張晨雨

（晉能控股裝備制造集團趙莊二號井，山西 晉城 048000）

1 工程概況

晉能控股裝備制造集團某礦10-4308 工作面位于東四采區(qū)左翼皮帶巷左側(cè)，10#煤層為當前的主要開采區(qū)域，厚度主要集中在1.95～2.78 m 之間，平均值為2.62 m。10-430B1 巷道掘進的主要目的是為便于工作面的煤礦輸送，行人通過，其開采方向與10#煤層底板掘進的方向相同，掘進斷面為矩形。利用錨網(wǎng)式錨桿進行巷道的支撐。在掘進巷道口采取了壓入法進行通風。通過對10#煤體的分析，發(fā)現(xiàn)10#煤體是一種可開采的、結構比較復雜的、煤粉是易發(fā)生爆炸的煤層。本文就煤巷掘進過程中的粉塵輸送規(guī)律和防治措施進行了初步的討論。

2 粉塵運移規(guī)律

2.1 數(shù)值模擬分析

為了更好的了解10—430B1 井巷施工過程中煤層的運動特性，以煤層的地質(zhì)條件為基礎，利用Fluent 數(shù)值仿真程序?qū)γ簩舆M行了分析。為了簡化仿真模型，本文對一些條件進行簡化處理，例如假設流體不可壓縮，流場為穩(wěn)定流場，在此基礎上，建立了長×寬×高為100 m×50 m×30 m 的數(shù)值模型，其中對風道進行了仿真，將壓力風管的風量設定為11.2 m/s，風管的口徑為1 m，在壓力風管出口處使用Outflow工況。根據(jù)數(shù)值計算的數(shù)據(jù)，繪制了XZ 剖面在距地面不同間距（Y=0.5、1.5、3.5 m）的剖面粉塵分布情況和工作面與煤層之間的不同間距（X=0.5 m、2.7 m、4.5 m）YZ 斷面上的粉塵分布情況，如圖1 所示。

圖1 粉塵濃度分布云圖

從圖1 的結果可以看出，10—430B1 隧道在開挖過程中，沿水平面的風速隨與基巖間距的增加而降低，大氣中顆粒較大的塵埃由于自身的自重和風力的作用而逐步堆積，隨著隧道的開挖，其密度將會逐步降低。因為細小的塵埃很難沉淀，所以在氣流的推動下，灰塵會在空氣中自由的傳播，從而導致細小的灰塵在巷子里飄蕩[1]。此外，從圖表可以看到，在巷道風管一側(cè)，煤層的濃度高于回風一側(cè)，而巷道內(nèi)的高濃度粉塵則以回風側(cè)為主。

此外，對采集到的資料進行了分析，得到了采場回風側(cè)、司機區(qū)、風筒側(cè)的煙塵遷移情況，變化規(guī)律如圖2 所示。

圖2 距離底板1.6 m 沿程粉塵濃度分布曲線

從圖2 的解析可以看出，在采煤工作面采用壓入法的情況下，在采煤工作面4～6 m 的地方，也就是采煤的司機部位，在那里形成一個煙塵集中的地方，煙塵質(zhì)量濃度高達680 mg/m3，而且煙塵的密度很大，會嚴重地危害工人的身體和安全；而隨著掘進頭的長度增加，采場回風側(cè)及風筒一側(cè)的粉塵濃度均呈逐步下降的趨勢，在落后工作面40 m 處，粉塵濃度趨于穩(wěn)定。此時，當距離掘進工作面的距離進一步增加的情況下，煤塵的濃度沒有明顯的變化。

2.2 現(xiàn)場實測分析

為了更好地了解10-430B1 煤巷施工過程中煤層的運動情況，在巷道施工過程中，利用CCGZ5748-85 直讀式可移動灰塵測試儀對煙塵進行了檢測，在煤機的風筒側(cè)、采煤機的司機區(qū)、采煤機的風筒側(cè)、采煤機駕駛員、回風側(cè)各測了三次，根據(jù)實測數(shù)據(jù)可以得到回風側(cè)的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，不同位置實測濃度和模擬濃度的對比，如圖3 所示。

圖3 回風側(cè)現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬粉塵濃度分布

通過對圖3 的解析，可以看出，在與掘進機正面5～10 m 處的回風端，實際測量的粉塵密度比數(shù)值計算得到的要高，原因在于，在計算中沒有將煤壁、掘進機身、水分等因素考慮在內(nèi)，導致模型的精確度較差。在采煤工作面20～25 m 的回風區(qū)，因計算時要兼顧二次轉(zhuǎn)載時的灰塵，但是在仿真模型中沒有考慮該因素，故實際測量的粉塵比仿真結果高；在采煤工作面25～50 m 的回風區(qū)，通過數(shù)值計算得到的回風區(qū)的粉塵濃度與實測值相吻合。

從圖3 的分析可以看出，在距掘進口5～10 m 處，在回風面上的實測粉塵濃度比數(shù)值計算得到的要高，這是因為數(shù)值模型沒有考慮到煤壁、掘進機身、濕氣等因素對煤層的吸附作用；在采煤工作面20～25 m 的回風區(qū)，由于計算時考慮了二次翻轉(zhuǎn)時的飛揚，故實際的粉塵濃度比模擬結果高；在采煤工作面25～50 m的回風區(qū)，通過數(shù)值計算得到的回風區(qū)的粉塵濃度與實測值相吻合。

根據(jù)以上的研究結果，雖然計算和實際測量數(shù)據(jù)有一些差別，但是通過兩種方法得到的煤塵濃度沿程隨時間的改變趨勢是一致的[2]。從分析結果可以看出，采煤工作面的高塵土分布在回風邊區(qū)，而位于采煤工作面4～6 m，也就是在司機工作范圍內(nèi)有著較高的粉塵濃度，當煤層高度達到40 m 以后，煤層的含塵量就控制在一定的區(qū)間之內(nèi)。

3 防塵技術

3.1 防塵方案

為了對10—43081 井巷施工進行有效的控制，根據(jù)煤層運動特性，采取了一套分級控制技術，也就是一系列的除塵措施。主要內(nèi)容有治理產(chǎn)塵源、治理粉塵運移、治理粉塵個人保護等，其治理措施有如下：

1）掘進機高壓噴霧系統(tǒng)優(yōu)化。綜上所述，由于在進行挖掘時，由于其工作模式為挖掘式，所以其內(nèi)部噴射壓力很小，造成了在其截割處的內(nèi)噴射口經(jīng)常發(fā)生阻塞。但由于噴嘴的水流量大，水壓不穩(wěn)定，噴嘴孔徑不均勻等特點，因此也容易發(fā)生噴嘴的阻塞。為了保證綜采工作面上的施工，使綜采工作面上的噴淋裝置得到最大程度的利用，并對其進行了改造，如圖4所示。該系統(tǒng)包括內(nèi)部噴射系統(tǒng)和外部輔助噴射系統(tǒng)，該噴頭使用直徑1.2 mm 的螺旋齒形噴頭，在噴射系統(tǒng)工作時將噴射壓力設定在4～6 MPa；同時，在鉆機上安裝了過濾器，用于過濾井下的水源，避免了由于水中的雜質(zhì)而造成的水口堵塞；在最優(yōu)條件下，在截斷到腰部以上的時候，外部噴灑的作用是控制楊塵的，而在截斷到腰部以下的時候，外部噴灑的角度正好可以覆蓋到落塵的范圍，從而達到對產(chǎn)生塵源的控制。

圖4 外噴霧系統(tǒng)原理

2）濕式全斷面捕塵簾。在綜采工作面上，在工作面40 m 的落后工作面上安裝一塊濕式型全剖面捕塵網(wǎng)，從而有效地捕獲了巷道中的細小懸浮物，此部位的粉塵收集是通過噴灑裝置來完成的。此外，在落后鉆探100～200 m 的地方，各設有一塊防塵帷幕，這兩個部位的灰塵收集裝置采用了紅外線傳感器，當灰塵的密度達到或超過閾值時，可以利用紅外線感測來控制灰塵的升降和噴灑裝置的打開和關閉。

3）皮帶輸送機轉(zhuǎn)載點降塵。在礦井輸送過程中，輸送的煤塵占了整個工作面的5%～10%。造成這一地區(qū)粉塵的主要原因是由于輸送帶式輸送機在輸送轉(zhuǎn)運點有一定的落差，當煤塊在空中拋物線的時候，由于空氣的阻力，細小的顆粒會在空氣中形成灰塵，而在風流的沖擊下，小顆粒會被吹起。因此，根據(jù)這一特點，在輸送帶的各個轉(zhuǎn)運點上設置了防塵罩和觸摸式噴霧裝置來控制粉塵的排放。

4）粉塵個體防護。以上各項防塵處理完成后，煤層中仍然會出現(xiàn)一些可吸入的塵埃。為了確保操作工人的人身安全，操作工人必須穿戴防塵帽和防塵口罩，嚴格執(zhí)行防護措施。因此，所采取的多重防塵措施的排列形式，如圖5 所示。

圖5 多級防塵方案布置

3.2 效果分析

為了檢驗10—43081 井巷掘進工作面采取多級防塵措施，對其進行了除塵處理，采取了分級防塵措施，并對其在煤層5、20 m 范圍內(nèi)進行了現(xiàn)場的粉塵含量測定，測試結果如表1 所示。

表1 多級防塵技術實施前后降塵效果

通過對表1 的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)在掘進工作面20 m 以內(nèi)，多階段除塵技術應用于掘進工作面后，煤層的含塵量為120 mg/m3，多層除塵技術降低了80%塵土，使煤層的運行條件得到了明顯的提高。

4 結語

根據(jù)10-43081 煤層的實際情況，采用數(shù)值仿真和現(xiàn)場測量方法，對煤層煤層運動的影響進行了研究，得到了粉塵濃度較高的區(qū)域集中在回風邊區(qū)。而在采煤工作面4～6 m 的范圍內(nèi)，也就是采煤的采煤司機所在的區(qū)域，是粉塵濃度較大的地區(qū)。根據(jù)煤層的運動特性，提出了在掘進過程中應采取的多層次控制技術，對多層除塵工藝實施前后的粉塵密度進行了比較，結果表明：多層除塵技術具有明顯的降塵作用。