四台矿20207综掘工作面综合防尘技术应用研究

张 静

（同煤集团四台矿，山西 大同 037003）

1 工程概况

大同煤矿集团有限责任公司四台矿80207工作面正处于准备阶段，80207工作面所采8#煤层总体呈一背斜，煤层厚度4.26～7.35m，平均厚度5.74m。现阶段正在进行C8#层802盘区20207巷的掘进工作，20207巷服务于80207工作面，作为其运煤巷，巷道内煤层倾角最大20°，最小0°，平均3.2°。20207巷沿C8#煤层顶板掘进，当煤层厚度不够3.0m时，必须沿顶起底掘进；煤层厚度超过3.0m时，沿煤层顶板掘进见底。20207巷设计长度1417m，服务年限8个月。20207巷井下布置于C8#802盘区西翼，北面为已密闭的80201工作面，20207巷从盘区轨道大巷开口，北面为20201巷，巷道断面形状为矩形，断面尺寸为：宽×高=5500×3000mm，掘进断面面积为16.5m2。四台矿C8#层802盘区以往的巷道掘进过程中，采用简易的粉尘治理措施，由于其设计和布置的盲目性，掘进工作面出现严重的粉尘浓度超标现象，不仅影响综掘工作面的工作效率，同时严重威胁着井下的安全生产和工作人员的身体健康。因此，以四台矿20207巷的施工为背景，探索一套成熟的综合降尘技术方案。

图1 80207工作面巷道布置示意图

2 综掘工作面粉尘运移的数值模拟

（1）建立几何模型

为详细了解四台矿20207巷道掘进时掘进工作面粉尘运移和分布规律，采用Fluent软件进行模拟[1]。综掘工作面内影响风流的因素有很多，如掘进机、风筒、顶底板支架等，如果对每个细节进行模拟难度非常大，因此必须对数值模型进行适当的简化[2]。掘进工作面模拟分析的长度为50m，将巷道内的电缆槽、水管等管线简化为规则的半圆柱体；综掘机形状过于复杂，对其形状进行适当的简化；胶带输送机等设备对于风流的影响较小，根据其实际尺寸进行相应的简化。工作面的通风设施进行简化。吸风筒简化为直径为0.8m的圆柱体，风筒的吸风口设置在距离迎头4m处，布置在掘进机正上方，距离巷道底板2.5m；压入式风筒直径为1.0m，将其悬挂在巷道右上角，距离巷道底板2.2m。数值模型网格的划分非常重要，经过网格独立性检验和输出结果有效性验证，将对于风流影响较大的设备采用棱柱网格划分，模型内部填充六面体网格。模型参数和边界条件：压风筒对应的风速入口总风量为510m3，风速为11m/s，雷诺系数根据现场实际情况，通过计算设定为695864，湍流强度为2.86%。

（2）20207综掘工作面压入式通风粉尘场运移规律

掘进工作面粉尘的分布模拟结果如图2所示，在掘进工作面内，随着与巷道底板距离的增大，粉尘的浓度逐渐降低。粒径相对较大的粉尘，由于重力作用和风速的逐渐减小逐渐下沉，随着与工作面距离的增大，其浓度明显的降低，而粒径相对较小的粉尘弥漫整个巷道。根据其竖直方向上的分布规律可以看出，距离巷道底板越近，粉尘的浓度越高。由水平方向上的分布规律可知，回风侧粉尘浓度要比风筒侧的高，高浓度粉尘主要分布在回风侧。

图2 掘进工作面粉尘分布模拟结果

图3为随着与掘进工作面距离的增加，巷道内距离底板1.6m处煤尘浓度的变化趋势。由图可以看出，随着与迎头距离的增大，巷道内煤尘的浓度呈现逐渐减小的趋势，但是在距离迎头3m附近出现一个反弯点，风流在此处产生涡旋，形成粉尘聚集点。在掘进司机和风筒侧煤尘均出现明显的增大，距离迎头4～8m范围内粉尘浓度最大可达715mg/m3，这将会对现场的施工作业人员的安全和健康造成极大的危害。

图3 掘进工作面内1.6m标高处粉尘浓度沿程变化规律

（3）综掘工作面除尘技术分析

根据四台矿20207巷具体的工程地质条件，为弥补以往掘进工作面采用压入式除尘通风方式的不足，设计在20207掘进工作面采用抽、压组合式抽尘净化除尘技术，即在掘进工作面布置两个风筒，一个风筒通过压入式风机向工作面提供新鲜空气，另一个风筒将工作面粉尘通过风流抽出。抽、压组合式抽尘净化除尘技术需保证压入式风机供风量大于除尘风机抽风量，并且合理抽、压风筒口位置对除尘效果起关键性作用。合理的位置能够在巷道内形成一个风流屏障，通过风流屏障阻止粉尘向工作人员作业区扩散，并且能够获得较好的吸尘效果[3]。

根据现场实际情况，四台矿20207掘进工作面掘进断面宽×高=5.5×3.0m，初步设计抽、压组合式除尘系统布置方案：压入式风筒安装在距离巷道左侧0.5m处，圆形风筒的轴心与巷道底板相距2.4m，出风口与迎头的距离为10～15m之间变化，出风量400m3/min；湿式振动弦除尘风机吸风口位置距离迎头4m，风筒设置在综掘机上方，与巷道底板距离2.0m，抽风量为320m3/min。抽风筒吸风口会固定在综掘机机身位置处，距迎头距离始终不变，因此只能够通过改变压风筒出风口的位置，来改变抽、压风筒口的相对位置。为了合理地确定四台矿20207工作面抽、压风口的合理位置，分别对压入式风筒出风口与掘进工作面迎头处距离为10～15m条件下，巷道内粉尘浓度的分布情况进行模拟。由于篇幅所限，详细的建模过程已省略，不同条件下随着与迎头处距离的增大，巷道内1.6m处粉尘浓度的变化情况如图4所示。

图4 回风侧沿程粉尘浓度对比折线图

根据图4所示的模拟结果可以看出，随着与迎头处距离的增加，巷道内粉尘的浓度均呈现逐渐下降的趋势。当距离增加到40m左右时，粉尘的浓度基本处于稳定，当压风筒的出风口距离迎头13m时，巷道内粉尘的浓度整体较低，其除尘效果明显较好，因此设计压风筒进风口与迎头处的距离为13m。

3 20207掘进工作面综合防尘技术的应用及效果

（1）四台矿20207掘进工作面综合防尘系统

掘进工作面巷道内粉尘的浓度可以通过产尘源治理、粉尘运移过程治理和粉尘传播终端治理等方法进行控制[4]。四台矿20207综掘工作面对产尘源的治理方式为掘进机高压内外联合喷雾系统，可分为内喷雾和辅助外喷雾系统。安装孔径为1.2mm的螺旋牙水芯（空心锥形）喷嘴，截割期间喷雾压力保持在4.5～6MPa。截割腰线以下煤岩体时，外喷雾安装角度刚好能针对落尘区，截割腰线以上煤岩体，外喷雾安装角度针对扬尘区。粉尘运移过程治理的措施为采用抽、压组合式通风除尘系统。当掘进机在迎头处进行煤岩体的截割作业时，启动除尘风机，配套刚性骨架负压风筒固定于综掘机机身上方，抽风口距离迎头处一直保持在4.0m左右。根据以上模拟分析及现场实际情况，压风筒出风口距迎头面保持在13.0m左右时，取得良好的除尘效果。综掘机截割煤岩时，除掘进机司机和照明工人外，其余工作人员全部撤离至距离掘进工作面40m以外，在距离迎头40m和100m处分别设置一道湿式全断面捕尘帘喷雾系统，皮带输送机各转载点处布置防尘罩和触控喷淋雾化设施降尘。粉尘传播终端治理主要通过为现场的施工人员配备个人防护用具，未佩戴防护用具的人员严禁进行施工作业。

（2）应用效果监测

为考察四台矿20207综掘工作面采用抽、压组合式抽尘净化除尘技术的应用效果，采用矿用CCGZ-1000型便携式直读式测尘仪对巷道内的粉尘浓度进行测量，结合数值模拟结果整理后得到图5所示的折线图。由图可知，采用压入式通风时，采煤司机附近煤尘浓度约为650mg/m3，采用抽压组合式通风时，采煤司机附近粉尘浓度减小为300mg/m3，与模拟结果非常接近，降尘效果非常明显。

图5 抽压组合式降尘效果实测

4 结论

大同煤矿集团有限责任公司四台矿巷道综掘过程中面临着粉尘严重超标的问题，为降低掘进工作面煤尘，结合20207综掘工作面具体的开采技术条件，应用Fluent模拟软件对掘进工作面粉尘的运移规律和浓度进行研究分析。采用压入式通风时，风流易在掘进机司机附近形成涡旋，导致此处粉尘浓度过高，因此设计在20207综掘工作面采用抽、压组合式通风除尘系统。通过数值模拟确定压风筒进风口距离迎头处最佳的距离为13.0m，并设计采用掘进机高压外喷雾系统、湿式全断面捕尘帘捕尘技术、输送带转载点喷雾降尘技术。应用后进行现场观测，与原有的压入式通风方式相比，掘进工作面粉尘浓度降低率达到53.8%，所设计的综合降尘技术取得了良好的应用效果。