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(zé)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?，F(xiàn)階段正在進行C8#層802盤區(qū)20207巷的掘進工作，20207巷服務(wù)于80207工作面，作為其運煤巷，巷道內(nèi)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(shè)計長度1417m，服務(wù)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(shè)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(shù)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(nèi)影響風(fēng)流的因素有很多，如掘進機、風(fēng)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(nèi)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(fù)雜，對其形狀進行適當?shù)暮喕?；膠帶輸送機等設(shè)備對于風(fēng)流的影響較小，根據(jù)其實際尺寸進行相應(yīng)的簡化。工作面的通風(fēng)設(shè)施進行簡化。吸風(fēng)筒簡化為直徑為0.8m的圓柱體，風(fēng)筒的吸風(fēng)口設(shè)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(fēng)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(jié)果有效性驗證，將對于風(fēng)流影響較大的設(shè)備采用棱柱網(wǎng)格劃分，模型內(nèi)部填充六面體網(wǎng)格。模型參數(shù)和邊界條件：壓風(fēng)筒對應(yīng)的風(fēng)速入口總風(fēng)量為510m3，風(fēng)速為11m/s，雷諾系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，通過計算設(shè)定為695864，湍流強度為2.86%。

（2）20207綜掘工作面壓入式通風(fēng)粉塵場運移規(guī)律

掘進工作面粉塵的分布模擬結(jié)果如圖2所示，在掘進工作面內(nèi)，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(fēng)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(fēng)側(cè)粉塵濃度要比風(fēng)筒側(cè)的高，高濃度粉塵主要分布在回風(fēng)側(cè)。

圖2 掘進工作面粉塵分布模擬結(jié)果

圖3為隨著與掘進工作面距離的增加，巷道內(nèi)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(nèi)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(fēng)流在此處產(chǎn)生渦旋，形成粉塵聚集點。在掘進司機和風(fēng)筒側(cè)煤塵均出現(xiàn)明顯的增大，距離迎頭4～8m范圍內(nèi)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(nèi)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(shù)分析

根據(jù)四臺礦20207巷具體的工程地質(zhì)條件，為彌補以往掘進工作面采用壓入式除塵通風(fēng)方式的不足，設(shè)計在20207掘進工作面采用抽、壓組合式抽塵凈化除塵技術(shù)，即在掘進工作面布置兩個風(fēng)筒，一個風(fēng)筒通過壓入式風(fēng)機向工作面提供新鮮空氣，另一個風(fēng)筒將工作面粉塵通過風(fēng)流抽出。抽、壓組合式抽塵凈化除塵技術(shù)需保證壓入式風(fēng)機供風(fēng)量大于除塵風(fēng)機抽風(fēng)量，并且合理抽、壓風(fēng)筒口位置對除塵效果起關(guān)鍵性作用。合理的位置能夠在巷道內(nèi)形成一個風(fēng)流屏障，通過風(fēng)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(shè)計抽、壓組合式除塵系統(tǒng)布置方案：壓入式風(fēng)筒安裝在距離巷道左側(cè)0.5m處，圓形風(fēng)筒的軸心與巷道底板相距2.4m，出風(fēng)口與迎頭的距離為10～15m之間變化，出風(fēng)量400m3/min；濕式振動弦除塵風(fēng)機吸風(fēng)口位置距離迎頭4m，風(fēng)筒設(shè)置在綜掘機上方，與巷道底板距離2.0m，抽風(fēng)量為320m3/min。抽風(fēng)筒吸風(fēng)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(fēng)筒出風(fēng)口的位置，來改變抽、壓風(fēng)筒口的相對位置。為了合理地確定四臺礦20207工作面抽、壓風(fēng)口的合理位置，分別對壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口與掘進工作面迎頭處距離為10～15m條件下，巷道內(nèi)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(nèi)1.6m處粉塵濃度的變化情況如圖4所示。

圖4 回風(fēng)側(cè)沿程粉塵濃度對比折線圖

根據(jù)圖4所示的模擬結(jié)果可以看出，隨著與迎頭處距離的增加，巷道內(nèi)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(fēng)筒的出風(fēng)口距離迎頭13m時，巷道內(nèi)粉塵的濃度整體較低，其除塵效果明顯較好，因此設(shè)計壓風(fēng)筒進風(fēng)口與迎頭處的距離為13m。

3 20207掘進工作面綜合防塵技術(shù)的應(yīng)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(nèi)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(nèi)外聯(lián)合噴霧系統(tǒng)，可分為內(nèi)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(fēng)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(fēng)機，配套剛性骨架負壓風(fēng)筒固定于綜掘機機身上方，抽風(fēng)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(fēng)筒出風(fēng)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(shè)置一道濕式全斷面捕塵簾噴霧系統(tǒng)，皮帶輸送機各轉(zhuǎn)載點處布置防塵罩和觸控噴淋霧化設(shè)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(yīng)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(shù)的應(yīng)用效果，采用礦用CCGZ-1000型便攜式直讀式測塵儀對巷道內(nèi)的粉塵濃度進行測量，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)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(fēng)時，采煤司機附近煤塵濃度約為650mg/m3，采用抽壓組合式通風(fēng)時，采煤司機附近粉塵濃度減小為300mg/m3，與模擬結(jié)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(jié)論

大同煤礦集團有限責(zé)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(jié)合20207綜掘工作面具體的開采技術(shù)條件，應(yīng)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(fēng)時，風(fēng)流易在掘進機司機附近形成渦旋，導(dǎo)致此處粉塵濃度過高，因此設(shè)計在20207綜掘工作面采用抽、壓組合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)。通過數(shù)值模擬確定壓風(fēng)筒進風(fēng)口距離迎頭處最佳的距離為13.0m，并設(shè)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(shù)、輸送帶轉(zhuǎn)載點噴霧降塵技術(shù)。應(yīng)用后進行現(xiàn)場觀測，與原有的壓入式通風(fēng)方式相比，掘進工作面粉塵濃度降低率達到53.8%，所設(shè)計的綜合降塵技術(shù)取得了良好的應(yīng)用效果。