高瓦斯易突矿井掘进工作面综合降尘技术研究

靳 擎

（潞安集团古城煤矿，山西 长治 046108）

1 工程概况

3105工作面位于3#煤层一采区，工作面主采3#煤层，煤层平均厚度为4.7m，结构简单，全区稳定可采。煤层直接顶为泥岩，均厚2.4m，基本顶为中粒砂岩，均厚5.3m，直接底为泥岩，均厚1.5m，基本底为砂质泥岩，均厚为8.3m，平均倾角为5°，工作面实测最大瓦斯压力为1.7MPa，属于高瓦斯矿井，且煤体破碎严重，易出现瓦斯突出的危险性。

3105工作面运输巷目前正在进行掘进作业，掘进工作面采用EBZ200型掘进机，根据掘进工作面瓦斯测定得知，该掘进工作面的瓦斯初放速度为12.4mmHg，根据煤层湿润性测定结果知煤尘的接触角为67.25°，存在着煤尘爆炸的可能性，目前该工作面采用普通外喷雾进行降尘作业，但降尘效果较差，无法为掘进工作面的安全作业提供保障，故需采用有效的措施降低掘进工作面的粉尘。

2 粉尘移动规律分析

为有效分析3105工作面运输巷掘进工作面进行掘进作业时粉尘的运移规律，现通过Fluent建立运输巷的几何模型，模型中设置工作面长度为50m，宽度为5m，高度为3.5m，掘进机的长×宽×高=10m×2.7m×1.8m，压入式风筒直径设置为800mm，并设置粉尘的产生源头为综掘机截割头的圆圈范围内[1-2]，具体物理力学模型如图1所示。

根据3105工作面运输巷掘进作业的顺序进行模拟分析，首先在工作面掘进前进行一段时间的通风，随后对掘进工作面开始作业，粉尘源开始释放粉尘，具体记录60s内粉尘的运移规律，结果如图2所示。

图1 掘进工作面物理力学模型示意图

图2 不同时间下粉尘运移规律分布

通过具体分析图2可知，在巷道掘进作业开始后，掘进头的粉尘源开始释放粉尘的60s内，粉尘在巷道内部逐渐扩散，并且大部分的粉尘会随着风流流向回风侧，仅有小部分粉尘会聚集在循环风流区域和巷道后半部分，结合模拟结果和现场实际情况分析认为，由于粉尘的差异性，会使得在不同粒径分布条件下的分布规律出现一定的差异性，巷道内部不规律的小股粉尘的聚集主要为小粒径的粉尘，另外巷道底板粉尘高浓度的聚集出现在距离回风巷20m以后的位置处，从掘进工作面的粉尘分布规律上分析，能够看出粉尘浓度的最高值在综掘面截割的位置处，基于此分析知在粉尘源的位置处进行降尘作业，能够获得较好的降尘效果。

基于数值模拟结果，为进一步分析出巷道内粉尘的分布规律，沿着巷道的走向方向，进行巷道沿YZ方向截面的出图作业，将巷道划分为回风侧X=1处，进风侧X=4处，巷道中部X=2.5m处，根据模拟结果能够得出巷道断面不同位置处的分布规律如图3所示。

图3 巷道沿YZ方向不同剖面的粉尘分布规律

通过具体分析图3可知，在掘进作业开始后的60s时，巷道内部的粉尘主要集中在回风侧，但巷道中部和进风侧为高浓度粉尘的主要聚集点，，结合工程现场情况分析知，由于回风侧的风流速度较快，粉尘的在回风侧极易被风流带走，但由于粉尘同样会随着回风侧风流的运动而移动，这也是掘进工作面回风侧粉尘浓度较高的主要原因，在巷道距离掘进头约50m的范围内，巷道的中部及回风侧仍有较多的粉尘聚集，由于小粒径的粉尘会在风流及空气浮力的作用下出现逐渐消散的现象，进而会在巷道的回风侧出现，随着与掘进头距离的增加，回风侧粉尘的飘散程度会逐渐增大。

3 综合降尘技术

3.1 降尘方案

根据3105工作面运输巷的具体条件，结合数值模拟结果知在粉尘源头位置粉尘浓度最高，在掘进头的位置进行降尘作业效果较好，另外在参各项规程的基础上，确定在3105工作面运输巷掘进工作面更换降尘设备，在掘进头割煤、装煤和煤壁垮落位置采用泡沫降尘技术[3-4]，在皮带机转载点的位置采用密闭触控喷雾降尘技术，在皮带的运输过程中采用定点触控式联动喷雾降尘技术，为对巷道全断面的风流进行净化，特采用定时光控喷雾技术，另外在该四项降尘技术的基础上，加强人工定期清理积尘、定时洒水等作业，具体3105工作面运输巷掘进工作面的综合防尘方案示意图如图4所示。

图4 掘进工作面综合防尘方案布置示意图

具体3105工作面运输巷的降尘措施如下：

1）掘进工作面前方煤体预注水技术。根据3105运输巷掘进工作面煤体的测试试验可知，该区域煤体内的吸水率、水分、坚固性系数和孔隙率的数据见表2。

表2 3105运输巷掘进工作面煤层各项指标测试值

基于表2中的数据可知，结合煤层可注水的标准可知，当原有水分小于4%、坚固性系数大于0.4，吸水率大于1%的煤层符合注水的条件，但该区域煤层的孔隙率为1.92%，小于煤层可注水孔隙率4%的标准，故基于此数据可知3105运输巷掘进工作面在正常掘进作业时，可不进行煤层注水作业，在粉尘含量较高时，可利用掘进头煤层注水系统进行预注水作业，在进行煤层预注水作业时，煤层注水的各项参数见表3。

表3 煤层预注水孔布置方式各项参数

2）泡沫降尘技术。根据3105运输巷掘进工作面区域煤层的具体特征知煤层具有疏水的特性，现优化原有的水喷雾为机载泡沫降尘设备，从源头上对掘进工作面的的高粉尘进行防治，通过泡沫对掘进头的粉尘进行沉降和捕获。

3）密闭触控喷雾降尘技术。由于煤在转载点附近会由于自身的重力作用而出现降落，现在转载点附近通过喷雾和密闭的方式来来实现工作面的降尘作业，转载机的密闭主要通过密闭罩实现，转载点的喷雾系统通过自动触控式风水联动喷雾。

4）定点触控式联动喷雾降尘技术。在掘进工作面的皮带上，煤在运输的过程中会经常出现摩擦和振动的现象，进而会在巷道内部产生大量的粉尘，为高效全方位的实现降尘，现在皮带上每间隔400m安设一处触控式喷雾。

5）巷道全断面的风流进行净化技术。由于掘进工作面中的粉尘基本呈现出不规律的分布形态，在降尘作业的同时，同时在人员经过固定喷雾点时使用光控传感器停止喷雾作业，具体喷雾点设置间距为400m一个，喷雾的控制采用定时互相交错的开启，采用光控传感器进行控制关闭，设置喷雾的间隔时间为1h，每次进行喷雾作业的时长为5min～10min。

6）净化水幕与人工降尘技术。根据上述数值模拟结果可知，在3105工作面掘进头的位置处，距离掘进头50m范围内巷道内部均存在着粉尘分布，故在50m范围内设置2道全断面净化水幕，两道间距控制为20m，第一道距离掘进头5m，第二道距离掘进头45m；根据数值模拟结果可知，巷道掘进作业时，在风筒和巷道的壁面处粉尘易积聚，故人工降尘措施实施的主要区域为对巷道顶板、两帮、底板及风筒表面上的粉尘进行清扫，并适当扫水降低煤运输过程中粉尘。

3.2 效果分析

为有效考察3105运输巷掘进工作面综合降尘技术措施的效果，特针对煤层预注水，泡沫降尘技术的降尘效果进行监测分析，设置监测点为回风侧15m，基于监测结果得出表5所示，综合降尘措施实施前后效果对比见表4，通过具体分析表4可知，各项降尘措施效果显著，掘进机割煤作业时全尘的浓度从410.62mg/m3降低至 67.8mg/m3。

表4 各项降尘措施实施效果分析

4 结 论

根据3105工作面区域煤层的具体地质条件，现采用数值模拟的方式对掘进工作面的粉尘运移规律进行研究分析，得出粉尘浓度的最高值在综掘面截割的位置处，在巷道距离掘进头约50m的范围内，巷道的中部及回风侧仍有较多的粉尘聚集，基于数值模拟结果确定掘进工作面采用煤体预注水+泡沫降尘+密闭触控喷雾降尘+定点触控式联动喷雾降尘+全断面的风流进行净化+人工降尘和净化水幕的综合降尘措施，根据降尘措施的监测结果可知，综合降尘措施实施后，降尘效果显著，保障了掘进工作面的安全掘进作业。