李潔瑩

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

煤塵是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煤粉懸浮在井下巷道中，是礦井的主要災(zāi)害之一。煤塵的存在一方面嚴(yán)重污染井下工作環(huán)境，威脅工人的身心健康。生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵，特別是呼吸性粉塵對(duì)工人的健康有極大危害。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至2002年底，我國(guó)煤炭行業(yè)累計(jì)患?jí)m肺病人數(shù)達(dá)25萬(wàn)以上，該年度因塵肺病死亡人數(shù)是因事故死亡人數(shù)的兩倍［1，2］。另一方面我國(guó)煤礦具有煤塵爆炸性危害的礦井普遍存在，煤塵懸浮于巷道中的空氣里，遇到引火源容易導(dǎo)致煤塵爆炸。自2000年以來(lái)，全國(guó)發(fā)生特大煤塵爆炸事故有12起，造成782人死亡。在井下生產(chǎn)過(guò)程中每個(gè)作業(yè)過(guò)程基本上都會(huì)產(chǎn)生大量煤塵。例如：開(kāi)采、掘進(jìn)、皮帶運(yùn)煤、轉(zhuǎn)運(yùn)、支架挪移等均可產(chǎn)生大量煤塵，特別是綜采技術(shù)的廣泛運(yùn)用，礦井產(chǎn)煤量變大，使井下作業(yè)點(diǎn)的煤塵擴(kuò)散到空氣中，煤塵濃度達(dá)到很高，綜采放頂煤工作面煤塵濃度可達(dá)1 400mg/m3。高濃度的粉塵極易導(dǎo)致煤塵爆炸。為了減少煤塵，采取了煤塵注水、噴霧、除塵器除塵等技術(shù)手段。這些技術(shù)手段都有效地降低了井下煤塵濃度。本文主要分析煤礦井下綜采工作面和轉(zhuǎn)載點(diǎn)的煤塵產(chǎn)生機(jī)理，為設(shè)計(jì)降塵工藝提供理論依據(jù)。

1 煤礦井下煤塵來(lái)源

井下煤塵產(chǎn)生于：打眼、放炮、開(kāi)采、落煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)、和支架移架等。主要的塵源是工作面、掘進(jìn)工作面和轉(zhuǎn)載點(diǎn)。綜采工作面的煤塵主要是由割煤、運(yùn)煤、移架、放煤口放煤，工作面入口處煤的轉(zhuǎn)載產(chǎn)生的［3］。掘進(jìn)工作面粉塵主要是：煤巖破碎產(chǎn)生的粉塵，占采掘工作面粉塵的80%以上;煤塊坍塌后與地面碰撞，與擋煤板、運(yùn)輸溜子轉(zhuǎn)載摩擦破碎造成的粉塵;由于地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)致煤層錯(cuò)位、斷裂，導(dǎo)致局部煤塵粉碎，在采掘過(guò)程中塌落下來(lái)形成粉塵;放頂煤工作面的煤塵主要是移架和落煤時(shí)產(chǎn)生的煤塵。轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤塵主要是在煤從皮帶落到另一皮帶和煤倉(cāng)中產(chǎn)生的煤塵。另外，在錨噴作業(yè)打鉆過(guò)程中，從鉆孔中流出的煤粉隨風(fēng)擴(kuò)散，導(dǎo)致巷道粉塵濃度升高。

井下煤塵主要產(chǎn)生于采掘工作面和轉(zhuǎn)載點(diǎn)，研究主要作業(yè)點(diǎn)煤塵產(chǎn)生機(jī)理才能有效設(shè)計(jì)除塵工藝，提高除塵效率。

2 采掘工作面截割產(chǎn)塵機(jī)理

截齒割煤巖時(shí)，煤體與截齒的接觸點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)力增加，一直達(dá)到煤巖的應(yīng)力極限，這樣在接觸點(diǎn)煤巖破碎產(chǎn)生粉塵。煤體在接受應(yīng)力的過(guò)程中積累了大量彈性勢(shì)能，在應(yīng)力破壞的一霎那得到釋放，煤粉崩出。這個(gè)過(guò)程發(fā)生在很小區(qū)域內(nèi)，破碎顆粒相對(duì)較小。隨著截齒繼續(xù)前移，這部分破碎的煤再次遭到破碎，直到擠壓形成密實(shí)的壓固核，此時(shí)截齒的能量通過(guò)這個(gè)密實(shí)的核傳遞到周圍的煤巖。由于煤體本身存在紋理和大量的裂隙，隨著截割力的加大，某些部位的裂隙開(kāi)始發(fā)育，并且失穩(wěn)擴(kuò)散到更遠(yuǎn)的地方。在截齒的載荷達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋開(kāi)始失穩(wěn)擴(kuò)散，迅速達(dá)到自由面，同時(shí)釋放能量，使得碎塊沿截齒運(yùn)動(dòng)的方向崩出。壓實(shí)核也解除了束縛狀態(tài)，其積聚的彈性勢(shì)能突然釋放，使煤塵揚(yáng)起。

在截割煤巖過(guò)程中，大部分能量消耗在壓實(shí)核的形成上，當(dāng)截獲的塊度越大，消耗的機(jī)械功就越小，產(chǎn)塵量也就少。影響煤塵產(chǎn)生與采掘機(jī)械參數(shù)及煤巖的物理性質(zhì)有關(guān)。在采掘過(guò)程中煤巖越脆，機(jī)械強(qiáng)度越低，破碎性越強(qiáng)，產(chǎn)塵量就越大。并且硬度較低的煤，由于地質(zhì)運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生錯(cuò)位、斷裂。使得裂隙中存在原生煤塵，這部分煤塵在截割過(guò)程或是移架落煤過(guò)程會(huì)隨風(fēng)飛揚(yáng)，導(dǎo)致粉塵濃度增大。水分含量大的煤由于水分的存在，小粒度的煤粉吸附在大塊煤表面，不易隨風(fēng)揚(yáng)起。

3 轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤塵產(chǎn)生機(jī)理

3．1 轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤的運(yùn)動(dòng)狀況

皮帶運(yùn)煤過(guò)程中，在轉(zhuǎn)載點(diǎn)處產(chǎn)生大量煤塵。煤與皮帶保持相對(duì)靜止的狀態(tài)，與皮帶一起勻速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)轉(zhuǎn)載點(diǎn)時(shí)，由于煤流有一定水平初速度，在下落過(guò)程中受重力作用，煤流做類平拋運(yùn)動(dòng)。當(dāng)煤流下落至下一皮帶或者煤倉(cāng)時(shí)，煤流與皮帶或煤倉(cāng)發(fā)生撞擊，有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，煤流落到下層皮帶時(shí)，由于皮帶和煤之間存在著摩擦力，摩擦力對(duì)煤做功，使煤與皮帶一起向前運(yùn)動(dòng)。煤流在上下皮帶間下落時(shí)主要受重力和空氣阻力作用，空氣阻力的作用使得周圍空氣發(fā)生擾動(dòng)，造成煤中細(xì)小煤塵的懸浮，然后隨風(fēng)流揚(yáng)到巷道空間;另外，煤流與皮帶的碰撞，皮帶自身的彈力，將煤流彈起，細(xì)小煤塵拋起形成懸浮煤塵。這些細(xì)小煤塵懸浮于空氣中，如果不采取降塵措施，將長(zhǎng)期停留在巷道空間，造成巷道粉塵濃度超標(biāo)。

3．2 轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵的析出

在皮帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)，帶有細(xì)小煤塵的煤流在下落至煤倉(cāng)或底層皮帶時(shí)形成大量煤塵飛揚(yáng)，煤流下落過(guò)程中空氣阻力導(dǎo)致的氣流紊亂，使得吸附在大塊煤表面的煤粉卷吸脫離，擴(kuò)散到巷道空間，是主要塵源之一。轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的煤塵產(chǎn)生與空氣流動(dòng)有關(guān)，氣流導(dǎo)致煤塵擴(kuò)散。轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的氣流主要有皮帶牽引流、落煤誘導(dǎo)空氣流和剪切壓縮氣流，就是這些氣流的共同作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)載點(diǎn)處大量煤塵產(chǎn)生。

3．2．1 落煤誘導(dǎo)氣流及塵化作用

塊狀、顆粒狀物體在空氣中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，能帶動(dòng)周圍空氣隨其流動(dòng)，這部分因物體與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致空氣的流動(dòng)稱為誘導(dǎo)氣流。轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤流的下落，隨著重力的作用，速度越來(lái)越大，也會(huì)產(chǎn)生大量誘導(dǎo)氣流，這部分空氣稱為誘導(dǎo)空氣。誘導(dǎo)空氣促使大塊煤表面的細(xì)煤隨其流動(dòng)造成煤流的塵化。煤流下落過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)速度遵循自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，隨著下落煤流中的顆粒狀煤會(huì)由于速度差，導(dǎo)致相對(duì)運(yùn)動(dòng)而分離，破壞了原先的堆積結(jié)構(gòu)，這樣煤流就因此形成不連續(xù)、不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)［4］。并且空氣受到煤流的沖擊力和摩擦力作用，會(huì)隨煤流一起運(yùn)動(dòng)，顆粒的側(cè)面和后部的空氣壓力降低，造成周圍空氣被拽引，至煤粒表層和煤流中，并隨煤流進(jìn)入密閉罩中。

3．2．2 皮帶牽引流及其塵化作用

皮帶在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)皮帶兩側(cè)的氣流在其運(yùn)動(dòng)作用下會(huì)隨著煤流運(yùn)動(dòng)形成牽引風(fēng)流。由于空氣黏滯力的存在，煤流與牽引風(fēng)流存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，吸附在煤塊表面上的煤粉在摩擦力作用下，與煤表面分離，在皮帶上方形成一定量粉塵。特別是在皮帶機(jī)頭和機(jī)尾處由于離心力作用，使該處牽引風(fēng)流速度最大，攜帶的煤塵量也大，因此，此處煤塵濃度最大。

3．2．3 剪切壓縮氣流及其塵化作用

煤下落到下層皮帶進(jìn)行轉(zhuǎn)載時(shí)，在下落過(guò)程的滾動(dòng)、跳動(dòng)，致使煤粒變的松散，內(nèi)部會(huì)存在空氣。在煤流下落撞擊下層皮帶時(shí)，松散的煤流受到下層皮帶的擠壓作用，壓縮堆積，此時(shí)煤流中夾帶的空氣會(huì)被擠壓出來(lái)，形成四周向上的剪切氣流，這些氣流向外高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于氣流對(duì)粉塵的剪切壓縮作用，帶動(dòng)細(xì)小煤塵逸出。

3．2．4 綜合塵化作用

皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸?shù)拿簭母咛幭侣鋾r(shí)，由于氣流和煤塵的剪切作用，被煤流擠壓出來(lái)的高速氣流會(huì)攜帶煤塵向四周飛濺。此外煤在下落時(shí)，由于剪切和誘導(dǎo)氣流的綜合作用，高速氣流會(huì)使部分煤塵飛揚(yáng)。加之煤塊之間也存在碰撞，碰撞導(dǎo)致的震動(dòng)也會(huì)使吸附在煤表面的煤粉剝離，并隨剪切和誘導(dǎo)氣流一起運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

通過(guò)分析井下煤塵主要產(chǎn)塵點(diǎn)的煤塵產(chǎn)生機(jī)理，可知采掘工作面的煤塵主要是與截割方法、速度、割煤深度、煤的破碎程度、原生煤塵含量、工作面風(fēng)流大小、煤巖硬度和濕度有關(guān)。目前，除塵多使用水霧和泡沫，要有效地防治煤塵擴(kuò)散，必須使粉塵擴(kuò)散的初期得到抑制，即在煤塵變成懸浮狀態(tài)前將水霧或泡沫噴灑在產(chǎn)塵位置。噴頭噴出的水霧或泡沫可覆蓋塵源附近可能向外擴(kuò)散煤塵的區(qū)域。因此，也要考慮水霧和泡沫對(duì)煤塵的捕捉吸附及噴頭的流量、位置、噴頭的幾何形狀等。轉(zhuǎn)載點(diǎn)的煤塵主要是受誘導(dǎo)氣流、牽引流和剪切氣流影響導(dǎo)致煤塵逸出。轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤塵治理主要是密閉點(diǎn)源、減少落差、減少風(fēng)流紊亂、噴霧灑水、減小皮帶運(yùn)輸速度、使用泡沫降塵等。

［1］ 李華煒．煤礦呼吸性粉塵及其綜合控制［J］．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15(7)：68－69．

［2］ 辛廠龍，王鐵根．我國(guó)煤礦塵肺病現(xiàn)狀和對(duì)策［J］．中國(guó)煤炭，2005，31(2)：62－64．

［3］ 張 維．綜放工作面粉塵產(chǎn)生及分布規(guī)律研究［J］．華北礦業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2000，2(1)：3－6．

［4］ 王曉峰，陳彩云．轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵析出機(jī)理及綜合治理［J］．煤炭技術(shù)，2007，27(1)：124－125．