潞宁煤矿22116回风顺槽掘进工作面降尘技术研究与应用

靳李斌

（潞安化工集团潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武036706）

1 工程概况

山西潞安集团潞宁煤业公司22116工作面位于井田二二区采区中下部，上部为二二采区22114采空区，煤柱12 m，下部为二二采区22118回采工作面，煤柱10 m，西南为2号煤层采区三条下山，东北部为我矿二二采区三条下山。工作面开采侏2号煤层，煤层厚度1.0～5.0 m，平均厚度为3.5 m，平均倾角4.5°，煤层顶板岩层粉砂岩、泥岩和细粒砂岩，底板岩层为泥岩和细粒砂岩。22116回风顺槽沿2号煤层底板掘进，巷道采用EBZ260型综掘机进行掘进作业，巷道掘进宽度×高度=4.3 m×3.6 m，由于2号煤尘具有爆炸性，现为优化掘进工作面的作业环境，特进行掘进工作面降尘方案的研究与应用。

2 粉尘运移规律分析

为掌握22116回风顺槽掘进工作面的粉尘分布规律，现采用F luent数值模拟软件进行掘进工作面粉尘分布规律的分析，基于22116回风顺槽的地质条件，建立数值模型长度为50 m，掘进面的高度为3.6 m，宽度为4.3 m，模型建立时，将进风侧至回风侧的距离设置为X轴，其最大值为4.3 m，模型底板至顶板设置为Y轴，最大值为3.6 m，模型中设置风筒半径为0.5 m，距离掘进头5 m，巷道采用压入式通风，设置风量为380 m3/min，入口风速为8 m/s，采用R ealizablek-ε湍流模型，具体其余参数依据工程实践进行赋值建立，综掘工作面几何模型见图1。

图1 综掘工作面数值模型图

1）风速分布规律：根据掘进工作面掘进作业的数值模拟结果，可得出巷道不同断面处风速分布情况，现为掌握风速变化情况，结合众多试验研究和工程实践结果[1-3]，为分析巷道前端风流，选取距掘进头5、12、20 m位置处风速矢量图进行分析，具体不同断面处风速矢量图如图2所示。

图2 巷道不同断面风速矢量图

分析图2可知，在距掘进头5 m位置处高速风流主要聚集在综掘机两侧底部的位置处，回风侧风流存在着部分向上流动的趋势，这是由于风速从风筒中流出后风速较大，且由于巷道侧壁及掘进机前端的阻挡作用产生的，回风侧的风流收到巷道顶板的影响而最终流向进风一侧，在与进风侧风流汇合时，形成了小型涡流场；在滞后掘进头12 m的位置处，巷道进风侧的部分风流开始逐渐向回风侧扩散，在综掘机正后方的位置处由于受到掘进机的影响导致其风速相对较小；在距掘进头20 m的位置处，巷道回风侧的风速略大于进风侧，巷道内风速基本处于稳定状态，据此确定在滞后掘进工作面20 m的位置时，风流整体处于相对稳定状态。

2）粉尘分布规律：根据数值模拟结果，可得出在不同时间下巷道内粉尘扩散规律，掘进作业开始后，在风流作用下粉尘会在巷道内随着风流逐渐扩散，现为全面分析巷道不同位置处粉尘浓度分布情况，分别对巷道进风侧、回风侧、中间位置和呼吸带位置粉尘浓度分布进行分析，不同位置粉尘分布见图3。

图3 掘进工作面不同位置粉尘分布云图

分析图3可知，巷道掘进作业开始后，在工作面前端顶部位置和回风侧的底部存在着高浓度区域；巷道回风侧由于风流中携带着大量的粉尘向回风侧移动，导致该区域的粉尘浓度较高，在巷道回风侧及其中间位置高浓度粉尘主要出现在巷道的前端，但随着风流往后的逐渐运动，粉尘会不断沉降，粉尘浓度会不断降低；另外从图中可看出巷道回风侧的粉尘浓度明显高于进风侧，且巷道内的粉尘主要由回风侧向巷道后方排出；通过对巷道呼吸带位置粉尘浓度的分析可知，掘进机上方粉尘浓度较高，且粉尘浓度主要在司机位置处汇合，产生这种现象的主要原因为该处为涡流区域，导致粉尘在该区域积聚；另外从图中能看出，巷道不同位置处滞后工作面20 m处，其粉尘浓度均较低，粉尘分布处于稳定状态。

综合上述分析可知，粉尘防治的重点区域为滞后掘进工作面20 m的范围，且巷道回风侧的粉尘浓度大于进风侧，需重点进行巷道回风侧的粉尘治理。

3 降尘方案及效果

3.1 掘进工作面降尘方案

根据综掘工作面粉尘分布规律的数值模拟结果，结合22116回风顺槽的地质条件，确定巷道采用优化通风+综掘机喷雾+水幕除尘的降尘方案，具体降尘措施及参数如下：

1）优化通风除尘：工作面最常用的通风方式为通风除尘，合理的风量及通风方式可有效降低工作面粉尘浓度，基于《煤矿安全规程》中的规定可知，煤巷中的风速不得小于0.25 m/s，现结合众多研究结论和工程实践结果[4-6]，采用上述数值模拟模型进行巷道压风量为280、470、570 m3/min 3种压风量的对比优选，具体不同模拟方案下的参数条件见表1。

表1 不同压风量条件参数表

根据模拟分析结果能够得出不同压风量下巷道内分粉尘分布，现选取巷道回风处和综掘机司机处的粉尘浓度沿程分布情况进行分析，基于模拟结果可绘制出不同方案下粉尘浓度沿程分布图见图4。

分析图4可知，随着压风量的不断增大，巷道回风侧呼吸带高度处的粉尘浓度在不断降低，从图中能够看出，巷道回风侧在采用方案3时巷道回风侧的粉尘浓度最低，而方案2与方案3之间的粉尘浓度基本接近；综掘机司机处在采用方案3的通风方案时，巷道前端出现粉尘上扬现象，这是由于巷道通风风量大导致的，在综掘机及司机处采用方案2时的粉尘浓度小于采用方案3。综合上述分析，确定22116回风顺槽掘进作业时通风量为470 m3/min，以此减小巷道内的粉尘浓度。

图4 粉尘浓度沿程分布曲线图

2）综掘机喷雾降尘：在综掘机截割头上布置2组喷嘴，每组内布置5个喷嘴，喷雾压力为10～15 MPa，喷雾水流量为30～50 L/min，喷嘴的孔径为1.5 mm，雾化粒径为30～150μm，喷雾器的喷雾角为60°，掘进机喷雾采用的水使用添加活性剂的磁化水，磁化水具有较强的粉尘捕捉能力，增强溶液的润湿性，本次使用的磁化水，其活性添加剂的用量为0.03%，具体活性磁化水制备流程如图5所示。

图5 磁化水制备流程示意图

3）水幕降尘：基于上述综掘面粉尘分布的数值模拟结果可知，在进行巷道降尘时，需将防尘水幕安装在滞后掘进头20 m以内的位置处，结合回风顺槽掘进工作面的具体情况，确定水幕安装在距掘进头15 m的位置处，水雾喷嘴采用孔径为1.5 mm的喷嘴，其能实现的雾化效果较好，喷雾压力为5 MPa。

22116回风顺槽采用的自动喷雾防尘水幕系统主要包括高压泵站、隔爆开关、控制中心、传感器和喷雾装置，本次防尘水幕在巷道断面内布置7个喷头，喷头可实现在竖直方向上成30°角旋转，具体防尘水幕系统如图6。

图6 自动防尘水幕系统示意图

3.2 效果分析

为有效分析巷道降尘方案的实施效果，在回风顺槽掘进期间，在掘进机司机处分别对降尘方案实施前后的全尘和呼尘浓度进行测试，测试结果见表2。

表2 防尘实施前后粉尘含量测试数据表

分析表2可知，22116回风顺槽掘进工作面降尘方案实施后，综掘机司机处全尘降尘率达83.7%，呼尘降尘率达80%，另外根据巷道其余区域的粉尘测试结果可知，防尘方案实施后滞后掘进头20 m范围区域全尘和呼尘的降尘率均达到80%以上，降尘效果显著。

4 结论

根据22116回风顺槽地质条件，通过数值模拟分别进行综掘工作面风速分布规律和粉尘分布规律的模拟分析，根据模拟结果确定粉尘防治的重点区域为滞后掘进工作面20 m的范围，设计掘进工作面采用优化通风+综掘机喷雾+水幕的降尘方案，根据降尘方案实施后的效果分析可知，降尘效果显著。