張 靜

（同煤集團四臺礦，山西 大同 037003）

1 工程概況

大同煤礦集團有限責任公司四臺礦80207工作面正處于準備階段，80207工作面所采8#煤層總體呈一背斜，煤層厚度4.26～7.35m，平均厚度5.74m。現(xiàn)階段正在進行C8#層802盤區(qū)20207巷的掘進工作，20207巷服務于80207工作面，作為其運煤巷，巷道內煤層傾角最大20°，最小0°，平均3.2°。20207巷沿C8#煤層頂板掘進，當煤層厚度不夠3.0m時，必須沿頂起底掘進；煤層厚度超過3.0m時，沿煤層頂板掘進見底。20207巷設計長度1417m，服務年限8個月。20207巷井下布置于C8#802盤區(qū)西翼，北面為已密閉的80201工作面，20207巷從盤區(qū)軌道大巷開口，北面為20201巷，巷道斷面形狀為矩形，斷面尺寸為：寬×高=5500×3000mm，掘進斷面面積為16.5m2。四臺礦C8#層802盤區(qū)以往的巷道掘進過程中，采用簡易的粉塵治理措施，由于其設計和布置的盲目性，掘進工作面出現(xiàn)嚴重的粉塵濃度超標現(xiàn)象，不僅影響綜掘工作面的工作效率，同時嚴重威脅著井下的安全生產(chǎn)和工作人員的身體健康。因此，以四臺礦20207巷的施工為背景，探索一套成熟的綜合降塵技術方案。

圖1 80207工作面巷道布置示意圖

2 綜掘工作面粉塵運移的數(shù)值模擬

（1）建立幾何模型

為詳細了解四臺礦20207巷道掘進時掘進工作面粉塵運移和分布規(guī)律，采用Fluent軟件進行模擬[1]。綜掘工作面內影響風流的因素有很多，如掘進機、風筒、頂?shù)装逯Ъ艿?，如果對每個細節(jié)進行模擬難度非常大，因此必須對數(shù)值模型進行適當?shù)暮喕痆2]。掘進工作面模擬分析的長度為50m，將巷道內的電纜槽、水管等管線簡化為規(guī)則的半圓柱體；綜掘機形狀過于復雜，對其形狀進行適當?shù)暮喕荒z帶輸送機等設備對于風流的影響較小，根據(jù)其實際尺寸進行相應的簡化。工作面的通風設施進行簡化。吸風筒簡化為直徑為0.8m的圓柱體，風筒的吸風口設置在距離迎頭4m處，布置在掘進機正上方，距離巷道底板2.5m；壓入式風筒直徑為1.0m，將其懸掛在巷道右上角，距離巷道底板2.2m。數(shù)值模型網(wǎng)格的劃分非常重要，經(jīng)過網(wǎng)格獨立性檢驗和輸出結果有效性驗證，將對于風流影響較大的設備采用棱柱網(wǎng)格劃分，模型內部填充六面體網(wǎng)格。模型參數(shù)和邊界條件：壓風筒對應的風速入口總風量為510m3，風速為11m/s，雷諾系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，通過計算設定為695864，湍流強度為2.86%。

（2）20207綜掘工作面壓入式通風粉塵場運移規(guī)律

掘進工作面粉塵的分布模擬結果如圖2所示，在掘進工作面內，隨著與巷道底板距離的增大，粉塵的濃度逐漸降低。粒徑相對較大的粉塵，由于重力作用和風速的逐漸減小逐漸下沉，隨著與工作面距離的增大，其濃度明顯的降低，而粒徑相對較小的粉塵彌漫整個巷道。根據(jù)其豎直方向上的分布規(guī)律可以看出，距離巷道底板越近，粉塵的濃度越高。由水平方向上的分布規(guī)律可知，回風側粉塵濃度要比風筒側的高，高濃度粉塵主要分布在回風側。

圖2 掘進工作面粉塵分布模擬結果

圖3為隨著與掘進工作面距離的增加，巷道內距離底板1.6m處煤塵濃度的變化趨勢。由圖可以看出，隨著與迎頭距離的增大，巷道內煤塵的濃度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，但是在距離迎頭3m附近出現(xiàn)一個反彎點，風流在此處產(chǎn)生渦旋，形成粉塵聚集點。在掘進司機和風筒側煤塵均出現(xiàn)明顯的增大，距離迎頭4～8m范圍內粉塵濃度最大可達715mg/m3，這將會對現(xiàn)場的施工作業(yè)人員的安全和健康造成極大的危害。

圖3 掘進工作面內1.6m標高處粉塵濃度沿程變化規(guī)律

（3）綜掘工作面除塵技術分析

根據(jù)四臺礦20207巷具體的工程地質條件，為彌補以往掘進工作面采用壓入式除塵通風方式的不足，設計在20207掘進工作面采用抽、壓組合式抽塵凈化除塵技術，即在掘進工作面布置兩個風筒，一個風筒通過壓入式風機向工作面提供新鮮空氣，另一個風筒將工作面粉塵通過風流抽出。抽、壓組合式抽塵凈化除塵技術需保證壓入式風機供風量大于除塵風機抽風量，并且合理抽、壓風筒口位置對除塵效果起關鍵性作用。合理的位置能夠在巷道內形成一個風流屏障，通過風流屏障阻止粉塵向工作人員作業(yè)區(qū)擴散，并且能夠獲得較好的吸塵效果[3]。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，四臺礦20207掘進工作面掘進斷面寬×高=5.5×3.0m，初步設計抽、壓組合式除塵系統(tǒng)布置方案：壓入式風筒安裝在距離巷道左側0.5m處，圓形風筒的軸心與巷道底板相距2.4m，出風口與迎頭的距離為10～15m之間變化，出風量400m3/min；濕式振動弦除塵風機吸風口位置距離迎頭4m，風筒設置在綜掘機上方，與巷道底板距離2.0m，抽風量為320m3/min。抽風筒吸風口會固定在綜掘機機身位置處，距迎頭距離始終不變，因此只能夠通過改變壓風筒出風口的位置，來改變抽、壓風筒口的相對位置。為了合理地確定四臺礦20207工作面抽、壓風口的合理位置，分別對壓入式風筒出風口與掘進工作面迎頭處距離為10～15m條件下，巷道內粉塵濃度的分布情況進行模擬。由于篇幅所限，詳細的建模過程已省略，不同條件下隨著與迎頭處距離的增大，巷道內1.6m處粉塵濃度的變化情況如圖4所示。

圖4 回風側沿程粉塵濃度對比折線圖

根據(jù)圖4所示的模擬結果可以看出，隨著與迎頭處距離的增加，巷道內粉塵的濃度均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。當距離增加到40m左右時，粉塵的濃度基本處于穩(wěn)定，當壓風筒的出風口距離迎頭13m時，巷道內粉塵的濃度整體較低，其除塵效果明顯較好，因此設計壓風筒進風口與迎頭處的距離為13m。

3 20207掘進工作面綜合防塵技術的應用及效果

（1）四臺礦20207掘進工作面綜合防塵系統(tǒng)

掘進工作面巷道內粉塵的濃度可以通過產(chǎn)塵源治理、粉塵運移過程治理和粉塵傳播終端治理等方法進行控制[4]。四臺礦20207綜掘工作面對產(chǎn)塵源的治理方式為掘進機高壓內外聯(lián)合噴霧系統(tǒng)，可分為內噴霧和輔助外噴霧系統(tǒng)。安裝孔徑為1.2mm的螺旋牙水芯（空心錐形）噴嘴，截割期間噴霧壓力保持在4.5～6MPa。截割腰線以下煤巖體時，外噴霧安裝角度剛好能針對落塵區(qū)，截割腰線以上煤巖體，外噴霧安裝角度針對揚塵區(qū)。粉塵運移過程治理的措施為采用抽、壓組合式通風除塵系統(tǒng)。當掘進機在迎頭處進行煤巖體的截割作業(yè)時，啟動除塵風機，配套剛性骨架負壓風筒固定于綜掘機機身上方，抽風口距離迎頭處一直保持在4.0m左右。根據(jù)以上模擬分析及現(xiàn)場實際情況，壓風筒出風口距迎頭面保持在13.0m左右時，取得良好的除塵效果。綜掘機截割煤巖時，除掘進機司機和照明工人外，其余工作人員全部撤離至距離掘進工作面40m以外，在距離迎頭40m和100m處分別設置一道濕式全斷面捕塵簾噴霧系統(tǒng)，皮帶輸送機各轉載點處布置防塵罩和觸控噴淋霧化設施降塵。粉塵傳播終端治理主要通過為現(xiàn)場的施工人員配備個人防護用具，未佩戴防護用具的人員嚴禁進行施工作業(yè)。

（2）應用效果監(jiān)測

為考察四臺礦20207綜掘工作面采用抽、壓組合式抽塵凈化除塵技術的應用效果，采用礦用CCGZ-1000型便攜式直讀式測塵儀對巷道內的粉塵濃度進行測量，結合數(shù)值模擬結果整理后得到圖5所示的折線圖。由圖可知，采用壓入式通風時，采煤司機附近煤塵濃度約為650mg/m3，采用抽壓組合式通風時，采煤司機附近粉塵濃度減小為300mg/m3，與模擬結果非常接近，降塵效果非常明顯。

圖5 抽壓組合式降塵效果實測

4 結論

大同煤礦集團有限責任公司四臺礦巷道綜掘過程中面臨著粉塵嚴重超標的問題，為降低掘進工作面煤塵，結合20207綜掘工作面具體的開采技術條件，應用Fluent模擬軟件對掘進工作面粉塵的運移規(guī)律和濃度進行研究分析。采用壓入式通風時，風流易在掘進機司機附近形成渦旋，導致此處粉塵濃度過高，因此設計在20207綜掘工作面采用抽、壓組合式通風除塵系統(tǒng)。通過數(shù)值模擬確定壓風筒進風口距離迎頭處最佳的距離為13.0m，并設計采用掘進機高壓外噴霧系統(tǒng)、濕式全斷面捕塵簾捕塵技術、輸送帶轉載點噴霧降塵技術。應用后進行現(xiàn)場觀測，與原有的壓入式通風方式相比，掘進工作面粉塵濃度降低率達到53.8%，所設計的綜合降塵技術取得了良好的應用效果。