陳豹

（晉能控股集團(tuán) 永定莊煤業(yè)有限公司，山西 大同 037003）

永定莊煤業(yè)為高瓦斯突出礦井，以Ⅱ1084 風(fēng)巷掘進(jìn)工作面為試驗(yàn)工作面。該采區(qū)10 煤層煤塵有爆炸性，工作面為排除瓦斯供風(fēng)量大，風(fēng)量均需超過700 m3/min，通風(fēng)方式為壓入式。工作面在掘進(jìn)施工過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵污染，總粉塵濃度超過1 000 mg/m3。在突出煤層中，抽壓式混合通風(fēng)降塵效果不理想。除此之外，在注水可注性、煤塵浸潤(rùn)性等方面缺少相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究，對(duì)煤塵基本特性認(rèn)識(shí)不足，致使煤層注水效果不佳[1-2]。

1 地質(zhì)概況

Ⅱ1084 風(fēng)巷橫截面呈斜梯形狀，凈寬度和凈高度分別為4 600 mm 和3 000 mm。煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單，其傾斜角度為10°。在煤層直接頂和老頂中，多分布中粒砂巖和泥巖，在直接底和老底中，多分布粉砂巖和泥巖。將一排尺寸為φ17.8 mm×6 300 mm 的錨索加裝在兩排錨桿之間，作用是補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，各錨索之間的排距統(tǒng)一設(shè)定為2 400 mm×1 600 mm。

2 粉塵運(yùn)移沉降規(guī)律

2.1 模型建立

Ⅱ1084 風(fēng)巷斷面呈直墻斜梯形，設(shè)計(jì)計(jì)算域?yàn)?0 m?，F(xiàn)場(chǎng)采用壓入式局部通風(fēng)機(jī)，建模時(shí)設(shè)定風(fēng)筒出風(fēng)口與迎頭距離為5 m，風(fēng)筒直徑為800 mm，懸掛高度為2.2 m。根據(jù)巷道及巷道內(nèi)設(shè)備實(shí)際尺寸，建立幾何模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模擬幾何模型Fig.1 Numerical simulation geometric model

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用歐拉- 拉格朗日法[3]模擬永定莊煤業(yè)Ⅱ1084 風(fēng)巷掘進(jìn)工作面在生產(chǎn)過程中的粉塵沉降運(yùn)移規(guī)律，為確保數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將求解器的迭代步數(shù)設(shè)置為450 步。通過計(jì)算，各殘差曲線均小于10-3。

當(dāng)風(fēng)流被局部通風(fēng)機(jī)壓入進(jìn)風(fēng)筒后，風(fēng)流最終從風(fēng)筒末端向掘進(jìn)工作面射出，由于風(fēng)筒緊貼巷道壁面，因此風(fēng)流從風(fēng)筒流出后，在有限空間內(nèi)形成附著射流，垂直于射流運(yùn)動(dòng)方向的截面隨射程的增大而增大。最終，大部分風(fēng)流流向回風(fēng)流一側(cè)，并沿著掘進(jìn)機(jī)和巷道壁面流入后風(fēng)流，而一小部分風(fēng)流在工作面和后部風(fēng)流的推壓作用下流向巷道頂板，該部分風(fēng)流大多沿巷道頂部移動(dòng)到工作面后部，并穿過掘進(jìn)機(jī)機(jī)身匯入后部風(fēng)流。當(dāng)射流區(qū)的風(fēng)流在工作面阻擋作用下流向回流區(qū)時(shí)，由于射流區(qū)卷吸作用，會(huì)在射流區(qū)和回流區(qū)之間、位于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身前部形成明顯渦流，這樣，整個(gè)掘進(jìn)工作面將形成三個(gè)流場(chǎng)區(qū)域，即射流區(qū)、渦流區(qū)、回流區(qū)。

當(dāng)風(fēng)流受掘進(jìn)工作面阻擋后產(chǎn)生反向回流，回流到綜掘機(jī)處時(shí)，一部分風(fēng)流在綜掘機(jī)阻擋作用下，沿綜掘機(jī)與回流區(qū)巷道壁面的空隙和巷道頂板繼續(xù)進(jìn)行回流運(yùn)動(dòng)；另一部分風(fēng)流會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向，沿綜掘機(jī)機(jī)身前部向射流區(qū)運(yùn)動(dòng)，該部分風(fēng)流會(huì)在綜掘機(jī)機(jī)身和掘進(jìn)面之間形成較大的渦流區(qū)。從綜掘機(jī)機(jī)身左右兩側(cè)和機(jī)身上部流出的風(fēng)流，由于穿過綜掘機(jī)機(jī)身的繞流運(yùn)動(dòng)，會(huì)在機(jī)身后方4 m內(nèi)形成一個(gè)較小的渦流區(qū)。

在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身至工作面渦流區(qū)內(nèi)，距離掘進(jìn)工作面1.5 m 處，選取平行于掘進(jìn)面的平面，得到分別距離底板0.8、1、1.2、1.5 和1.8 m 的速度分布規(guī)律，如圖2 所示?？梢钥闯?，渦流區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)速度較為復(fù)雜，在不同高度范圍內(nèi)，流場(chǎng)速度均是隨高度的增加而不斷增加，同一高度內(nèi)流場(chǎng)速度是兩邊大、中間小，即在進(jìn)風(fēng)側(cè)巷道的近壁面處流場(chǎng)速度達(dá)到最大值，隨后沿巷道寬度流場(chǎng)速度逐漸降低，在降低到最低速度后又逐漸升高，在回風(fēng)側(cè)巷道的近壁面處達(dá)到另一高值。隨著巷道內(nèi)風(fēng)流不斷流動(dòng)，流場(chǎng)速度會(huì)逐漸趨于平穩(wěn)，在距掘進(jìn)工作面30 m 時(shí)，風(fēng)速逐漸達(dá)到穩(wěn)定值0.97 m/s。

圖2 距工作面1.5 m 巷道斷面上不同高度的速度分布Fig.2 Velocity distribution at different heights on the section of 1.5 m roadway from the working face

從模擬結(jié)果可以看出，Ⅱ1084 風(fēng)巷內(nèi)粉塵濃度在綜掘面處較大，風(fēng)筒出口距迎頭距離小于5 m，在距離掘進(jìn)工作面3 m 范圍內(nèi)形成渦流區(qū)，造成粉塵集聚，粉塵沉降與擴(kuò)散效果較差，粉塵濃度達(dá)1 000 mg/m3以上。

3 工作面防塵降塵技術(shù)

3.1 “三壓帶”分段注水技術(shù)

3.1.1 系統(tǒng)組成

掘進(jìn)面巷道開挖后，隨著掘進(jìn)面不斷向前推進(jìn)，在煤體前方形成卸壓帶、集中應(yīng)力帶、原始應(yīng)力帶的“三壓帶”。分段式注水系統(tǒng)采用可回收式FKSS-50/12 型兩段式注水封孔器進(jìn)行封孔注水，封孔器額定壓力設(shè)定為12 MPa[4]。它屬于兩級(jí)逐級(jí)封孔注水的封孔器，一方面能夠增加煤體注水區(qū)域的水分含量，另一方面又可以減少工作中產(chǎn)生的粉塵量。

該試驗(yàn)系統(tǒng)組成部分有高壓泵站、分段注水的封孔器、掘進(jìn)機(jī)噴灑降塵裝置、壓力表、流量表、高壓管線等，分別設(shè)定高壓泵站水箱容積、額定流量、額定壓力的參數(shù)為1 m3、80 L/min、25 MPa。

3.1.2 分段注水試驗(yàn)參數(shù)（1） 試驗(yàn)孔布置。

永定莊煤業(yè)Ⅱ1084 風(fēng)巷的工作面呈斜梯狀，凈寬度和凈高度分別為4.6 m 和3 m，凈橫截面積為13.8 m2，煤層的傾角是10°，在進(jìn)行注水實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，采用φ42 mm 的鉆頭在工作面的正中央打一個(gè)鉆孔，深度為6 m，每鉆進(jìn)1 m 取一次鉆屑進(jìn)行密封存放，其中鉆屑量不低于100 g。

（2） 注水壓力、注水時(shí)間和注水量。

在煤層注水試驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)定注水壓力分別為6、8、10、12 MPa，同時(shí)記錄觀察注水壓力的變換和煤壁是否出水情況。首先進(jìn)行第一段注水，通過觀察注水壓力以及煤壁出水情況，當(dāng)煤壁出現(xiàn)掛汗或注水壓力明顯下降時(shí)，停止第一段注水，或在注水量不再增加時(shí)，切換到第二段注水，當(dāng)煤壁再次出水或注水壓力明顯下降時(shí)，停止第二段注水，或者在注水量不再增加時(shí)，結(jié)束第二段注水。注水壓力、注水時(shí)間和注水量測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 注水壓力、注水時(shí)間和注水量測(cè)試結(jié)果Table 1 Water injection pressure,water injection time and water injection test results table

從注水試驗(yàn)中可以看出，在壓力設(shè)定為10 MPa 時(shí)，效果最為理想。

（3） 水分增量的考察。

在分別距離注水試驗(yàn)孔0.5 m、1.0 m、1.5 m的位置處進(jìn)行試驗(yàn)，深度設(shè)定為6 m，工作面每鉆進(jìn)1 m 取一次鉆屑進(jìn)行密封存放，其中鉆屑量不低于100 g。按照GBT/211-2007 《煤中全水分的測(cè)定方法》的要求，對(duì)鉆屑煤樣品進(jìn)行檢測(cè)和分析，并與原來的煤樣含水量進(jìn)行比較，得出水分增量測(cè)試分析計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 水分增量測(cè)試分析計(jì)算結(jié)果Table 2 Moisture increment test analysis and calculation results

表3 Ⅱ1084 風(fēng)巷掘進(jìn)工作面煤層高壓噴霧降塵效果測(cè)試結(jié)果Table 3 II1084 test results of high pressure spray dust reduction effect of coal seam in heading face of ventilation roadway

結(jié)果表明，距離注水試驗(yàn)孔1.5 m 的區(qū)域內(nèi)，煤的平均含水量增長(zhǎng)大于1.5%，因此確定注水的有效濕潤(rùn)半徑為1.5 m。

（4） 分段注水工藝參數(shù)的確定

基于試驗(yàn)結(jié)果，分別設(shè)定注水壓力10 MPa、鉆孔深度6 m、鉆頭直徑42 mm。以注水有效濕潤(rùn)半徑為1.5 m 為依據(jù)，將2 個(gè)注水鉆孔布置在工作面迎頭處以確保濕潤(rùn)效果覆蓋整個(gè)斷面，如圖3所示。

圖3 注水孔布置Fig.3 Water injection hole layout

3.2 高壓外噴霧技術(shù)

試驗(yàn)中，以G 形高壓霧化噴頭為主要工具，壓力為8 ～10 MPa、噴霧霧粒直徑為75 ～56μm、直徑為0.8 mm。安裝10 個(gè)噴頭，其中6 個(gè)分布在頂端，2 個(gè)分布在兩端。頂端的噴嘴間隔為100 mm，在兩端噴霧中，上部1 個(gè)噴嘴與頂部間隔100 mm，下部2 個(gè)噴嘴間隔150 mm。當(dāng)噴霧壓力為8 MPa 時(shí)，總耗水量為32 L/min，對(duì)煤層及頂?shù)谆緹o影響。高壓外噴霧降塵系統(tǒng)主要包括高壓噴霧泵站、高壓精密水質(zhì)濾清器、高壓管線以及高壓噴霧降塵器等部分，同時(shí)，將泵站固定安裝于掘進(jìn)巷道硐室中，由高壓管線將高壓水送至掘進(jìn)機(jī)高壓噴霧降塵設(shè)備和煤層注水口封閉裝置中。

4 效果分析

4.1 分段注水降塵效果分析

測(cè)試除塵效果時(shí)，測(cè)試點(diǎn)位于距離工作面15 m 的回風(fēng)口。測(cè)塵方法采用濾膜質(zhì)量法，采樣流量設(shè)定為20 L/min，從而計(jì)算出空氣中總粉塵的濃度和降塵效率。

通過測(cè)試可以看出，分段注水前，回風(fēng)側(cè)距工作面15 m 處的總粉塵量為467.5 mg/m3，分段注水后的總粉塵量降低至179.1 mg/m3，總粉塵量有所下降，總粉塵降塵效率可達(dá)到61.8%。同時(shí)，注水前的呼吸性粉塵含量為37.6 mg/m3，注水后的呼吸性粉塵含量為13.7 mg/m3，降塵效率可達(dá)67%，呼吸性粉塵降塵效率為63.4%。數(shù)據(jù)說明通過煤層注水可以降低粉塵濃度，基本達(dá)到了良好的注水效果和降塵效果。

4.2 高壓噴霧降塵效果分析

采用掘進(jìn)機(jī)的高壓噴霧降塵方法，在煤層注水前及注水后，分別對(duì)回風(fēng)測(cè)15 m 范圍內(nèi)的粉塵進(jìn)行了濃度測(cè)定。測(cè)塵時(shí)流量設(shè)定在20 L/min，采用的是濾膜質(zhì)量法，在采樣完成后，利用公式分別計(jì)算出空氣中總粉塵的濃度和降塵效率。

由測(cè)試結(jié)果可知，在僅采用噴霧降塵措施的情況下，工作面回風(fēng)側(cè)15 m 處的總粉塵和呼吸性粉塵濃度分別為126.6 mg/m3和14.2 mg/m3，總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率分別為72.8%和62.4%。將煤層分段注水和高壓噴霧綜合應(yīng)用于工作面后，工作面回風(fēng)側(cè)15 m 處的總粉塵和呼吸性粉塵濃度分別降低到43.2mg/m3和8.2mg/m3，總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率分別提高到了90.7%和77.9%。

5 結(jié) 論

（1） 基于歐拉- 拉格朗日法建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)Ⅱ1084 風(fēng)巷掘進(jìn)工作面的實(shí)際情況，得出Ⅱ1084 風(fēng)巷內(nèi)粉塵濃度在綜掘面處較大，風(fēng)筒出口距迎頭距離小于5 m，在距離掘進(jìn)工作面3 m 范圍內(nèi)形成渦流區(qū)，造成粉塵集聚，粉塵沉降與擴(kuò)散效果較差，粉塵濃度達(dá)1 000 mg/m3以上。

（2） 實(shí)際應(yīng)用中，將煤層分段注水和高壓噴霧綜合應(yīng)用于工作面后，工作面回風(fēng)側(cè)15 m 處的總粉塵和呼吸性粉塵濃度分別降低到43.2 mg/m3和8.2 mg/m3，總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率分別提高到了90.7%和77.9%。