宏大煤矿综掘工作面综合防尘技术研究与应用

周 勇 吕树林

（1.山西煤炭进出口集团左权宏远煤业有限公司，山西 晋中 032600；2.临汾宏大矿业有限公司，山西 临汾 041000）

1 工程概况

霍州煤电临汾宏大公司宏大煤矿10-205 工作面为10-201 工作面的接替工作面，位于井田二采区西北部，东为实煤区，西邻井田边界三角实煤区，南为二采区西轨道大巷，北部邻近井田边界保护煤柱。综采工作面平均可采走向长度665 m，可采倾向长度193 m，所采9+10#煤层位于太原组下段。根据10-205 工作面两顺槽揭露，煤层厚3.8～4.6 m，平均4.2 m，9+10#煤层瓦斯绝对涌出量2.99 m³/min，为低瓦斯矿井。10-205 工作面采用“U”形通风方式，回采系统由进风巷、回风巷、开切眼组成，回采巷道采用综掘机进行施工，单巷掘进，采用混合式通风方式。为有效降低综掘工作面粉尘浓度，以10-205 进风巷掘进施工为背景进行相关研究与应用。

2 建立数值模型

宏大煤矿9+10#煤层采掘巷道掘进时采用单巷掘进，掘进机型号EBZ260，采用长压短抽通风方式，掘进头主要设备有桥式输送机、带式转运机、压风筒、抽风筒。为改善除尘效果，参照国内类似地质条件下掘进工作面降尘技术[1-2]，设计增加湿式除尘器、附壁风筒设备，采用Solidworks 建立相关的几何模型。以10-205 进风巷掘进工作面为背景，掘进巷道简化为宽、高均为5 m 的半圆拱形断面，长度30 m；掘进机机身简化为宽、高均为3 m、长为12 m 的简易模型；截割头简化为直径1.0 m、长1.1 m 的圆台。附壁风筒距迎头25 m，径向出风条隙宽为50 mm，长度为压风筒周长的六分之一，间距为100 mm，朝向掘进巷道内侧。湿式除尘器、带式转运机等设备也一一进行简化。得到掘进工作面几何模型如图1（a）所示。导入ANSYS ICEM 进行网格划分，最终得到图1（b）所示网格模型。

图1 掘进工作面模型示意图

3 长压短抽式通风除尘系统数值模型

3.1 外喷雾压力优化研究

结合宏大煤矿以往掘进工作面工程实践，确定以下初始参数：压风筒直径1.0 m，出风口距巷道底板3.0 m，距巷帮0.7 m，距迎头15 m，出风量为550 m3/min；抽风筒直径1.0 m，距离巷道底板2.5 m，距离巷帮1.0 m，距迎头5.0 m，抽风量400 m3/min；外喷雾系统安装在距截割面2.3 m 的喷雾架上，共4 个喷嘴，以截割头悬臂轴为轴心均匀分布，外喷雾压力为3 MPa。网格模型划分完成后，使用Fluent 软件完成气体进出口的设定，在CFDPOST 软件中导入截割面产生的粉尘颗粒数据，最终得到掘进工作面风流场-粉尘场-雾滴场分布特征。掘进机外喷雾系统对抑制尘源的产尘量具有关键作用，外喷雾系统的喷雾压力对降尘效果影响最为显著，因此对不同喷雾压力条件下掘进工作面粉尘运移规律进行模拟分析，选取喷雾压力分别为3 MPa、5 MPa、8 MPa、10 MPa。掘进司机处粉尘浓度是重要研究对象，因此以掘进司机处粉尘浓度作为考量降尘效果的依据。该测点距迎头9 m，距巷道底板1.6 m，距掘进机一侧煤壁0.5 m，经过处理后得到不同喷雾压力条件下60 s 内掘进司机处粉尘浓度瞬态变化曲线如图2。

图2 不同喷雾压力条件下司机处粉尘浓度

由图2 可以看出，粉尘整体的运移规律相似，开始15 s 后粉尘弥散至测尘点，粉尘浓度达到峰值，之后粉尘浓度呈波动下降趋势。对比分析4 种喷雾压力下司机处粉尘浓度变化规律，喷雾压力为3 MPa 时，虽然司机处粉尘浓度峰值较小，但是其下降非常缓慢，60 s 时粉尘浓度仅下降38%，表明此时喷雾压力较小，捕捉粉尘的能力不足，降尘效果较差；喷雾压力为5 MPa 时，司机处粉尘浓度峰值较小，且约在50 s 之后粉尘浓度基本降至零，降尘效果良好；当喷雾压力为8 MPa、10 MPa 时，司机处粉尘的离散相浓度维持在较高值，表明此时喷雾速度过高，与截割面碰撞后部分雾滴将携带粉尘运移至巷道后方，不利于捕尘、降尘。总体而言，当外喷雾压力为5 MPa 时会取得良好的抑尘效果。

3.2 长压短抽式除尘系统参数研究

为探究长压短抽除尘系统相关参数对除尘效果的影响，采用上述模型进行研究。首先进行压风筒出风口位置的优化分析，抽风口与迎头距离Lx=5 m，压风筒出风口与迎头距离Ly分别为10 m、12 m、15 m、17 m、19 m、21 m，掘进机外喷雾系统压力为5 MPa，模拟研究得到司机处粉尘浓度随时间变化规律如图3。

由图3 可以看出，不同压风距离条件下，司机处粉尘浓度总体变化规律相似，45～55 s 期间第一次最高峰值，之后每间隔一段时间出现一次峰值，呈波动起伏下降趋势，主要差异为第一次达到峰值的时间、峰值的大小、后续峰值的频率。司机处整体粉尘浓度随Ly的增大呈升高-降低-升高。总体而言，压风筒出风口距迎头19 m 时，司机处粉尘浓度最高峰值较小，之后粉尘浓度降低明显，总体浓度最低，表明此时能起到较好的抑尘效果。采用上述方式对抽风筒位置进行优化分析，得到抽风口距迎头最佳距离为5.0 m。

图3 不同压风长度条件下司机处粉尘浓度

3.3 附壁式风筒参数优化研究

附壁风筒位置对掘进工作面除尘效果同样存在显著影响[3-4]。当压风筒距迎头19 m，抽风筒距迎头5 m，外喷雾压力5 MPa，仅改变附壁风筒的位置参数Lz，附壁风筒中部距迎头为23～28 m，每1.0 m 为一个梯度，同样整理得到掘进机司机处粉尘浓度的瞬态曲线。通过数据确定，当附壁风筒距迎头25 m 时，抑尘效果最佳。

4 现场应用效果分析

4.1 抽出式除尘机应用效果分析

宏大煤矿10-205 进风巷掘进期间采用掘进机内外喷雾+长压短抽+附壁风筒联合除尘技术，抽风筒配备HCN400/1 型号湿式除尘器，相关参数参照上文研究成果，采用GCD1000 型粉尘浓度传感器测量粉尘浓度。首先通过对比分析抽风机+除尘机关闭前后工作面粉尘浓度，验证长压短抽除尘系统的效果。测点布置在巷道回风侧综掘机后0 m、15 m、30 m 处，其中除尘效率为抽风机开启前后测点位置粉尘的差值百分比，整理得到结果如图4。

图4 抽出式除尘机开启前后粉尘浓度对比

由图4 可以看出，抽风机开启前，掘进机后0～30 m 粉尘浓度为155～415.1 mg/m3，整体粉尘浓度较高，远高于《煤矿安全规程》中的粉尘浓度规定。除尘器开启后，三个测点的除尘效率均大于90%。

4.2 全尘及呼尘测量对比结果分析

为进一步探查降尘效果，监测抽风筒吸风口、司机、综掘机转载处、除尘机出风口后20 m 及距迎头50 m 风流处全尘和呼吸性粉尘的浓度，计算各处的降尘效率，整理得到结果如图5。可以看出，掘进工作面粉尘中呼吸性粉尘的占比较高，除尘机吸风口处全尘除尘率达到98.41%，呼尘除尘率达到97.12%，说明吸风口可有效捕捉粉尘，长压短抽通风系统设计合理。掘进司机及其余各测点全尘及呼吸性粉尘降尘率均在90%以上，司机处、综掘机转载处、除尘机出风口后20 m 及巷道风流中粉尘浓度均维持在较低水平，除尘效果良好。

图5 全尘与呼尘浓度对比图

5 结论与建议

宏大煤矿掘进工作面采用内外喷雾+长压短抽+附壁风筒联合降尘技术，以10-205 进风巷掘进为背景，通过数值模拟研究分析对其参数进行优化，得到外喷雾系统最佳水压为5 MPa，压风筒距截割面最佳距离为19 m，除尘机吸风口距截割面最佳距离为5 m，附壁风筒距截割面最佳距离为25 m。10-205 进风巷掘进期间现场实测结果表明，掘进工作面各处除尘效率均保持在90%以上，作业区域全尘和呼尘浓度整体保持在较低水平，除尘效果显著。