宏大煤礦綜掘工作面綜合防塵技術研究與應用

周 勇 呂樹林

（1.山西煤炭進出口集團左權宏遠煤業有限公司，山西 晉中 032600；2.臨汾宏大礦業有限公司，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

霍州煤電臨汾宏大公司宏大煤礦10-205 工作面為10-201 工作面的接替工作面，位于井田二采區西北部，東為實煤區，西鄰井田邊界三角實煤區，南為二采區西軌道大巷，北部鄰近井田邊界保護煤柱。綜采工作面平均可采走向長度665 m，可采傾向長度193 m，所采9+10#煤層位于太原組下段。根據10-205 工作面兩順槽揭露，煤層厚3.8～4.6 m，平均4.2 m，9+10#煤層瓦斯絕對涌出量2.99 m3/min，為低瓦斯礦井。10-205 工作面采用“U”形通風方式，回采系統由進風巷、回風巷、開切眼組成，回采巷道采用綜掘機進行施工，單巷掘進，采用混合式通風方式。為有效降低綜掘工作面粉塵濃度，以10-205 進風巷掘進施工為背景進行相關研究與應用。

2 建立數值模型

宏大煤礦9+10#煤層采掘巷道掘進時采用單巷掘進，掘進機型號EBZ260，采用長壓短抽通風方式，掘進頭主要設備有橋式輸送機、帶式轉運機、壓風筒、抽風筒。為改善除塵效果，參照國內類似地質條件下掘進工作面降塵技術[1-2]，設計增加濕式除塵器、附壁風筒設備，采用Solidworks 建立相關的幾何模型。以10-205 進風巷掘進工作面為背景，掘進巷道簡化為寬、高均為5 m 的半圓拱形斷面，長度30 m；掘進機機身簡化為寬、高均為3 m、長為12 m 的簡易模型；截割頭簡化為直徑1.0 m、長1.1 m 的圓臺。附壁風筒距迎頭25 m，徑向出風條隙寬為50 mm，長度為壓風筒周長的六分之一，間距為100 mm，朝向掘進巷道內側。濕式除塵器、帶式轉運機等設備也一一進行簡化。得到掘進工作面幾何模型如圖1（a）所示。導入ANSYS ICEM 進行網格劃分，最終得到圖1（b）所示網格模型。

圖1 掘進工作面模型示意圖

3 長壓短抽式通風除塵系統數值模型

3.1 外噴霧壓力優化研究

結合宏大煤礦以往掘進工作面工程實踐，確定以下初始參數：壓風筒直徑1.0 m，出風口距巷道底板3.0 m，距巷幫0.7 m，距迎頭15 m，出風量為550 m3/min；抽風筒直徑1.0 m，距離巷道底板2.5 m，距離巷幫1.0 m，距迎頭5.0 m，抽風量400 m3/min；外噴霧系統安裝在距截割面2.3 m 的噴霧架上，共4 個噴嘴，以截割頭懸臂軸為軸心均勻分布，外噴霧壓力為3 MPa。網格模型劃分完成后，使用Fluent 軟件完成氣體進出口的設定，在CFDPOST 軟件中導入截割面產生的粉塵顆粒數據，最終得到掘進工作面風流場-粉塵場-霧滴場分布特征。掘進機外噴霧系統對抑制塵源的產塵量具有關鍵作用，外噴霧系統的噴霧壓力對降塵效果影響最為顯著，因此對不同噴霧壓力條件下掘進工作面粉塵運移規律進行模擬分析，選取噴霧壓力分別為3 MPa、5 MPa、8 MPa、10 MPa。掘進司機處粉塵濃度是重要研究對象，因此以掘進司機處粉塵濃度作為考量降塵效果的依據。該測點距迎頭9 m，距巷道底板1.6 m，距掘進機一側煤壁0.5 m，經過處理后得到不同噴霧壓力條件下60 s 內掘進司機處粉塵濃度瞬態變化曲線如圖2。

圖2 不同噴霧壓力條件下司機處粉塵濃度

由圖2 可以看出，粉塵整體的運移規律相似，開始15 s 后粉塵彌散至測塵點，粉塵濃度達到峰值，之后粉塵濃度呈波動下降趨勢。對比分析4 種噴霧壓力下司機處粉塵濃度變化規律，噴霧壓力為3 MPa 時，雖然司機處粉塵濃度峰值較小，但是其下降非常緩慢，60 s 時粉塵濃度僅下降38%，表明此時噴霧壓力較小，捕捉粉塵的能力不足，降塵效果較差；噴霧壓力為5 MPa 時，司機處粉塵濃度峰值較小，且約在50 s 之后粉塵濃度基本降至零，降塵效果良好；當噴霧壓力為8 MPa、10 MPa 時，司機處粉塵的離散相濃度維持在較高值，表明此時噴霧速度過高，與截割面碰撞后部分霧滴將攜帶粉塵運移至巷道后方，不利于捕塵、降塵。總體而言，當外噴霧壓力為5 MPa 時會取得良好的抑塵效果。

3.2 長壓短抽式除塵系統參數研究

為探究長壓短抽除塵系統相關參數對除塵效果的影響，采用上述模型進行研究。首先進行壓風筒出風口位置的優化分析，抽風口與迎頭距離Lx=5 m，壓風筒出風口與迎頭距離Ly分別為10 m、12 m、15 m、17 m、19 m、21 m，掘進機外噴霧系統壓力為5 MPa，模擬研究得到司機處粉塵濃度隨時間變化規律如圖3。

由圖3 可以看出，不同壓風距離條件下，司機處粉塵濃度總體變化規律相似，45～55 s 期間第一次最高峰值，之后每間隔一段時間出現一次峰值，呈波動起伏下降趨勢，主要差異為第一次達到峰值的時間、峰值的大小、后續峰值的頻率。司機處整體粉塵濃度隨Ly的增大呈升高-降低-升高。總體而言，壓風筒出風口距迎頭19 m 時，司機處粉塵濃度最高峰值較小，之后粉塵濃度降低明顯，總體濃度最低，表明此時能起到較好的抑塵效果。采用上述方式對抽風筒位置進行優化分析，得到抽風口距迎頭最佳距離為5.0 m。

圖3 不同壓風長度條件下司機處粉塵濃度

3.3 附壁式風筒參數優化研究

附壁風筒位置對掘進工作面除塵效果同樣存在顯著影響[3-4]。當壓風筒距迎頭19 m，抽風筒距迎頭5 m，外噴霧壓力5 MPa，僅改變附壁風筒的位置參數Lz，附壁風筒中部距迎頭為23～28 m，每1.0 m 為一個梯度，同樣整理得到掘進機司機處粉塵濃度的瞬態曲線。通過數據確定，當附壁風筒距迎頭25 m 時，抑塵效果最佳。

4 現場應用效果分析

4.1 抽出式除塵機應用效果分析

宏大煤礦10-205 進風巷掘進期間采用掘進機內外噴霧+長壓短抽+附壁風筒聯合除塵技術，抽風筒配備HCN400/1 型號濕式除塵器，相關參數參照上文研究成果，采用GCD1000 型粉塵濃度傳感器測量粉塵濃度。首先通過對比分析抽風機+除塵機關閉前后工作面粉塵濃度，驗證長壓短抽除塵系統的效果。測點布置在巷道回風側綜掘機后0 m、15 m、30 m 處，其中除塵效率為抽風機開啟前后測點位置粉塵的差值百分比，整理得到結果如圖4。

圖4 抽出式除塵機開啟前后粉塵濃度對比

由圖4 可以看出，抽風機開啟前，掘進機后0～30 m 粉塵濃度為155～415.1 mg/m3，整體粉塵濃度較高，遠高于《煤礦安全規程》中的粉塵濃度規定。除塵器開啟后，三個測點的除塵效率均大于90%。

4.2 全塵及呼塵測量對比結果分析

為進一步探查降塵效果，監測抽風筒吸風口、司機、綜掘機轉載處、除塵機出風口后20 m 及距迎頭50 m 風流處全塵和呼吸性粉塵的濃度，計算各處的降塵效率，整理得到結果如圖5。可以看出，掘進工作面粉塵中呼吸性粉塵的占比較高，除塵機吸風口處全塵除塵率達到98.41%，呼塵除塵率達到97.12%，說明吸風口可有效捕捉粉塵，長壓短抽通風系統設計合理。掘進司機及其余各測點全塵及呼吸性粉塵降塵率均在90%以上，司機處、綜掘機轉載處、除塵機出風口后20 m 及巷道風流中粉塵濃度均維持在較低水平，除塵效果良好。

圖5 全塵與呼塵濃度對比圖

5 結論與建議

宏大煤礦掘進工作面采用內外噴霧+長壓短抽+附壁風筒聯合降塵技術，以10-205 進風巷掘進為背景，通過數值模擬研究分析對其參數進行優化，得到外噴霧系統最佳水壓為5 MPa，壓風筒距截割面最佳距離為19 m，除塵機吸風口距截割面最佳距離為5 m，附壁風筒距截割面最佳距離為25 m。10-205 進風巷掘進期間現場實測結果表明，掘進工作面各處除塵效率均保持在90%以上，作業區域全塵和呼塵濃度整體保持在較低水平，除塵效果顯著。