坡底煤业3101运输巷掘进工作面粉尘防治技术研究与应用

李志刚

(山西省晋能控股煤业公司 五人小组五分部，山西 大同 037046)

1 工程概况

山西晋煤集团晋圣坡底煤业有限公司3101工作面井下位于一采区，工作面开采煤层为3号煤层，煤层厚度4.5～6.5 m，平均厚度5.5 m，平均13°左右，工作面煤层顶底板情况如表1所示。3101运输巷沿煤层底板掘进，巷道为梯形断面，使用12号工字钢进行架棚支护，巷道掘进期间采用压入式通风，风机采用FBDNO7(2×45 kW)风机，由于3号煤层相对松软破碎，巷道掘进期间产生的粉尘较大，尤其在综掘机掘进割煤期间，最大粉尘浓度达到1 500 mg/m3.为有效降低粉尘浓度，优化掘进工作面的作业环境，特进行掘进工作面粉尘防治技术研究。

表1 煤层顶底板岩层特征

2 粉尘运移规律分析

综掘工作面作业过程中会产生大量的粉尘，常采用粉尘检测仪进行现场实测，但由于掘进工作面现场作业及测试环境较为复杂，无法准确掌握巷道中粉尘的具体分布及运移规律。为充分分析3101工作面运输巷掘进期间粉尘运移规律，采用Fluent数值模拟软件和气固两相流理论进行粉尘运移规律的分析。

根据3101运输巷掘进工作面的具体条件，建立掘进工作面宽度为4.8 m、高度为3.5 m，设置模型长度为50 m，风筒末端为出风口，其与掘进工作面距离为5 m，半径为0.5 m.模型中设置巷道进风侧与回风侧的距离为X轴坐标，底板至顶板设置为Y轴坐标，掘进面前端至巷道出口为Z轴坐标。采用瞬态模型，风筒的风量为380 m3/min，进风入口的风速为8 m/s，通过响应换算可知风筒的湍流强度为3.07%[1-2]，风流出口设置为自由出口，掘进工作面的粉尘采用DPM模型，粉尘颗粒服从R-R分布，设置粉尘的最大和最小粒径分别为1.5×10-4m和5×10-7m，粉尘颗粒的平均粒径为4.6×10-5m，具体综掘工作面几何模型如图1(a)所示，综掘机部件放大图如图1(b)所示。

图1 综掘工作面

2.1 粉尘扩散过程分析

在进行掘进工作面粉尘运移规律研究分析时，巷道前端粉尘运移对综掘面粉尘的整体运移规律有着重大的影响。对综掘机作业5 s、10 s、20 s和30 s时的粉尘扩散距离进行分析，具体综掘机作业不同时间下粉尘扩散距离云图如图2所示。

图2 不同时刻下粉尘扩散距离云图

分析图2可知，综掘机作业时，掘进头产生的粉尘在风流裹挟下不断向后方移动，由于巷道空间内布置着综掘机、刮板输送机及胶带机等设备，风流会在巷道局部位置形成涡流场，在迎头粉尘向后移动时，粉尘进入到涡流场后会导致粉尘在该处积聚。

在T=5 s时，粉尘随风流向后移动的过程中，大部分粉尘主要分布在综掘机头前端，粉尘最大浓度达到1 600 mg/m3，只有少部分粉尘颗粒会扩散至综掘机后方，扩散后的粉尘浓度达到1 300 mg/m3，由于此时粉尘扩散时间有限，迎头区域的粉尘并不能够得到有效扩散；在T=10 s时，掘进头的粉尘大致扩散至距迎头16 m的位置处，此时粉尘基本已经全部覆盖前端综掘机的空间，粉尘主要在工作面回风侧向后移动，掘进工作面产生的粉尘会主要出现在回风侧下部，粉尘浓度达到1 260 mg/m3；在T=20 s时，在综掘机上方区域开始出现粉尘积聚现象，且综掘机后方巷道两侧粉尘开始出现汇聚，并在风流的作用下逐渐向后端扩散；在T=30 s时，掘进工作面回风侧粉尘随着风流作用逐渐向后排出，但风流作用同样使粉尘浓度整体上升，且在综掘机上方出现高浓度粉尘区域现象的主要原因为综掘机上方存在着涡流场，导致粉尘在综掘机司机处大规模积聚。根据数值模拟结果可知，综掘机司机处的最大粉尘浓度能够达到1 560 mg/m3.

2.2 粉尘浓度分布

为掌握巷道内粉尘分布情况，在掘进工作面正常运作期间，分别对巷道进风侧、回风侧、中间位置和呼吸带处粉尘浓度分布情况进行分析，不同位置处粉尘浓度分布云图如图3所示。

图3 巷道不同位置处粉尘浓度分布云图

分析图3可知，工作面回风侧粉尘浓度较高，这是由于风流中携带着大量的粉尘，粉尘在风流作用下逐渐向回风侧排出。随着粉尘的运移，粉尘会逐渐沉降，进而出现粉尘浓度逐渐降低的情况，且粉尘浓度较高的区域主要集中在巷道前端。在工作面中间位置处，巷道前端整体粉尘浓度较高，且随着粉尘向后移动粉尘浓度逐渐降低。对呼吸带区域粉尘浓度云图分析可知，中间位置处粉尘浓度较高的区域主要集中在综掘机司机位置处，产生这种现象的主要原因为该区域为风流的涡流区域。

综掘机机身处由于巷道空间有限，呼吸带高度内的粉尘浓度均超过1 000 mg/m3，最大浓度达到1 560 mg/m3，随着粉尘扩散至巷道末端，粉尘浓度逐渐下降并最终趋于平缓，50 m位置处粉尘浓度在160 mg/m3.

综合上述分析可知，综掘工作面回风侧的粉尘浓度明显大于进风侧，在掘进工作面回风侧和中间位置处粉尘高浓度主要集中在前端区域，掘进工作面内的粉尘主要通过回风侧向后移动。

3 粉尘防治技术

3.1 粉尘防治方案

根据3101运输巷掘进工作面的具体条件，结合上述粉尘运移规律的分析结果，综合确定采用通风优化+水幕降尘+活性磁化水降尘的综合防尘技术，各项防尘措施的参数如下。

3.1.1 通风优化

根据《煤矿安全规程》中关于煤巷通风部分的规定可知，其风速不得小于0.25 m/s.结合国内外众多的研究成果[3-5]，分别设置风筒压风量为280 m3/min、470 m3/min和570 m3/min，采用数值模拟软件进行模拟分析，具体通风方案如表2所示。

表2 不同风量下通风参数

通过数值模拟分析得出，不同方案下粉尘沿程分布曲线如图4所示。

图4 粉尘数量沿程分布曲线图

分析图4可知，随着距前端距离的增大，粉尘在前20 m的范围内均呈现出大幅降低的趋势，在与前端距离20～50 m的范围内，粉尘数量降幅减缓。从曲线中能够看出，方案2与方案3沿程粉尘数量相差幅度不大。综合经济和实际情况，选定通风风量为470 m3/min.

3.1.2 水幕降尘

综合目前国内外水幕降尘的相关理论研究和工程实践经验[6]，在距综掘机后方15 m的位置处布置1套水幕，水幕由1组喷嘴和捕尘帘组成，喷嘴孔径为1.5 mm，喷雾压力为5 MPa，捕尘帘在喷嘴位置处全断面布置。

降尘水幕采用普通水时，水颗粒对粉尘的捕捉能力相对较弱，为有效提升水幕水颗粒对粉尘的捕捉能力，大幅降低粉尘浓度，拟采用活性磁化水作为防尘用水。

3.1.3 活性磁化水

通过将表面活性剂加入水中，经过磁场磁化后能够得到水基降尘介质，通过改变溶液润湿能力和活性剂在溶液中的吸附性质提升对粉尘的捕捉能力。本次活性磁化水中活性添加剂的溶液浓度为0.03%，井下活性磁化水的制备和使用流程如图5所示。

图5 井下活性磁化水制备和使用流程图

3.2 效果分析

3101运输巷掘进期间，在距掘进面前端30 m的位置处进行粉尘浓度的测试，得出工作面在未采用任何防尘措施时，采用优化通风、安装水幕和活性磁化水各项措施后断面处的粉尘浓度柱状图，见图6.

图6 不同降尘措施下粉尘浓度柱状图

分析图6可知，在3101运输巷优化通风后，掘进工作面全尘降尘率为36.5%，呼尘降尘率为33.8%，当工作面采用优化通风+安装水幕+活性磁化水的降尘方案后，全尘浓度降至108 mg/m3，呼尘浓度降至53.8 mg/m3，相较于未采取防尘措施时，全尘浓度降低61.4%，呼尘浓度降低53.4%，降尘效果显著。