斷面粉塵分布云圖見圖3。

圖3 巷道掘進60 s后X Z斷面粉塵分布云圖

分析圖3可知，巷道掘進開始60 s后，巷道底板進風側距離掘進頭25 m以后的區域，存在很多高濃度的粉塵團聚集；另外由于巷道距離底板1.5 m的高度為人員呼吸帶，從圖中看出巷道回風側人員呼吸帶高度的粉塵濃度較高，距掘進頭25 m以后的區域，巷道內粉塵逐漸分散，直至滯后掘進頭50 m時，巷道回風側呼吸帶的高度處仍存在著大量粉塵，這即表明滯后掘進工作面50 m范圍的回風側應為降塵的重點區域。

綜合上述分析可知，掘進工作面粉塵主要集中在巷道回風側，在巷道進風側和巷道中部的底板存在高濃度粉塵點，滯后巷道掘進頭50 m范圍內，巷道回風側的粉塵濃度仍較高，確定在進行掘進工作面降塵技術制定時應將滯后掘進工作面50 m范圍。

3 降塵技術方案及效果

3.1 降塵技術方案

根據1301膠帶順槽掘進工作面粉塵分布規律數值模擬結果，結合巷道地質條件，確定采取的降塵措施主要有：煤層注水、綜掘機泡沫降塵、綜掘機聯動水幕和擋塵簾、定點觸控式風水聯動開關、定時光控噴霧及轉載點噴霧，具體降塵系統如圖4所示。

圖4 掘進工作面綜合降塵系統示意圖

具體各項降塵措施如下：

1）煤體預注水：根據礦井地質資料可知，3號煤體進行煤層預注水可行性測試時，測試得出煤體內原有水分W為1.85%，煤體孔隙率n為4.2%，煤體吸水率δ為2.19%，煤體堅固性系數f為0.52，結合煤層可注性辦法可知，3號煤層符合可注水條件，在進行掘進作業前，進行煤層預注水降塵作業。

2）綜掘機載泡沫降塵：主要用于對綜掘機截割煤巖體產生的高濃度粉塵進行捕捉和沉降。

3）轉載點降塵：采用密閉和噴霧相結合的方式進行降塵，密閉通過密閉罩實現，噴霧采用自動觸控式風水聯動噴霧系統[6-7]。

4）皮帶運輸降塵：皮帶運輸主要采用定點風水聯動噴霧降塵，噴霧采用觸控式噴霧，確保皮帶開始轉動時，噴霧即打開，噴霧噴嘴型號為K A304，每組噴霧個數為2個，噴霧點的間距為400 m。

5）全斷面降塵：采用定時定點光控噴霧技術進行降塵作業，在巷道內設置噴霧點的間距為400 m，噴霧通過定時互相交錯開啟及光控進行關閉，設置噴霧的時長為7 min，噴霧的時間間隔為1 h。

6）凈化水幕：基于粉塵運移規律的模擬結果，確定在距掘進頭50 m位置處設置2道可覆蓋巷道全斷面的凈化水幕，2道凈化水幕間的間距為1 m。

3.2 效果分析

為有效分析工作面降塵方案的應用效果，現在綜掘機司機處分別降塵方案實施前后全塵和呼塵濃度的測試分析，根據分析結果得出表2中的數據。

分析表2可知，1301膠帶順槽掘進工作面采用降塵方案后，在綜掘機司機處全塵和呼塵降塵率分別為84.9%和80.9%，降塵效果顯著。

表2 降塵技術實施前后粉塵濃度數據

4 結論

根據1301膠帶順槽的地質賦存條件，通過分析綜掘面產塵特性，得出掘進工作面粉塵的主要來源，通過數值模擬的方式進行工作面粉塵分布規律的分析，基于分析結果進行掘進工作面降塵技術方案的設計，確定采用煤層預注水、綜掘機載泡沫降塵、皮帶機轉載點噴霧降塵等降塵措施，根據降塵方案實施后的粉塵濃度測試可知，降塵方案實施效果顯著。