玉溪煤礦1301膠帶順槽掘進(jìn)工作面降塵技術(shù)研究與應(yīng)用

常晉陽

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦1301工作面位于井田南部的一盤區(qū)，為玉溪煤礦的首采工作面，工作面開采3號煤層，煤層均厚5.85 m，平均傾角為5°，3號煤層以亮煤和鏡煤為主，少量暗煤，屬光亮型煤；3號煤層具有突出危險性，煤層頂板巖層為泥巖和中粒砂巖，底板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖，具體頂?shù)装鍘r層特征見表1，工作面采用大采高綜采工藝進(jìn)行采煤作業(yè)，全部垮落法管理頂板。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

1301膠帶順槽主要為工作面提供進(jìn)風(fēng)、運輸、行人等服務(wù)，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬度×高度=5 700 mm×3 800 mm，巷道支護(hù)方式為錨網(wǎng)索支護(hù)方案，巷道采用綜掘機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，由于3號煤層較為松軟，故在巷道掘進(jìn)期間產(chǎn)塵量會較大，故為優(yōu)化掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境，特進(jìn)行巷道降塵方案設(shè)計與分析。

2 掘進(jìn)工作面粉塵分布規(guī)律

2.1 綜掘面產(chǎn)塵特性分析

根據(jù)眾多理論及試驗研究結(jié)論[1-2]，結(jié)合1301膠帶順槽的地質(zhì)條件，得出1301綜掘工作面產(chǎn)塵的主要來源以下幾個方面：

1）巷道掘進(jìn)期間，待掘區(qū)域在地質(zhì)作用下出現(xiàn)了斷裂、錯位，在煤體內(nèi)部的裂隙內(nèi)留存了一定量的原生粉塵。

2）綜掘機(jī)在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時，截割煤巖體造成煤體破碎而產(chǎn)生的粉塵。

3）巷道掘進(jìn)后，松散煤巖體掉落時產(chǎn)生的粉塵。

4）進(jìn)行煤炭轉(zhuǎn)載和皮帶機(jī)運輸時產(chǎn)生的粉塵。

5）進(jìn)風(fēng)流中攜帶的粉塵及巷道內(nèi)已沉積的粉塵由于掘進(jìn)作業(yè)或巷道供風(fēng)時出現(xiàn)的二次揚塵現(xiàn)象。

工作面的粉塵主要是由綜掘機(jī)截齒截割煤巖體時產(chǎn)生的，1301膠帶順槽掘進(jìn)工作面采用EBZ200型掘進(jìn)機(jī)，截割頭采用鎬形齒截割方式，鎬形齒截割具體破巖能力強(qiáng)、產(chǎn)塵量大的特點[3-5]，影響綜掘機(jī)截割作業(yè)時產(chǎn)塵的主要因素為：煤巖體的性質(zhì)、含水量、巷道通風(fēng)狀況、巷道內(nèi)濕度及環(huán)境溫度、掘進(jìn)作業(yè)設(shè)備的種類、截割參數(shù)、順序及方式等，具體綜掘面產(chǎn)塵源的種類、影響因素及產(chǎn)塵機(jī)理如圖1所示。

圖1 綜掘工作面產(chǎn)塵示意圖

2.2 粉塵分布規(guī)律

為分析1301膠帶順槽掘進(jìn)工作面粉塵分布規(guī)律，現(xiàn)采用C F D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)巷道的地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型進(jìn)行粉塵分布規(guī)律的分析，模型中設(shè)置掘進(jìn)工作面的長度為50 m，在掘進(jìn)巷道內(nèi)布置綜掘機(jī)、風(fēng)筒、轉(zhuǎn)載機(jī)等，將綜掘機(jī)簡化為長方形，設(shè)置其長×寬×高=10 m×2.7 m×1.8 m，設(shè)置風(fēng)筒為規(guī)則的圓筒，直徑為800 mm，設(shè)置粉塵的產(chǎn)源為截割頭外圈圓形范圍。

數(shù)值模型建立完成后，進(jìn)行綜掘機(jī)割煤作業(yè)時，工作面粉塵運移規(guī)律的分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出，巷道在掘進(jìn)作業(yè)開始后的60 s內(nèi)，巷道YZ斷面內(nèi)的粉塵分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 巷道掘進(jìn)開始60 s后YZ斷面粉塵分布云圖

分析圖2可知，1301膠帶順槽掘進(jìn)作業(yè)開始60 s后，掘進(jìn)工作面的粉塵主要集中在巷道的回風(fēng)側(cè)，而高濃度粉塵點主要出現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)側(cè)和巷道中部的底板，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因為在局部通風(fēng)機(jī)的作用下，巷道回風(fēng)側(cè)在較高風(fēng)速的作用下，粉塵會隨風(fēng)飄揚，進(jìn)而出現(xiàn)在巷道回風(fēng)側(cè)底板粉塵不易積聚的現(xiàn)象；另一方面，由于回風(fēng)側(cè)風(fēng)流的作用大部分粉塵會隨著風(fēng)流而不斷運動，這是造成回風(fēng)側(cè)粉塵濃度較高的主要原因?；跀?shù)值模擬結(jié)果可知，在距掘進(jìn)頭約50 m的位置處，巷道中部及回風(fēng)側(cè)仍存在著較多的粉塵，且隨著與掘進(jìn)頭距離的增大，回風(fēng)側(cè)粉塵飄散的程度越來越高，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因為風(fēng)流和空氣浮力對低粒徑粉塵的影響。

另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出在掘進(jìn)作業(yè)開始后的60 s內(nèi)，巷道X Z斷面粉塵分布云圖見圖3。

圖3 巷道掘進(jìn)60 s后X Z斷面粉塵分布云圖

分析圖3可知，巷道掘進(jìn)開始60 s后，巷道底板進(jìn)風(fēng)側(cè)距離掘進(jìn)頭25 m以后的區(qū)域，存在很多高濃度的粉塵團(tuán)聚集；另外由于巷道距離底板1.5 m的高度為人員呼吸帶，從圖中看出巷道回風(fēng)側(cè)人員呼吸帶高度的粉塵濃度較高，距掘進(jìn)頭25 m以后的區(qū)域，巷道內(nèi)粉塵逐漸分散，直至滯后掘進(jìn)頭50 m時，巷道回風(fēng)側(cè)呼吸帶的高度處仍存在著大量粉塵，這即表明滯后掘進(jìn)工作面50 m范圍的回風(fēng)側(cè)應(yīng)為降塵的重點區(qū)域。

綜合上述分析可知，掘進(jìn)工作面粉塵主要集中在巷道回風(fēng)側(cè)，在巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)和巷道中部的底板存在高濃度粉塵點，滯后巷道掘進(jìn)頭50 m范圍內(nèi)，巷道回風(fēng)側(cè)的粉塵濃度仍較高，確定在進(jìn)行掘進(jìn)工作面降塵技術(shù)制定時應(yīng)將滯后掘進(jìn)工作面50 m范圍。

3 降塵技術(shù)方案及效果

3.1 降塵技術(shù)方案

根據(jù)1301膠帶順槽掘進(jìn)工作面粉塵分布規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合巷道地質(zhì)條件，確定采取的降塵措施主要有：煤層注水、綜掘機(jī)泡沫降塵、綜掘機(jī)聯(lián)動水幕和擋塵簾、定點觸控式風(fēng)水聯(lián)動開關(guān)、定時光控噴霧及轉(zhuǎn)載點噴霧，具體降塵系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 掘進(jìn)工作面綜合降塵系統(tǒng)示意圖

具體各項降塵措施如下：

1）煤體預(yù)注水：根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，3號煤體進(jìn)行煤層預(yù)注水可行性測試時，測試得出煤體內(nèi)原有水分W為1.85%，煤體孔隙率n為4.2%，煤體吸水率δ為2.19%，煤體堅固性系數(shù)f為0.52，結(jié)合煤層可注性辦法可知，3號煤層符合可注水條件，在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)前，進(jìn)行煤層預(yù)注水降塵作業(yè)。

2）綜掘機(jī)載泡沫降塵：主要用于對綜掘機(jī)截割煤巖體產(chǎn)生的高濃度粉塵進(jìn)行捕捉和沉降。

3）轉(zhuǎn)載點降塵：采用密閉和噴霧相結(jié)合的方式進(jìn)行降塵，密閉通過密閉罩實現(xiàn)，噴霧采用自動觸控式風(fēng)水聯(lián)動噴霧系統(tǒng)[6-7]。

4）皮帶運輸降塵：皮帶運輸主要采用定點風(fēng)水聯(lián)動噴霧降塵，噴霧采用觸控式噴霧，確保皮帶開始轉(zhuǎn)動時，噴霧即打開，噴霧噴嘴型號為K A304，每組噴霧個數(shù)為2個，噴霧點的間距為400 m。

5）全斷面降塵：采用定時定點光控噴霧技術(shù)進(jìn)行降塵作業(yè)，在巷道內(nèi)設(shè)置噴霧點的間距為400 m，噴霧通過定時互相交錯開啟及光控進(jìn)行關(guān)閉，設(shè)置噴霧的時長為7 min，噴霧的時間間隔為1 h。

6）凈化水幕：基于粉塵運移規(guī)律的模擬結(jié)果，確定在距掘進(jìn)頭50 m位置處設(shè)置2道可覆蓋巷道全斷面的凈化水幕，2道凈化水幕間的間距為1 m。

3.2 效果分析

為有效分析工作面降塵方案的應(yīng)用效果，現(xiàn)在綜掘機(jī)司機(jī)處分別降塵方案實施前后全塵和呼塵濃度的測試分析，根據(jù)分析結(jié)果得出表2中的數(shù)據(jù)。

分析表2可知，1301膠帶順槽掘進(jìn)工作面采用降塵方案后，在綜掘機(jī)司機(jī)處全塵和呼塵降塵率分別為84.9%和80.9%，降塵效果顯著。

表2 降塵技術(shù)實施前后粉塵濃度數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

根據(jù)1301膠帶順槽的地質(zhì)賦存條件，通過分析綜掘面產(chǎn)塵特性，得出掘進(jìn)工作面粉塵的主要來源，通過數(shù)值模擬的方式進(jìn)行工作面粉塵分布規(guī)律的分析，基于分析結(jié)果進(jìn)行掘進(jìn)工作面降塵技術(shù)方案的設(shè)計，確定采用煤層預(yù)注水、綜掘機(jī)載泡沫降塵、皮帶機(jī)轉(zhuǎn)載點噴霧降塵等降塵措施，根據(jù)降塵方案實施后的粉塵濃度測試可知，降塵方案實施效果顯著。