潞寧煤礦22116回風(fēng)順槽掘進工作面降塵技術(shù)研究與應(yīng)用

靳李斌

（潞安化工集團潞寧煤業(yè)有限責任公司，山西 寧武036706）

1 工程概況

山西潞安集團潞寧煤業(yè)公司22116工作面位于井田二二區(qū)采區(qū)中下部，上部為二二采區(qū)22114采空區(qū)，煤柱12 m，下部為二二采區(qū)22118回采工作面，煤柱10 m，西南為2號煤層采區(qū)三條下山，東北部為我礦二二采區(qū)三條下山。工作面開采侏2號煤層，煤層厚度1.0～5.0 m，平均厚度為3.5 m，平均傾角4.5°，煤層頂板巖層粉砂巖、泥巖和細粒砂巖，底板巖層為泥巖和細粒砂巖。22116回風(fēng)順槽沿2號煤層底板掘進，巷道采用EBZ260型綜掘機進行掘進作業(yè)，巷道掘進寬度×高度=4.3 m×3.6 m，由于2號煤塵具有爆炸性，現(xiàn)為優(yōu)化掘進工作面的作業(yè)環(huán)境，特進行掘進工作面降塵方案的研究與應(yīng)用。

2 粉塵運移規(guī)律分析

為掌握22116回風(fēng)順槽掘進工作面的粉塵分布規(guī)律，現(xiàn)采用F luent數(shù)值模擬軟件進行掘進工作面粉塵分布規(guī)律的分析，基于22116回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型長度為50 m，掘進面的高度為3.6 m，寬度為4.3 m，模型建立時，將進風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)的距離設(shè)置為X軸，其最大值為4.3 m，模型底板至頂板設(shè)置為Y軸，最大值為3.6 m，模型中設(shè)置風(fēng)筒半徑為0.5 m，距離掘進頭5 m，巷道采用壓入式通風(fēng)，設(shè)置風(fēng)量為380 m3/min，入口風(fēng)速為8 m/s，采用R ealizablek-ε湍流模型，具體其余參數(shù)依據(jù)工程實踐進行賦值建立，綜掘工作面幾何模型見圖1。

圖1 綜掘工作面數(shù)值模型圖

1）風(fēng)速分布規(guī)律：根據(jù)掘進工作面掘進作業(yè)的數(shù)值模擬結(jié)果，可得出巷道不同斷面處風(fēng)速分布情況，現(xiàn)為掌握風(fēng)速變化情況，結(jié)合眾多試驗研究和工程實踐結(jié)果[1-3]，為分析巷道前端風(fēng)流，選取距掘進頭5、12、20 m位置處風(fēng)速矢量圖進行分析，具體不同斷面處風(fēng)速矢量圖如圖2所示。

圖2 巷道不同斷面風(fēng)速矢量圖

分析圖2可知，在距掘進頭5 m位置處高速風(fēng)流主要聚集在綜掘機兩側(cè)底部的位置處，回風(fēng)側(cè)風(fēng)流存在著部分向上流動的趨勢，這是由于風(fēng)速從風(fēng)筒中流出后風(fēng)速較大，且由于巷道側(cè)壁及掘進機前端的阻擋作用產(chǎn)生的，回風(fēng)側(cè)的風(fēng)流收到巷道頂板的影響而最終流向進風(fēng)一側(cè)，在與進風(fēng)側(cè)風(fēng)流匯合時，形成了小型渦流場；在滯后掘進頭12 m的位置處，巷道進風(fēng)側(cè)的部分風(fēng)流開始逐漸向回風(fēng)側(cè)擴散，在綜掘機正后方的位置處由于受到掘進機的影響導(dǎo)致其風(fēng)速相對較小；在距掘進頭20 m的位置處，巷道回風(fēng)側(cè)的風(fēng)速略大于進風(fēng)側(cè)，巷道內(nèi)風(fēng)速基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，據(jù)此確定在滯后掘進工作面20 m的位置時，風(fēng)流整體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

2）粉塵分布規(guī)律：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可得出在不同時間下巷道內(nèi)粉塵擴散規(guī)律，掘進作業(yè)開始后，在風(fēng)流作用下粉塵會在巷道內(nèi)隨著風(fēng)流逐漸擴散，現(xiàn)為全面分析巷道不同位置處粉塵濃度分布情況，分別對巷道進風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)、中間位置和呼吸帶位置粉塵濃度分布進行分析，不同位置粉塵分布見圖3。

圖3 掘進工作面不同位置粉塵分布云圖

分析圖3可知，巷道掘進作業(yè)開始后，在工作面前端頂部位置和回風(fēng)側(cè)的底部存在著高濃度區(qū)域；巷道回風(fēng)側(cè)由于風(fēng)流中攜帶著大量的粉塵向回風(fēng)側(cè)移動，導(dǎo)致該區(qū)域的粉塵濃度較高，在巷道回風(fēng)側(cè)及其中間位置高濃度粉塵主要出現(xiàn)在巷道的前端，但隨著風(fēng)流往后的逐漸運動，粉塵會不斷沉降，粉塵濃度會不斷降低；另外從圖中可看出巷道回風(fēng)側(cè)的粉塵濃度明顯高于進風(fēng)側(cè)，且巷道內(nèi)的粉塵主要由回風(fēng)側(cè)向巷道后方排出；通過對巷道呼吸帶位置粉塵濃度的分析可知，掘進機上方粉塵濃度較高，且粉塵濃度主要在司機位置處匯合，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因為該處為渦流區(qū)域，導(dǎo)致粉塵在該區(qū)域積聚；另外從圖中能看出，巷道不同位置處滯后工作面20 m處，其粉塵濃度均較低，粉塵分布處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合上述分析可知，粉塵防治的重點區(qū)域為滯后掘進工作面20 m的范圍，且巷道回風(fēng)側(cè)的粉塵濃度大于進風(fēng)側(cè)，需重點進行巷道回風(fēng)側(cè)的粉塵治理。

3 降塵方案及效果

3.1 掘進工作面降塵方案

根據(jù)綜掘工作面粉塵分布規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合22116回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，確定巷道采用優(yōu)化通風(fēng)+綜掘機噴霧+水幕除塵的降塵方案，具體降塵措施及參數(shù)如下：

1）優(yōu)化通風(fēng)除塵：工作面最常用的通風(fēng)方式為通風(fēng)除塵，合理的風(fēng)量及通風(fēng)方式可有效降低工作面粉塵濃度，基于《煤礦安全規(guī)程》中的規(guī)定可知，煤巷中的風(fēng)速不得小于0.25 m/s，現(xiàn)結(jié)合眾多研究結(jié)論和工程實踐結(jié)果[4-6]，采用上述數(shù)值模擬模型進行巷道壓風(fēng)量為280、470、570 m3/min 3種壓風(fēng)量的對比優(yōu)選，具體不同模擬方案下的參數(shù)條件見表1。

表1 不同壓風(fēng)量條件參數(shù)表

根據(jù)模擬分析結(jié)果能夠得出不同壓風(fēng)量下巷道內(nèi)分粉塵分布，現(xiàn)選取巷道回風(fēng)處和綜掘機司機處的粉塵濃度沿程分布情況進行分析，基于模擬結(jié)果可繪制出不同方案下粉塵濃度沿程分布圖見圖4。

分析圖4可知，隨著壓風(fēng)量的不斷增大，巷道回風(fēng)側(cè)呼吸帶高度處的粉塵濃度在不斷降低，從圖中能夠看出，巷道回風(fēng)側(cè)在采用方案3時巷道回風(fēng)側(cè)的粉塵濃度最低，而方案2與方案3之間的粉塵濃度基本接近；綜掘機司機處在采用方案3的通風(fēng)方案時，巷道前端出現(xiàn)粉塵上揚現(xiàn)象，這是由于巷道通風(fēng)風(fēng)量大導(dǎo)致的，在綜掘機及司機處采用方案2時的粉塵濃度小于采用方案3。綜合上述分析，確定22116回風(fēng)順槽掘進作業(yè)時通風(fēng)量為470 m3/min，以此減小巷道內(nèi)的粉塵濃度。

圖4 粉塵濃度沿程分布曲線圖

2）綜掘機噴霧降塵：在綜掘機截割頭上布置2組噴嘴，每組內(nèi)布置5個噴嘴，噴霧壓力為10～15 MPa，噴霧水流量為30～50 L/min，噴嘴的孔徑為1.5 mm，霧化粒徑為30～150μm，噴霧器的噴霧角為60°，掘進機噴霧采用的水使用添加活性劑的磁化水，磁化水具有較強的粉塵捕捉能力，增強溶液的潤濕性，本次使用的磁化水，其活性添加劑的用量為0.03%，具體活性磁化水制備流程如圖5所示。

圖5 磁化水制備流程示意圖

3）水幕降塵：基于上述綜掘面粉塵分布的數(shù)值模擬結(jié)果可知，在進行巷道降塵時，需將防塵水幕安裝在滯后掘進頭20 m以內(nèi)的位置處，結(jié)合回風(fēng)順槽掘進工作面的具體情況，確定水幕安裝在距掘進頭15 m的位置處，水霧噴嘴采用孔徑為1.5 mm的噴嘴，其能實現(xiàn)的霧化效果較好，噴霧壓力為5 MPa。

22116回風(fēng)順槽采用的自動噴霧防塵水幕系統(tǒng)主要包括高壓泵站、隔爆開關(guān)、控制中心、傳感器和噴霧裝置，本次防塵水幕在巷道斷面內(nèi)布置7個噴頭，噴頭可實現(xiàn)在豎直方向上成30°角旋轉(zhuǎn)，具體防塵水幕系統(tǒng)如圖6。

圖6 自動防塵水幕系統(tǒng)示意圖

3.2 效果分析

為有效分析巷道降塵方案的實施效果，在回風(fēng)順槽掘進期間，在掘進機司機處分別對降塵方案實施前后的全塵和呼塵濃度進行測試，測試結(jié)果見表2。

表2 防塵實施前后粉塵含量測試數(shù)據(jù)表

分析表2可知，22116回風(fēng)順槽掘進工作面降塵方案實施后，綜掘機司機處全塵降塵率達83.7%，呼塵降塵率達80%，另外根據(jù)巷道其余區(qū)域的粉塵測試結(jié)果可知，防塵方案實施后滯后掘進頭20 m范圍區(qū)域全塵和呼塵的降塵率均達到80%以上，降塵效果顯著。

4 結(jié)論

根據(jù)22116回風(fēng)順槽地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬分別進行綜掘工作面風(fēng)速分布規(guī)律和粉塵分布規(guī)律的模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果確定粉塵防治的重點區(qū)域為滯后掘進工作面20 m的范圍，設(shè)計掘進工作面采用優(yōu)化通風(fēng)+綜掘機噴霧+水幕的降塵方案，根據(jù)降塵方案實施后的效果分析可知，降塵效果顯著。