宋振國(guó)

（同煤集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016）

1 工程概況

晉華宮煤礦為高瓦斯礦井，其礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為47.31m3/min。該礦11#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，賦存穩(wěn)定，平均厚度3.3m，平均傾角3°，為近水平中厚煤層，煤塵具有爆炸性。目前該礦使用EBZ260型綜掘機(jī)進(jìn)行8709工作面回風(fēng)順槽的掘進(jìn)作業(yè)，采用局部通風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)。8709工作面回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)凈斷面17.5m2，巷道寬5m，高3.5m，支護(hù)形式為錨網(wǎng)索支護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)迎頭粉塵濃度達(dá)800mg/m3，嚴(yán)重危害工人身心健康，并且遮擋視線，須優(yōu)化降塵措施，改善掘進(jìn)工作面作業(yè)環(huán)境。

2 掘進(jìn)工作面長(zhǎng)壓短抽風(fēng)筒布置參數(shù)研究

2.1 模型建立

以晉華宮礦8709回風(fēng)順槽綜掘工作面為研究對(duì)象，并借鑒類似綜掘面壓入式通風(fēng)風(fēng)筒的布置經(jīng)驗(yàn)[1]，通過(guò)ANYSY軟件建立8709回風(fēng)順槽綜掘工作面壓入式通風(fēng)系統(tǒng)模型，來(lái)研究壓入式通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)筒的最優(yōu)布置高度。本次模擬基于歐拉-拉格朗日法，利用拉格朗日法對(duì)離散相粉塵顆粒運(yùn)移進(jìn)行解算。掘進(jìn)迎頭中各種氣體均為各向同性的均勻湍流，故選用k-?雙方程模型作為本次湍流模型的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)?？紤]本次模擬形狀較規(guī)則，選取hex六面體網(wǎng)格，最終確定網(wǎng)格間距為0.2m。數(shù)值模擬過(guò)程中簡(jiǎn)化掘進(jìn)工作面為長(zhǎng)方體，在掘進(jìn)迎頭處設(shè)置一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)，同樣簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，壓入式通風(fēng)所采用的風(fēng)筒直徑0.8m，出風(fēng)口距掘進(jìn)迎頭8m，風(fēng)筒風(fēng)速10m/s。所建模型為50×5×3.5的長(zhǎng)方體，其模型如圖1所示。

2.2 壓風(fēng)筒高度對(duì)粉塵分布的影響

不同壓風(fēng)筒高度所產(chǎn)生的風(fēng)流場(chǎng)不同，所產(chǎn)生降塵效果也不同，因此需要確定降塵效果最佳的壓風(fēng)筒布置高度?，F(xiàn)對(duì)不同壓風(fēng)筒布置高度下的壓入式通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，模擬所得壓風(fēng)筒距巷道底板0.5m、1m、1.5m、2m、2.3m、2.5m、3m時(shí)巷道內(nèi)粉塵濃度分布云圖如圖2所示。

圖1 8709回風(fēng)順槽綜掘工作面數(shù)值模擬模型圖

圖2 不同壓風(fēng)筒高度下巷道內(nèi)粉塵濃度分布云圖

由圖2發(fā)現(xiàn)，隨著壓風(fēng)筒距巷道底板高度的不斷增加，掘進(jìn)迎頭的粉塵濃度先逐漸升高，在壓風(fēng)筒距巷道底板2.0m時(shí)達(dá)到最高峰后迅速下降；綜掘機(jī)后方粉塵濃度先逐漸減小，在壓風(fēng)筒距巷道底板2.3m時(shí)粉塵濃度最低，后又逐漸升高。圖中當(dāng)壓風(fēng)筒距巷道底板2.3m和2.5m時(shí)，綜掘機(jī)右側(cè)深色區(qū)域范圍較大，即綜掘機(jī)司機(jī)位置處的粉塵濃度極低，這種情況下綜掘機(jī)司機(jī)作業(yè)環(huán)境優(yōu)良。經(jīng)上述分析，壓風(fēng)筒距巷道底板2.3m時(shí)，掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵濃度最低。

2.3 抽風(fēng)筒高度對(duì)粉塵分布的影響[2]

單純的壓入式通風(fēng)系統(tǒng)的降塵效果并不能滿足8709回風(fēng)順槽的正常掘進(jìn)作業(yè)，因此考慮使用長(zhǎng)壓短抽的通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)代替原單純的壓入式通風(fēng)系統(tǒng)?，F(xiàn)模擬長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)下，抽風(fēng)筒距巷道底板不同高度時(shí)巷道內(nèi)粉塵濃度分布規(guī)律，得出抽風(fēng)筒的最優(yōu)布置高度。壓風(fēng)筒的布置參數(shù)應(yīng)用上節(jié)確定的最優(yōu)參數(shù)，抽風(fēng)筒距掘進(jìn)迎頭5m。本次模擬8709回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)所選算法及各種參數(shù)與上節(jié)模擬一致。模擬所得抽風(fēng)筒距巷道底板0.6m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m時(shí)巷道內(nèi)粉塵濃度分布云圖如圖3所示。

圖3 不同抽風(fēng)筒高度下巷道內(nèi)粉塵濃度分布云圖

通過(guò)對(duì)比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)巷道內(nèi)粉塵濃度分布云圖中的深色面積遠(yuǎn)大于壓入式通風(fēng)系統(tǒng)巷道內(nèi)粉塵濃度分布云圖中的深色部分，說(shuō)明長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)的降塵效果明顯優(yōu)于單純的壓入式通風(fēng)系統(tǒng)。觀察圖3發(fā)現(xiàn)，隨著抽風(fēng)筒距巷道底板高度的不斷增加，掘進(jìn)迎頭的粉塵濃度先逐漸升高，在壓風(fēng)筒距巷道底板2.0m時(shí)達(dá)到最高峰后迅速下降，并且迎頭壓風(fēng)側(cè)粉塵濃度明顯低于抽風(fēng)側(cè)粉塵濃度，這是由于綜掘機(jī)阻擋風(fēng)流在綜掘機(jī)前方形成渦流區(qū)所致；掘進(jìn)機(jī)后方粉塵濃度隨抽風(fēng)筒距巷道底板高度的增加逐漸增加，但是可以觀察出抽風(fēng)筒距巷道底板2.5m時(shí)，綜掘機(jī)司機(jī)位置粉塵濃度最低。因此綜合考慮后確定抽風(fēng)筒距巷道底板高度2.5m為最佳。

當(dāng)壓風(fēng)筒布置高度為距巷道底板2.3m，抽風(fēng)筒布置高度為距巷道底板2.5m時(shí)，綜掘工作面迎頭長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)的降塵效果最優(yōu)。

3 綜合降塵措施

3.1 濕潤(rùn)劑噴霧系統(tǒng)的應(yīng)用[3-4]

掘進(jìn)所產(chǎn)生的粉塵中，存在部分疏水性粉塵，使得普通的礦井水噴霧系統(tǒng)不能充分捕捉掘進(jìn)所產(chǎn)生的粉塵，因此相同條件下，噴霧降塵系統(tǒng)中霧滴的濕潤(rùn)性對(duì)降塵的效率會(huì)產(chǎn)生較大的影響?，F(xiàn)通過(guò)將噴霧系統(tǒng)中普通的礦井水更換為具有濕潤(rùn)性的濕潤(rùn)劑來(lái)提高噴霧系統(tǒng)的降塵效率。

由于掘進(jìn)作業(yè)空間有限并且較為封閉，因此必須選用無(wú)毒無(wú)臭的濕潤(rùn)劑來(lái)保證工人的身心健康。為了便于濕潤(rùn)劑的運(yùn)輸，需要確保所選試劑無(wú)腐蝕性并且耐低溫。為了保證濕潤(rùn)劑在噴霧降塵系統(tǒng)中的使用效果，需確保所選試劑在礦井水中有良好的溶解性。在借鑒其他經(jīng)驗(yàn)及類似工況下濕潤(rùn)劑的選用后，最終確定應(yīng)用于綜掘機(jī)噴霧系統(tǒng)中的濕潤(rùn)劑配方為：1t濕潤(rùn)劑中含0.5kg烷基糖苷、0.5kg快速滲透劑T及1kg的硅酸鈉，其中硅酸鈉為保水劑及濕潤(rùn)增效劑，烷基糖苷和快速滲透劑T為表面活性劑。

3.2 長(zhǎng)壓短抽的通風(fēng)系統(tǒng)

在8709回風(fēng)順槽綜掘工作面內(nèi)應(yīng)用上文模擬后產(chǎn)生優(yōu)良降塵效果的長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用直徑為0.8m的柔性風(fēng)筒，布置參數(shù)為上文模擬所得。壓風(fēng)筒位于巷道右壁面，出風(fēng)口距掘進(jìn)迎頭8m，距巷道底板2.3m；抽風(fēng)筒安裝在掘進(jìn)機(jī)截割頭后方，位于巷道中部，距掘進(jìn)迎頭2m并且該距離保持不變，使掘進(jìn)產(chǎn)生的粉塵始終在抽風(fēng)筒的有效吸塵范圍內(nèi)。抽風(fēng)筒距巷道底板2.5m，抽風(fēng)筒隨綜掘機(jī)移動(dòng)，不僅減少了工人的勞動(dòng)量而且提高了作業(yè)效率。長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)使綜掘工作面迎頭降塵效果最優(yōu)。

由于掘進(jìn)迎頭各種設(shè)備多且復(fù)雜，作業(yè)空間有限并且較為封閉，因此為了協(xié)調(diào)掘進(jìn)作業(yè)各項(xiàng)工序并使各個(gè)系統(tǒng)高效工作，最終確定8709回風(fēng)順槽綜掘工作面的降塵系統(tǒng)為長(zhǎng)壓短抽及濕潤(rùn)劑噴霧聯(lián)合降塵系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)壓短抽、濕潤(rùn)劑噴霧聯(lián)合降塵系統(tǒng)

3.3 聯(lián)合降塵系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

本次在8709回風(fēng)順槽綜掘工作面迎頭距巷道底板1.5m處綜掘機(jī)司機(jī)位置處布置粉塵濃度測(cè)點(diǎn)，對(duì)單純的壓入式通風(fēng)、噴霧降塵、濕潤(rùn)劑降塵、長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)降塵及聯(lián)合降塵系統(tǒng)下的粉塵濃度進(jìn)行測(cè)量后進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)量結(jié)果如表1。

表1 不同降塵條件下綜掘機(jī)司機(jī)處粉塵濃度測(cè)量結(jié)果

觀察表1可發(fā)現(xiàn)，8709回風(fēng)順槽掘進(jìn)迎頭采用原壓入式通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，粉塵的全塵濃度和呼塵濃度高達(dá)1138.7mg/m3和536.9mg/m3。使用濕潤(rùn)劑代替普通礦井水應(yīng)用于噴霧系統(tǒng)后，全塵和呼塵的降塵率分別為58.5%、54.7%，說(shuō)明濕潤(rùn)劑的添加取得了明顯的效果，使部分疏水性粉塵得到了濕潤(rùn)沉降；應(yīng)用長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)后，全塵和呼塵的降塵率分別為39.6%、43.1%；在使用長(zhǎng)壓短抽、濕潤(rùn)劑噴霧聯(lián)合降塵系統(tǒng)后，全塵和呼塵降塵率高達(dá)74.9%、78.1%，降塵效果良好。

4 結(jié)論

通過(guò)ANYSY軟件建立8709回風(fēng)順槽綜掘工作面壓入式通風(fēng)系統(tǒng)及長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)模型，研究壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒的最優(yōu)布置高度。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)壓風(fēng)筒布置高度為距巷道底板2.3m，抽風(fēng)筒布置高度為距巷道底板2.5m時(shí)，綜掘工作面迎頭長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)的降塵效果最優(yōu)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用長(zhǎng)壓短抽、濕潤(rùn)劑噴霧聯(lián)合降塵系統(tǒng)后，綜掘機(jī)司機(jī)處全塵及呼塵濃度下降至286.3mg/m3和113.3mg/m3，較之前單純的壓入式通風(fēng)取得了明顯的降塵效果。