靳李斌

（潞安化工集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武036706）

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)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(xì)粒砂巖，底板巖層為泥巖和細(xì)粒砂巖。22116回風(fēng)順槽沿2號煤層底板掘進(jìn)，巷道采用EBZ260型綜掘機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，巷道掘進(jìn)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(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境，特進(jìn)行掘進(jìn)工作面降塵方案的研究與應(yīng)用。

2 粉塵運(yùn)移規(guī)律分析

為掌握22116回風(fēng)順槽掘進(jìn)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(jìn)行掘進(jìn)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(jìn)面的高度為3.6 m，寬度為4.3 m，模型建立時，將進(jìn)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(jìn)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(shí)踐進(jìn)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(jìn)工作面掘進(jìn)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(yàn)研究和工程實(shí)踐結(jié)果[1-3]，為分析巷道前端風(fēng)流，選取距掘進(jìn)頭5、12、20 m位置處風(fēng)速矢量圖進(jìn)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(jìn)頭5 m位置處高速風(fēng)流主要聚集在綜掘機(jī)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(jìn)機(jī)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(jìn)風(fēng)一側(cè)，在與進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)流匯合時，形成了小型渦流場；在滯后掘進(jìn)頭12 m的位置處，巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)的部分風(fēng)流開始逐漸向回風(fēng)側(cè)擴(kuò)散，在綜掘機(jī)正后方的位置處由于受到掘進(jìn)機(jī)的影響導(dǎo)致其風(fēng)速相對較?。辉诰嗑蜻M(jìn)頭20 m的位置處，巷道回風(fēng)側(cè)的風(fēng)速略大于進(jìn)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(jìn)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(kuò)散規(guī)律，掘進(jìn)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(kuò)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(jìn)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(jìn)行分析，不同位置粉塵分布見圖3。

圖3 掘進(jìn)工作面不同位置粉塵分布云圖

分析圖3可知，巷道掘進(jìn)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(yùn)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(jìn)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(jìn)機(jī)上方粉塵濃度較高，且粉塵濃度主要在司機(jī)位置處匯合，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)樵撎帪闇u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(diǎn)區(qū)域?yàn)闇缶蜻M(jìn)工作面20 m的范圍，且巷道回風(fēng)側(cè)的粉塵濃度大于進(jìn)風(fēng)側(cè)，需重點(diǎn)進(jìn)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(jìn)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(jī)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(shí)踐結(jié)果[4-6]，采用上述數(shù)值模擬模型進(jìn)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(jī)司機(jī)處的粉塵濃度沿程分布情況進(jìn)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(jī)司機(jī)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(yáng)現(xiàn)象，這是由于巷道通風(fēng)風(fēng)量大導(dǎo)致的，在綜掘機(jī)及司機(jī)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(jìn)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(jī)噴霧降塵：在綜掘機(jī)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(jìn)機(jī)噴霧采用的水使用添加活性劑的磁化水，磁化水具有較強(qiáng)的粉塵捕捉能力，增強(qiáng)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(jìn)行巷道降塵時，需將防塵水幕安裝在滯后掘進(jìn)頭20 m以內(nèi)的位置處，結(jié)合回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面的具體情況，確定水幕安裝在距掘進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)施效果，在回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處分別對降塵方案實(shí)施前后的全塵和呼塵濃度進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表2。

表2 防塵實(shí)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(jìn)工作面降塵方案實(shí)施后，綜掘機(jī)司機(jī)處全塵降塵率達(dá)83.7%，呼塵降塵率達(dá)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(shí)施后滯后掘進(jìn)頭20 m范圍區(qū)域全塵和呼塵的降塵率均達(dá)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(jìn)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(diǎn)區(qū)域?yàn)闇缶蜻M(jìn)工作面20 m的范圍，設(shè)計(jì)掘進(jìn)工作面采用優(yōu)化通風(fēng)+綜掘機(jī)噴霧+水幕的降塵方案，根據(jù)降塵方案實(shí)施后的效果分析可知，降塵效果顯著。