田東升

(華陽集團(tuán)礦山救護(hù)大隊(duì),山西 陽泉 045008)

1 工作面概況

金能煤礦是霍州煤電集團(tuán)的基建礦井,位于山西省忻州市靜樂縣,預(yù)計(jì)2023年9月進(jìn)入聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)。其中一采區(qū)回風(fēng)巷位于2號(hào)煤層內(nèi),煤層層理中等發(fā)育、節(jié)理發(fā)育,平均厚度9.8 m、平均傾角12°.工作面最大瓦斯絕對(duì)涌出量為0.09 m3/min,最大二氧化碳涌出量為0.51 m3/min,煤塵爆炸性等級(jí)為Ⅱ級(jí)。一采區(qū)回風(fēng)巷長(zhǎng)1 306 m,斷面為5 440 mm×4 120 mm.利用佳木斯EBZ150掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn),型號(hào)為FBDY-No7.1的2×30 kW對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)向工作面供風(fēng),供風(fēng)量為500 m3/min,壓入式柔性風(fēng)筒直徑800 mm.

2 回風(fēng)巷粉塵運(yùn)移規(guī)律

綜掘面產(chǎn)塵的主要來源是掘進(jìn)機(jī)截割頭的快速截割掘進(jìn)作業(yè)。截割頭旋轉(zhuǎn)碰撞煤壁,煤體破碎的過程中伴隨著大量粉塵產(chǎn)生[1-2]。在工作面壓入式通風(fēng)條件的影響下,粉塵隨風(fēng)流快速移動(dòng)到巷道后方,逐漸污染整條巷道。高效治理粉塵首先要明確粉塵的擴(kuò)散路徑,在其擴(kuò)散路徑上施加降塵措施,以實(shí)現(xiàn)粉塵防治[3]。根據(jù)一采區(qū)回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)條件建立了粉塵運(yùn)移數(shù)值模擬簡(jiǎn)化模型,模擬巷道長(zhǎng)50 m,巷道斷面為5.4 m×4.1 m.在巷道一側(cè)設(shè)置直徑為800 mm的壓入式風(fēng)筒,風(fēng)筒風(fēng)量為500 m3/min,在巷道迎頭處設(shè)置簡(jiǎn)化的掘進(jìn)機(jī),其長(zhǎng)×寬×高=10 m×2.7 m×1.8 m,如圖1所示。

圖1 巷道簡(jiǎn)化數(shù)值模擬模型

根據(jù)工作面掘進(jìn)工藝狀態(tài),巷道始終處于正壓通風(fēng)條件下,開始掘進(jìn)時(shí),掘進(jìn)機(jī)截割頭截割產(chǎn)生的粉塵在風(fēng)流條件下開始向巷道內(nèi)擴(kuò)散[4-5]。因此數(shù)值模擬時(shí),先對(duì)工作面供風(fēng),然后在工作面迎頭處的粉塵源釋放離散相粉塵顆粒。粉塵釋放后第10 s、第20 s、第40 s和第60 s時(shí)刻的粉塵分布情況如圖2所示。

圖2 粉塵源釋放后不同時(shí)刻下粉塵擴(kuò)散狀態(tài)

圖中跡線表示風(fēng)流軌跡,圓球代表粉塵顆粒,顆粒顏色的深淺代表濃度高低。根據(jù)圖2可以看出,掘進(jìn)工作開始后60 s內(nèi)的粉塵分布狀態(tài)。當(dāng)粉塵開始從掘進(jìn)面迎頭的塵源中釋放出來時(shí),粉塵逐漸在巷道內(nèi)擴(kuò)散,大部分粉塵在壓入式風(fēng)流的作用下朝向風(fēng)筒相對(duì)一方即回風(fēng)側(cè)流動(dòng)。循環(huán)風(fēng)流和巷道的后半段所分布的粉塵只有一小部分,根據(jù)長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)粉塵分布狀態(tài)觀測(cè)結(jié)果和模擬結(jié)果結(jié)合分析,由于不同大小粉塵顆粒受重力作用差異較大,粒徑不同的粉塵在巷道內(nèi)不同的分布特征存在較明顯的不同,巷道內(nèi)不規(guī)則的小部分粉塵積聚以直徑較小的顆粒為主,巷道底板附近出現(xiàn)較為集中的高濃度粉塵位置主要存在于距離工作面迎頭后20 m的回風(fēng)側(cè)一端,并且對(duì)粉塵濃度沿巷道走向長(zhǎng)度分布規(guī)律的分析表明,粉塵濃度最高的位置始終是掘進(jìn)機(jī)截割頭截割煤壁的位置,說明該位置處應(yīng)該是降塵措施的首要作用位置,這樣能夠從源頭上治理粉塵,第一時(shí)間阻止其向空氣中擴(kuò)散[6]。

為了更深一步分析巷道內(nèi)部粉塵濃度分布規(guī)律,獲取數(shù)值模擬中粉塵源釋放60 s時(shí)的巷道走向截面上的粉塵濃度,截面分別為x=1 m處(即巷道回風(fēng)側(cè))、x=2.5 m處(即巷道中部)和x=4 m處(此處為進(jìn)風(fēng)側(cè))3個(gè)位置。巷道內(nèi)部的粉塵濃度較高處大部分出現(xiàn)在x=1 m(即回風(fēng)側(cè)),而x=2.5 m和x=4 m處(中部和進(jìn)風(fēng)側(cè))是存在局部的高濃度粉塵積聚區(qū)域,因?yàn)楦鶕?jù)施工現(xiàn)場(chǎng)條件,回風(fēng)側(cè)的灰塵由于風(fēng)速較高而容易隨風(fēng)流運(yùn)移至較遠(yuǎn)位置,正是隨風(fēng)流運(yùn)移的特征造成巷道回風(fēng)側(cè)粉塵濃度高。因?yàn)樵诰嚯x掘進(jìn)面迎頭50 m處,巷道中部和回風(fēng)側(cè)仍有較大的粉塵堆積,較小的粉塵顆粒受重力沉降作用影響較小,更容易收到風(fēng)流和空氣阻力及浮力作用而長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空中,從而在巷道的回風(fēng)側(cè)更遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)。隨著掘進(jìn)面迎頭距離越大,回風(fēng)側(cè)粉塵消散程度也逐漸增大。

3 綜合降塵方案及應(yīng)用效果

3.1 降塵技術(shù)應(yīng)用

結(jié)合金能煤礦一采區(qū)回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)的具體工作情況并結(jié)合粉塵濃度分布的數(shù)值模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割頭截割產(chǎn)塵位置處的粉塵濃度最高,因此直接針對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭降塵的效果相對(duì)最佳。參照規(guī)定,決定不采用掘進(jìn)機(jī)自帶的內(nèi)外噴霧技術(shù)。主要是由于內(nèi)噴霧的噴嘴在截割頭上,長(zhǎng)期的截割作業(yè)造成內(nèi)噴霧噴頭經(jīng)常損壞、堵塞,嚴(yán)重降低了內(nèi)噴霧的霧化效果;外噴霧耗水量大且霧化效果不佳,噴射位置無法有效包裹截割頭周圍,仍然有較大范圍的粉塵逃逸通道,降塵效果較差[7]。

這里選用新式泡沫降塵技術(shù)進(jìn)行綜掘機(jī)截割頭粉塵高效治理。在掘進(jìn)機(jī)一運(yùn)與二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)處采用閉合式噴霧降塵裝置,在帶式輸送過程中,采用接觸控制方式控制噴霧降塵技術(shù)的開啟與關(guān)閉。對(duì)整個(gè)巷道斷面的風(fēng)流采用全斷面自動(dòng)控制噴霧簾技術(shù)進(jìn)行治理。除這幾種除塵技術(shù)以外,對(duì)粉塵堆積進(jìn)行人工定時(shí)清理,并加大定時(shí)灑水沖刷等作業(yè)力度。圖3為回風(fēng)巷綜掘工作面粉塵綜合控制方案示意。

圖3 粉塵綜合控制方案示意

1) 煤層注水技術(shù)。對(duì)工作面煤層進(jìn)行了注水可行性性能測(cè)試,發(fā)現(xiàn)該煤層煤樣的孔隙率為1.9%,原始含水率為1.87%,吸水率為2.3%,普氏系數(shù)為0.53.根據(jù)前人研究結(jié)果表明,當(dāng)煤層內(nèi)的煤樣普氏系數(shù)>0.4,吸水率>1%,含水率<4%時(shí),可以實(shí)施煤層注水。但需要指出的是,該煤層煤樣的孔隙率較小,僅為1.9%,整層注水效果可能并不夠理想。根據(jù)截割工作面作業(yè)實(shí)際以及降塵技術(shù)的投入產(chǎn)出比分析,決定在掘進(jìn)機(jī)正常截割煤層時(shí)不注水,當(dāng)截割至斷層等含夾矸較多的位置產(chǎn)塵量激增時(shí),在掘進(jìn)面迎頭采取煤層鉆孔注水技術(shù),這樣既能夠向煤層內(nèi)部注入水分使其預(yù)先潤(rùn)濕,降低內(nèi)部原有粉塵,還能夠通過打鉆孔、高壓注水等方式降低煤層的強(qiáng)度,降低細(xì)微顆粒粉塵的產(chǎn)生量。注水時(shí)水壓為8 MPa、鉆孔方向和巷道軸向平行、鉆孔垂直間距為1 m、水平間距為2 m.

2) 泡沫抑塵技術(shù)。一采區(qū)回風(fēng)巷煤層具有疏水特性,并且現(xiàn)有的噴霧降塵技術(shù)效果不佳,因此更改為泡沫降塵設(shè)施,以防治工作面上的高粉塵源并通過泡沫沉降和捕集掘進(jìn)頭產(chǎn)生的粉塵。泡沫通過固定在掘進(jìn)機(jī)截割臂上的6個(gè)弧扇形泡沫噴頭噴射,噴頭擴(kuò)散角度為60°,發(fā)泡劑為陰離子表面活性發(fā)泡劑。

3) 密封噴霧降塵技術(shù)。轉(zhuǎn)載附近煤流靠自身重力下降,在下膠帶上相互撞擊會(huì)產(chǎn)生粉塵并造成沉積粉塵飛揚(yáng),轉(zhuǎn)載點(diǎn)的降塵是通過噴霧和密封工作區(qū)域來實(shí)現(xiàn)的,通過密閉蓋實(shí)現(xiàn)降塵空間密封,噴霧系統(tǒng)通過風(fēng)、水聯(lián)動(dòng)的觸覺式自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧降塵

4) 定點(diǎn)接觸噴霧降塵技術(shù)。煤流在膠帶機(jī)上隨著膠帶高速運(yùn)移,相互之間存在較大的摩擦、振動(dòng)、碰撞等作用,因此內(nèi)部將產(chǎn)生大量粉塵,每到轉(zhuǎn)載點(diǎn)處內(nèi)部產(chǎn)生的粉塵就會(huì)被拋向空中。因此在膠帶上每隔400 m安裝觸覺噴霧裝置。

5) 凈化巷道全斷面風(fēng)流。在人員經(jīng)過全斷面噴霧簾的時(shí)候,紅外傳感和光控傳感裝置能夠感應(yīng)到人員的存在,就會(huì)立即停止噴霧作業(yè),全斷面噴霧共設(shè)置有2道,間隔為40 m.

6) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出,在綜掘面掘進(jìn)頭處一直到距離掘進(jìn)頭50 m的位置內(nèi)都存在粉塵,因此在距離掘進(jìn)面50 m的范圍內(nèi)設(shè)置兩個(gè)凈化水幕簾,第一道水幕簾固定在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上位于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)身后,第二道水幕簾位于一運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)后方。同時(shí),由于掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)產(chǎn)生的粉塵容易堆積在風(fēng)筒和巷道墻體上,因此對(duì)因掘進(jìn)作業(yè)而產(chǎn)生的積塵實(shí)施降塵措施,重點(diǎn)位置為巷道的兩幫、風(fēng)筒、膠帶機(jī)支架上。

3.2 降塵效果分析

在回風(fēng)側(cè)距離掘進(jìn)迎頭25 m處,設(shè)置了測(cè)塵點(diǎn)測(cè)定不同降塵措施下的粉塵治理效果,如表1所示。

表1 各測(cè)塵點(diǎn)粉塵濃度

除塵率按照公式(1)計(jì)算。

(1)

式中:μ為除塵率,%;c1為沒有降塵措施時(shí)的粉塵濃度,mg/m3;c2為采用綜合降塵措施后的粉塵濃度,mg/m3.

無降塵技術(shù)時(shí),回風(fēng)側(cè)距掘進(jìn)迎頭25 m處掘進(jìn)機(jī)截割產(chǎn)生的全塵和呼塵濃度分別是563.7 mg/m3和214.6 mg/m3.利用煤層注水、泡沫降塵、水幕簾降塵的綜合降塵措施以后,全塵和呼塵濃度被降低至25.3 mg/m3和11.7 mg/m3,降塵率分別是95.5%和94.5%.煤層注水技術(shù)能夠減少截割時(shí)的粉塵產(chǎn)生,實(shí)測(cè)結(jié)果表明粉塵濃度降幅可達(dá)到20%.掘進(jìn)機(jī)自帶外噴霧降塵效果僅為50%附近,效果較差。

4 結(jié) 語

對(duì)回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中的粉塵分布特征的數(shù)值模擬結(jié)果表明,回風(fēng)側(cè)粉塵濃度明顯較高,巷道中軸線附近以及進(jìn)風(fēng)側(cè)也會(huì)出現(xiàn)局部粉塵積聚情況。設(shè)計(jì)了煤層注水、泡沫降塵、全斷面水幕簾和轉(zhuǎn)載點(diǎn)封閉噴霧降塵技術(shù)。在無降塵技術(shù)時(shí),回風(fēng)側(cè)距掘進(jìn)迎頭25 m處全塵和呼塵濃度分別是563.7 mg/m3和214.6 mg/m3.利用煤層注水、泡沫降塵、水幕簾降塵的綜合降塵措施以后,全塵和呼塵濃度被降低至25.3 mg/m3和11.7 mg/m3,降塵率分別是95.5%和94.5%.煤層注水能夠降低粉塵產(chǎn)生濃度。