玉溪煤矿1301胶带顺槽掘进工作面降尘技术研究与应用

常晋阳

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048200）

1 工程概况

山西兰花科创玉溪煤矿1301工作面位于井田南部的一盘区，为玉溪煤矿的首采工作面，工作面开采3号煤层，煤层均厚5.85 m，平均倾角为5°，3号煤层以亮煤和镜煤为主，少量暗煤，属光亮型煤；3号煤层具有突出危险性，煤层顶板岩层为泥岩和中粒砂岩，底板岩层为泥岩和砂质泥岩，具体顶底板岩层特征见表1，工作面采用大采高综采工艺进行采煤作业，全部垮落法管理顶板。

表1 煤层顶底板岩层特征表

1301胶带顺槽主要为工作面提供进风、运输、行人等服务，巷道沿煤层底板掘进，巷道断面为矩形，掘进宽度×高度=5 700 mm×3 800 mm，巷道支护方式为锚网索支护方案，巷道采用综掘机进行掘进作业，由于3号煤层较为松软，故在巷道掘进期间产尘量会较大，故为优化掘进工作面的作业环境，特进行巷道降尘方案设计与分析。

2 掘进工作面粉尘分布规律

2.1 综掘面产尘特性分析

根据众多理论及试验研究结论[1-2]，结合1301胶带顺槽的地质条件，得出1301综掘工作面产尘的主要来源以下几个方面：

1）巷道掘进期间，待掘区域在地质作用下出现了断裂、错位，在煤体内部的裂隙内留存了一定量的原生粉尘。

2）综掘机在进行掘进作业时，截割煤岩体造成煤体破碎而产生的粉尘。

3）巷道掘进后，松散煤岩体掉落时产生的粉尘。

4）进行煤炭转载和皮带机运输时产生的粉尘。

5）进风流中携带的粉尘及巷道内已沉积的粉尘由于掘进作业或巷道供风时出现的二次扬尘现象。

工作面的粉尘主要是由综掘机截齿截割煤岩体时产生的，1301胶带顺槽掘进工作面采用EBZ200型掘进机，截割头采用镐形齿截割方式，镐形齿截割具体破岩能力强、产尘量大的特点[3-5]，影响综掘机截割作业时产尘的主要因素为：煤岩体的性质、含水量、巷道通风状况、巷道内湿度及环境温度、掘进作业设备的种类、截割参数、顺序及方式等，具体综掘面产尘源的种类、影响因素及产尘机理如图1所示。

图1 综掘工作面产尘示意图

2.2 粉尘分布规律

为分析1301胶带顺槽掘进工作面粉尘分布规律，现采用C F D数值模拟软件，根据巷道的地质条件，建立数值模型进行粉尘分布规律的分析，模型中设置掘进工作面的长度为50 m，在掘进巷道内布置综掘机、风筒、转载机等，将综掘机简化为长方形，设置其长×宽×高=10 m×2.7 m×1.8 m，设置风筒为规则的圆筒，直径为800 mm，设置粉尘的产源为截割头外圈圆形范围。

数值模型建立完成后，进行综掘机割煤作业时，工作面粉尘运移规律的分析，根据数值模拟结果能够得出，巷道在掘进作业开始后的60 s内，巷道YZ断面内的粉尘分布规律如图2所示。

图2 巷道掘进开始60 s后YZ断面粉尘分布云图

分析图2可知，1301胶带顺槽掘进作业开始60 s后，掘进工作面的粉尘主要集中在巷道的回风侧，而高浓度粉尘点主要出现在进风侧和巷道中部的底板，产生这种现象的主要原因为在局部通风机的作用下，巷道回风侧在较高风速的作用下，粉尘会随风飘扬，进而出现在巷道回风侧底板粉尘不易积聚的现象；另一方面，由于回风侧风流的作用大部分粉尘会随着风流而不断运动，这是造成回风侧粉尘浓度较高的主要原因。基于数值模拟结果可知，在距掘进头约50 m的位置处，巷道中部及回风侧仍存在着较多的粉尘，且随着与掘进头距离的增大，回风侧粉尘飘散的程度越来越高，产生这种现象的主要原因为风流和空气浮力对低粒径粉尘的影响。

另外根据数值模拟结果能够得出在掘进作业开始后的60 s内，巷道X Z断面粉尘分布云图见图3。

图3 巷道掘进60 s后X Z断面粉尘分布云图

分析图3可知，巷道掘进开始60 s后，巷道底板进风侧距离掘进头25 m以后的区域，存在很多高浓度的粉尘团聚集；另外由于巷道距离底板1.5 m的高度为人员呼吸带，从图中看出巷道回风侧人员呼吸带高度的粉尘浓度较高，距掘进头25 m以后的区域，巷道内粉尘逐渐分散，直至滞后掘进头50 m时，巷道回风侧呼吸带的高度处仍存在着大量粉尘，这即表明滞后掘进工作面50 m范围的回风侧应为降尘的重点区域。

综合上述分析可知，掘进工作面粉尘主要集中在巷道回风侧，在巷道进风侧和巷道中部的底板存在高浓度粉尘点，滞后巷道掘进头50 m范围内，巷道回风侧的粉尘浓度仍较高，确定在进行掘进工作面降尘技术制定时应将滞后掘进工作面50 m范围。

3 降尘技术方案及效果

3.1 降尘技术方案

根据1301胶带顺槽掘进工作面粉尘分布规律数值模拟结果，结合巷道地质条件，确定采取的降尘措施主要有：煤层注水、综掘机泡沫降尘、综掘机联动水幕和挡尘帘、定点触控式风水联动开关、定时光控喷雾及转载点喷雾，具体降尘系统如图4所示。

图4 掘进工作面综合降尘系统示意图

具体各项降尘措施如下：

1）煤体预注水：根据矿井地质资料可知，3号煤体进行煤层预注水可行性测试时，测试得出煤体内原有水分W为1.85%，煤体孔隙率n为4.2%，煤体吸水率δ为2.19%，煤体坚固性系数f为0.52，结合煤层可注性办法可知，3号煤层符合可注水条件，在进行掘进作业前，进行煤层预注水降尘作业。

2）综掘机载泡沫降尘：主要用于对综掘机截割煤岩体产生的高浓度粉尘进行捕捉和沉降。

3）转载点降尘：采用密闭和喷雾相结合的方式进行降尘，密闭通过密闭罩实现，喷雾采用自动触控式风水联动喷雾系统[6-7]。

4）皮带运输降尘：皮带运输主要采用定点风水联动喷雾降尘，喷雾采用触控式喷雾，确保皮带开始转动时，喷雾即打开，喷雾喷嘴型号为K A304，每组喷雾个数为2个，喷雾点的间距为400 m。

5）全断面降尘：采用定时定点光控喷雾技术进行降尘作业，在巷道内设置喷雾点的间距为400 m，喷雾通过定时互相交错开启及光控进行关闭，设置喷雾的时长为7 min，喷雾的时间间隔为1 h。

6）净化水幕：基于粉尘运移规律的模拟结果，确定在距掘进头50 m位置处设置2道可覆盖巷道全断面的净化水幕，2道净化水幕间的间距为1 m。

3.2 效果分析

为有效分析工作面降尘方案的应用效果，现在综掘机司机处分别降尘方案实施前后全尘和呼尘浓度的测试分析，根据分析结果得出表2中的数据。

分析表2可知，1301胶带顺槽掘进工作面采用降尘方案后，在综掘机司机处全尘和呼尘降尘率分别为84.9%和80.9%，降尘效果显著。

表2 降尘技术实施前后粉尘浓度数据

4 结论

根据1301胶带顺槽的地质赋存条件，通过分析综掘面产尘特性，得出掘进工作面粉尘的主要来源，通过数值模拟的方式进行工作面粉尘分布规律的分析，基于分析结果进行掘进工作面降尘技术方案的设计，确定采用煤层预注水、综掘机载泡沫降尘、皮带机转载点喷雾降尘等降尘措施，根据降尘方案实施后的粉尘浓度测试可知，降尘方案实施效果显著。