综掘工作面粉尘运移规律与防尘技术初探

张 强

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

1 工程概况

山西焦煤集团辛置煤矿10-430B工作面位于东四采区左翼皮带巷左侧，西部为10-428A工作面(已圈定)，南部紧邻东四左翼轨道巷，北部为10-430B2巷，工作面主要开采10#煤层，煤层厚度为1.95～2.78 m，平均厚度2.62 m，平均倾角为2°。10-430B1巷是为满足10-430B回采工作面的出煤、进风、行人而设计的。10-430B1巷沿10#煤层底板掘进，掘进断面为矩形，掘进净宽×净高=4.0 m×2.6 m。巷道支护采用锚网锚索支护。掘进作业时巷道的通风采用压入式通风。根据地质资料可知，10#煤层稳定可采，结构复杂，煤尘具有爆炸性。

为优化综掘工作面的作业环境，本文拟对掘进工作面粉尘运移规律及防尘技术进行初步探讨。

2 粉尘运移规律

2.1 数值模拟分析

为掌握10-430B1巷掘进作业时，掘进工作面区域粉尘的运移规律，根据巷道的地质条件，采用Fluent数值模拟软件进行建模。模型中将风流视为不可压缩的理想流体，将流场视为恒温稳态流场[1-2]，建立数值模型长×宽×高=100 m×50 m×30 m的模型，模型中模拟采用风速入口，设置压入风筒的风速为11.2 m/s，风筒直径为1 m，在压入风筒流出端采用Outflow条件。基于数值模拟结果，对距离底板不同距离处（Y=0.5 m、1.5 m、3.5 m）处XZ截面粉尘分布情况、掘进工作面距离煤岩壁不同距离时（X=0.5 m、2.7 m、4.5 m）YZ截面的粉尘分布情况进行出图分析，具体粉尘分布云图见图1。

对图1分析可知，在10-430B1巷道掘进期间，在巷道高度方向上，随着距底板距离的增大，风速在逐渐减小，空气中的大颗粒粉尘在自身重力及风阻力的影响下逐渐的沉积，在巷道掘进沿程方向上，粉尘浓度会逐渐减小。由于微小颗粒的粉尘其自身较难沉降，进而使得粉尘在风流的作用下不断的自由扩散，进而致使微小颗粒的粉尘会在整个巷道内漂浮。另外从图中能够看出在掘进工作面风筒侧的粉尘浓度要比回风侧的粉尘浓度高，掘进工作面的高浓度粉尘区域主要集中在回风侧区域。

图1 粉尘浓度分布云图

另外，通过数据整理，分别绘制出掘进工作面回风侧、司机处和风筒侧的粉尘运移规律分别见图2。

图2 距离底板1.6 m沿程粉尘浓度分布曲线

对图2分析可知，在掘进工作面压入式的通风方式下，风流在距离掘进工作面4～6 m的位置处，即综掘机司机位置产生涡旋，进而在该区域形成粉尘聚集点，该区域的粉尘浓度能够达到680 mg/m3，粉尘浓度相对较大，对作业人员的健康和安全产生有较大的影响；而随着掘进工作面掘进头距离的增大，在工作面回风侧和风筒侧的粉尘浓度呈现出逐渐降低的趋势，且粉尘浓度在滞后掘进工作面约40 m的位置1处基本达到稳定； 此时再随着距离掘进工作面距离的增大，粉尘浓度变化不大。

2.2 现场实测分析

为进一步准确掌握10-430B1巷掘进期间巷道内部的粉尘运移规律，特在巷道掘进期间，采用CCGZ5748-85型直读便携式测尘仪进行粉尘浓度的测定[3-4]，测点布置在巷道距离底板1.6 m风筒侧、采煤机司机处和回风侧，每个测点进行三次粉尘浓度测量作业，基于实测结果，能够得出回风侧现场实测与数值模拟粉尘浓度分布曲线见图3。

图3 回风侧现场实测与数值模拟粉尘浓度分布

对图3分析可知，在距离掘进迎头5～10 m的回风侧区域，现场实测粉尘浓度大于数值模拟得出的粉尘浓度，这是由于数值模型中未考虑煤岩壁、掘进机身、水分等能够对粉尘进行一定的捕捉和粘附；在距离掘进工作面20～25 m回风侧的范围内，由于数值模拟时为考虑二次转载时产生的扬尘，所以导致实测粉尘浓度大于模拟得出的粉尘浓度；在距离掘进工作面25～50 m回风侧的范围内，此时数值模拟得出的回风侧粉尘浓度与测试结果基本一致。

基于上述分析可知，尽管数值模拟结果与实测结果之间存在着一定的差异，但两种测试结果所得出掘进工作面粉尘浓度沿程变化规律基本一致；据此可知，掘进工作面高粉尘区域主要集中在回风侧区域，且在距离掘进工作面4～6 m处，即综掘机司机的位置区域粉尘浓度较高，距离掘进工作面40 m后，此时巷道内粉尘浓度处于合理范围内。

3 防尘技术

3.1 防尘方案

为有效治理10-430B1巷掘进工作面的粉尘，结合掘进工作面粉尘运移规律，确定采用多级防尘技术，即系列的除尘措施，主要包括产尘源治理、粉尘运移过程治理，以及粉尘个体防护，具体治理方案如下：

（1）掘进机高压喷雾系统优化。综掘机在进行掘进作业时，其工作方式采用的是掏挖式，其内部喷雾压力较低，导致综掘机在截割部位上的内喷头常出现堵塞的情况。而综掘机的外喷雾存在着水流量大、水压不稳、喷嘴孔径不等特征，同样易于出现堵塞现象[5-6]。现为保障综掘机在掘进作业时能够充分的发挥喷雾系统作用，对综掘机喷雾系统进行改进，改进后的喷雾系统形式见图4。优化后的喷雾系统由内喷雾系统和辅助外喷雾系统组成，喷嘴采用孔径为1.2 mm螺旋牙水芯，喷雾系统运行时设置喷雾压力为4～6 MPa；同时在掘进机上设置过滤装置对井下水源进行过滤，以防止水中的杂质对喷嘴产生堵塞；优化后的综掘机当其截割至腰部以上区域时，此时外喷雾主要针对扬尘区进行治理，当截割至腰部以下的位置时，此时外喷雾的安装角度刚好能够覆盖落尘区域，以此实现产尘源的粉尘治理。

图4 外喷雾系统原理

（2）湿式全断面捕尘帘。在综掘机截割煤岩时，在滞后掘进头40 m的位置处设置一道湿式全断面捕尘帘，进而实现对巷道内部悬浮微小颗粒的捕捉。该位置处的捕尘帘采用喷雾系统实现。另外在滞后掘进头100 m和200 m的位置处分别设置一道捕尘帘； 该两处位置处的捕尘帘通过红外传感技术，分别在粉尘浓度达标和超限时，通过红外感应实现捕尘帘的上下卷动和喷雾系统的开启与关闭。

（3）皮带输送机转载点降尘。井下皮带运输时所产生的粉尘占到整个工作面粉尘总量的5%～10%。该区域产生粉尘的主要原因为皮带输送机在运输转载点上存在运输落差，在煤岩块体作抛物线运动时，在空气阻力的作用下细小颗粒会形成尘化气流，另外在风流等的冲击作用下中小颗粒会产生粉尘飞扬现象，故基于此在皮带输送机各转载点的位置处布置防尘罩和触控喷淋雾化设施进行降尘作业。

（4）粉尘个体防护。在上述所有防尘措施实施完毕后，仍会存在部分呼吸性粉尘悬浮与巷道内。为保障作业者的安全，要求作业人员佩戴防尘口罩，做好个人防护。

综上所述，本次采用的多次防尘方案布置方式见图5。

图5 多级防尘方案布置

3.2 效果分析

为验证分析10-430B1巷掘进工作面采用多级防尘技术后的降尘效果，分别在综掘工作面采用多级防尘前后，在距离迎头5 m和20 m的位置处进行粉尘浓度测试，根据测试结果得出的数据见表1。

表1 多级防尘技术实施前后降尘效果

对表1中的数据分析可知，在掘进工作面采用多级降尘技术后，在距离掘进工作面20 m范围内，粉尘浓度均在120 mg/m3以下，多级防尘技术的降尘效率在80%以上，降尘效果显著，明显改善了掘进工作面的作业环境。

4 结语

依据10-430B1巷的工程条件，通过数值模拟与现场实测相结合的方式对综掘工作面粉尘运移规律进行分析，得出掘进工作面高粉尘区域主要集中在回风侧区域； 且在距离掘进工作面4～6 m处，即综掘机司机所处位置区域粉尘浓度较高。基于粉尘运移规律，确定掘进工作面采用多级防尘技术；通过对采用多级防尘技术实施前后的粉尘浓度对比分析可知，多级防尘技术降尘效果显著。