宋振国

（同煤集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

1 工程概况

晋华宫煤矿为高瓦斯矿井，其矿井绝对瓦斯涌出量为47.31m3/min。该矿11#煤层结构简单，赋存稳定，平均厚度3.3m，平均倾角3°，为近水平中厚煤层，煤尘具有爆炸性。目前该矿使用EBZ260型综掘机进行8709工作面回风顺槽的掘进作业，采用局部通风机压入式通风。8709工作面回风顺槽设计净断面17.5m2，巷道宽5m，高3.5m，支护形式为锚网索支护。现场掘进迎头粉尘浓度达800mg/m3，严重危害工人身心健康，并且遮挡视线，须优化降尘措施，改善掘进工作面作业环境。

2 掘进工作面长压短抽风筒布置参数研究

2.1 模型建立

以晋华宫矿8709回风顺槽综掘工作面为研究对象，并借鉴类似综掘面压入式通风风筒的布置经验[1]，通过ANYSY软件建立8709回风顺槽综掘工作面压入式通风系统模型，来研究压入式通风系统中风筒的最优布置高度。本次模拟基于欧拉-拉格朗日法，利用拉格朗日法对离散相粉尘颗粒运移进行解算。掘进迎头中各种气体均为各向同性的均匀湍流，故选用k-ɛ双方程模型作为本次湍流模型的计算标准。考虑本次模拟形状较规则，选取hex六面体网格，最终确定网格间距为0.2m。数值模拟过程中简化掘进工作面为长方体，在掘进迎头处设置一台掘进机，同样简化为长方体，压入式通风所采用的风筒直径0.8m，出风口距掘进迎头8m，风筒风速10m/s。所建模型为50×5×3.5的长方体，其模型如图1所示。

2.2 压风筒高度对粉尘分布的影响

不同压风筒高度所产生的风流场不同，所产生降尘效果也不同，因此需要确定降尘效果最佳的压风筒布置高度。现对不同压风筒布置高度下的压入式通风系统进行模拟，模拟所得压风筒距巷道底板0.5m、1m、1.5m、2m、2.3m、2.5m、3m时巷道内粉尘浓度分布云图如图2所示。

图1 8709回风顺槽综掘工作面数值模拟模型图

图2 不同压风筒高度下巷道内粉尘浓度分布云图

由图2发现，随着压风筒距巷道底板高度的不断增加，掘进迎头的粉尘浓度先逐渐升高，在压风筒距巷道底板2.0m时达到最高峰后迅速下降；综掘机后方粉尘浓度先逐渐减小，在压风筒距巷道底板2.3m时粉尘浓度最低，后又逐渐升高。图中当压风筒距巷道底板2.3m和2.5m时，综掘机右侧深色区域范围较大，即综掘机司机位置处的粉尘浓度极低，这种情况下综掘机司机作业环境优良。经上述分析，压风筒距巷道底板2.3m时，掘进巷道内粉尘浓度最低。

2.3 抽风筒高度对粉尘分布的影响[2]

单纯的压入式通风系统的降尘效果并不能满足8709回风顺槽的正常掘进作业，因此考虑使用长压短抽的通风系统来代替原单纯的压入式通风系统。现模拟长压短抽通风系统下，抽风筒距巷道底板不同高度时巷道内粉尘浓度分布规律，得出抽风筒的最优布置高度。压风筒的布置参数应用上节确定的最优参数，抽风筒距掘进迎头5m。本次模拟8709回风顺槽掘进工作面长压短抽通风系统所选算法及各种参数与上节模拟一致。模拟所得抽风筒距巷道底板0.6m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m时巷道内粉尘浓度分布云图如图3所示。

图3 不同抽风筒高度下巷道内粉尘浓度分布云图

通过对比图2和图3发现，长压短抽通风系统巷道内粉尘浓度分布云图中的深色面积远大于压入式通风系统巷道内粉尘浓度分布云图中的深色部分，说明长压短抽通风系统的降尘效果明显优于单纯的压入式通风系统。观察图3发现，随着抽风筒距巷道底板高度的不断增加，掘进迎头的粉尘浓度先逐渐升高，在压风筒距巷道底板2.0m时达到最高峰后迅速下降，并且迎头压风侧粉尘浓度明显低于抽风侧粉尘浓度，这是由于综掘机阻挡风流在综掘机前方形成涡流区所致；掘进机后方粉尘浓度随抽风筒距巷道底板高度的增加逐渐增加，但是可以观察出抽风筒距巷道底板2.5m时，综掘机司机位置粉尘浓度最低。因此综合考虑后确定抽风筒距巷道底板高度2.5m为最佳。

当压风筒布置高度为距巷道底板2.3m，抽风筒布置高度为距巷道底板2.5m时，综掘工作面迎头长压短抽通风系统的降尘效果最优。

3 综合降尘措施

3.1 湿润剂喷雾系统的应用[3-4]

掘进所产生的粉尘中，存在部分疏水性粉尘，使得普通的矿井水喷雾系统不能充分捕捉掘进所产生的粉尘，因此相同条件下，喷雾降尘系统中雾滴的湿润性对降尘的效率会产生较大的影响。现通过将喷雾系统中普通的矿井水更换为具有湿润性的湿润剂来提高喷雾系统的降尘效率。

由于掘进作业空间有限并且较为封闭，因此必须选用无毒无臭的湿润剂来保证工人的身心健康。为了便于湿润剂的运输，需要确保所选试剂无腐蚀性并且耐低温。为了保证湿润剂在喷雾降尘系统中的使用效果，需确保所选试剂在矿井水中有良好的溶解性。在借鉴其他经验及类似工况下湿润剂的选用后，最终确定应用于综掘机喷雾系统中的湿润剂配方为：1t湿润剂中含0.5kg烷基糖苷、0.5kg快速渗透剂T及1kg的硅酸钠，其中硅酸钠为保水剂及湿润增效剂，烷基糖苷和快速渗透剂T为表面活性剂。

3.2 长压短抽的通风系统

在8709回风顺槽综掘工作面内应用上文模拟后产生优良降尘效果的长压短抽通风系统。该系统选用直径为0.8m的柔性风筒，布置参数为上文模拟所得。压风筒位于巷道右壁面，出风口距掘进迎头8m，距巷道底板2.3m；抽风筒安装在掘进机截割头后方，位于巷道中部，距掘进迎头2m并且该距离保持不变，使掘进产生的粉尘始终在抽风筒的有效吸尘范围内。抽风筒距巷道底板2.5m，抽风筒随综掘机移动，不仅减少了工人的劳动量而且提高了作业效率。长压短抽通风系统使综掘工作面迎头降尘效果最优。

由于掘进迎头各种设备多且复杂，作业空间有限并且较为封闭，因此为了协调掘进作业各项工序并使各个系统高效工作，最终确定8709回风顺槽综掘工作面的降尘系统为长压短抽及湿润剂喷雾联合降尘系统，如图4所示。

图4 长压短抽、湿润剂喷雾联合降尘系统

3.3 联合降尘系统应用效果分析

本次在8709回风顺槽综掘工作面迎头距巷道底板1.5m处综掘机司机位置处布置粉尘浓度测点，对单纯的压入式通风、喷雾降尘、湿润剂降尘、长压短抽通风系统降尘及联合降尘系统下的粉尘浓度进行测量后进行对比分析，测量结果如表1。

表1 不同降尘条件下综掘机司机处粉尘浓度测量结果

观察表1可发现，8709回风顺槽掘进迎头采用原压入式通风系统时，粉尘的全尘浓度和呼尘浓度高达1138.7mg/m3和536.9mg/m3。使用湿润剂代替普通矿井水应用于喷雾系统后，全尘和呼尘的降尘率分别为58.5%、54.7%，说明湿润剂的添加取得了明显的效果，使部分疏水性粉尘得到了湿润沉降；应用长压短抽通风系统后，全尘和呼尘的降尘率分别为39.6%、43.1%；在使用长压短抽、湿润剂喷雾联合降尘系统后，全尘和呼尘降尘率高达74.9%、78.1%，降尘效果良好。

4 结论

通过ANYSY软件建立8709回风顺槽综掘工作面压入式通风系统及长压短抽通风系统模型，研究压风筒和抽风筒的最优布置高度。模拟结果显示，当压风筒布置高度为距巷道底板2.3m，抽风筒布置高度为距巷道底板2.5m时，综掘工作面迎头长压短抽通风系统的降尘效果最优。通过现场粉尘浓度实测发现，应用长压短抽、湿润剂喷雾联合降尘系统后，综掘机司机处全尘及呼尘浓度下降至286.3mg/m3和113.3mg/m3，较之前单纯的压入式通风取得了明显的降尘效果。