左冬元

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司店坪煤礦，山西 呂梁 033100)

1 大采高綜采工藝發(fā)展現(xiàn)狀

大采高綜采工藝從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展，但初期的應(yīng)用水平不高，后因煤礦科技的發(fā)展而變得成熟[1-2]。綜采設(shè)備與液壓支架的大量使用，也使得大采高綜采工藝的發(fā)展速度越來越快，但從現(xiàn)狀與實(shí)際應(yīng)用兩方面來說，這類工藝的具體適用條件較為復(fù)雜，且極易與放頂煤綜采工藝發(fā)生混淆，以致其在實(shí)際應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生不合理與不科學(xué)的現(xiàn)象，應(yīng)用時(shí)的生產(chǎn)效能也會(huì)因此受到極大影響，其適用條件包括如下三點(diǎn)：

1) 煤層整體厚度大、厚度變化小且發(fā)育相對(duì)穩(wěn)定，煤層的最大厚度不應(yīng)高于6 cm，且實(shí)際平均厚度應(yīng)保持在4 m～5 m最佳。

2) 煤層頂?shù)装寰哂休^強(qiáng)的穩(wěn)定性，且強(qiáng)度在能滿足實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度要求與支撐大采高支架為宜，同時(shí)，頂板應(yīng)有適當(dāng)強(qiáng)度，不應(yīng)隨采隨冒，以避免發(fā)生工作面冒頂?shù)那闆r。

3) 煤層具有足夠強(qiáng)度，且無裂隙發(fā)育現(xiàn)象，這樣的煤層隨著實(shí)際采高的增加，其工作面片幫事故發(fā)生率不會(huì)過高。

2 大采高綜采工作面主要產(chǎn)塵源

大采高綜采工作面的主要產(chǎn)塵源有6種，包括采煤機(jī)的切割、進(jìn)風(fēng)流的污染、周期性移架、工作面片幫和頂?shù)装迕奥浜瓦\(yùn)輸機(jī)的轉(zhuǎn)載以及載運(yùn)。而采煤機(jī)作業(yè)是其中最主要的產(chǎn)塵工序，產(chǎn)塵量位居第二位的是工作面移架，雖然其發(fā)生的時(shí)間較短，但由于其隨采煤機(jī)的推進(jìn)而進(jìn)行，具有周期性，因此產(chǎn)塵量也較大[3-5]。

2.1 采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵

以滾筒采煤機(jī)為例，割煤時(shí)粉塵的形成原因有：

1) 采煤機(jī)滾筒在旋轉(zhuǎn)采煤過程中，其截齒截煤以及割煤的速度較穩(wěn)定，但由于截齒向前運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)煤層產(chǎn)生擠壓作用，使其產(chǎn)生拉力以及應(yīng)變力，同時(shí)，由于在截齒刀尖前的煤被壓成壓固核，壓固核會(huì)在接觸應(yīng)力過大時(shí)破碎從而產(chǎn)生煤塵，而壓固核越大的煤層，其形成的粉塵也越多。

2) 滾筒采煤機(jī)的截齒會(huì)對(duì)煤層產(chǎn)生一定的沖擊，而在切割后被滾筒所拋出的煤，由于相互碰撞以及滾筒采煤機(jī)中的螺旋葉片在裝煤時(shí)所造成的二次破碎，所產(chǎn)生的煤塵也較多。除此之外，煤體或煤塊在滾筒采煤機(jī)內(nèi)通常會(huì)受到強(qiáng)烈的震動(dòng)，極易使煤塊中的裂縫與間隙增加、擴(kuò)大，使其變?yōu)楦〉拿簤K，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生煤塵。

3) 滾筒采煤機(jī)在經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，其上的截齒會(huì)出現(xiàn)較大的磨損，如不及時(shí)更換，在截煤時(shí)截齒將無法起到切割作用，轉(zhuǎn)而對(duì)煤體產(chǎn)生研磨作用，因此產(chǎn)生大量的細(xì)微粉塵。

2.2 液壓支架移架時(shí)產(chǎn)生的粉塵

液壓支架在移架時(shí)，所產(chǎn)生的粉塵也較多。

1) 液壓支架在進(jìn)行降柱作業(yè)時(shí)，頂梁脫離頂板的瞬間會(huì)掉落大量碎矸并產(chǎn)生粉塵，而這些粉塵將有大部分會(huì)進(jìn)入風(fēng)流。

2) 液壓支架在隨采煤機(jī)開采情況而向前移動(dòng)時(shí)，頂板發(fā)生冒落或碎矸移動(dòng)時(shí)，也會(huì)在液壓支架后部產(chǎn)生大量的揚(yáng)塵。

3) 液壓支架在先前移動(dòng)的過程中，其頂梁以及掩護(hù)梁上的碎矸有時(shí)會(huì)從液壓支架之間的縫隙中掉落，其中的粉塵因此進(jìn)入風(fēng)流，從而對(duì)工作面的風(fēng)流產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。

3 大采高綜采工作面產(chǎn)塵機(jī)理分析

在采煤機(jī)采煤的過程中，煤體所受的壓力以及切割使其被擠壓發(fā)生變形，其煤層結(jié)構(gòu)也由此受到破壞，而采煤之后的裝載、卸載和儲(chǔ)運(yùn)過程中所產(chǎn)生的強(qiáng)烈震動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生大量的漂浮性粉塵。同時(shí)，即便是在同一礦井與生產(chǎn)工序中，由于工作面布置方式與地質(zhì)條件、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置等外界因素的影響，在不同時(shí)間以及地點(diǎn)所產(chǎn)出的灰塵數(shù)量也會(huì)隨之變化，圖1是大采高綜采工作面粉塵的來源圖，其粉塵的產(chǎn)生機(jī)理主要有以下6種形式。

圖1 大采高綜采工作面粉塵來源圖

3.1 生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)工藝對(duì)于粉塵數(shù)量來說是較重要的影響因素之一，在多源漏風(fēng)的條件下，割煤、支架移動(dòng)以及攉煤的工序會(huì)在開采工作面產(chǎn)生大量的積塵與浮塵。

采煤機(jī)割煤是最主要的產(chǎn)塵工藝。采煤機(jī)割煤時(shí)所產(chǎn)生的粉塵濃度不定，隨割煤速度以及采煤機(jī)的位置而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化。

3.2 煤體結(jié)構(gòu)被破壞

煤體結(jié)構(gòu)的破壞和粉塵的產(chǎn)生都與煤體自身結(jié)構(gòu)和煤塊在運(yùn)輸過程中所受到的震動(dòng)有關(guān)。

3.3 各轉(zhuǎn)載點(diǎn)處由于誘導(dǎo)氣流的作用而產(chǎn)生的懸浮性粉塵

由于誘導(dǎo)氣流以及皮帶機(jī)牽引力的影響，皮帶機(jī)卸料處以及轉(zhuǎn)載點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，同時(shí)，由于物料轉(zhuǎn)載時(shí)所產(chǎn)生的紊亂空氣流較強(qiáng)，極易使得煤塊上被吸附的細(xì)小粉塵被激起并在巷道內(nèi)懸浮。

3.4 通風(fēng)進(jìn)入的粉塵

采煤機(jī)在采煤時(shí)，其切割頭旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的力能使煤體破碎，煤塊也會(huì)因此落下，而在風(fēng)流的壓力作用下，部分粉塵會(huì)因此被帶入，以懸浮狀態(tài)存在于風(fēng)流中，并隨風(fēng)流方向而擴(kuò)散。

3.5 運(yùn)輸性粉塵

被開采煤層在受到震動(dòng)以及漏風(fēng)作用的影響后，煤體出現(xiàn)破碎從而產(chǎn)生粉塵，而在煤塊運(yùn)輸過程中煤體常出現(xiàn)二次破碎現(xiàn)象，這種現(xiàn)象使得作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵量大幅增加，約占工作面總產(chǎn)量的十分之一。

4 大采高綜采工作面粉塵質(zhì)量濃度分布特征

以采煤工作面的主要生產(chǎn)工藝特點(diǎn)為根據(jù)，分別在四處地點(diǎn)布置了測(cè)點(diǎn)以測(cè)量粉塵質(zhì)量濃度，包括采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m處、采煤機(jī)司機(jī)處以及移架司機(jī)處和工作面回風(fēng)巷超前10 m～15 m處。而在測(cè)量方法方面，選用的是濾膜質(zhì)量測(cè)塵法，主要通過計(jì)算采樣前、后采氣量與濾膜質(zhì)量差的比值，以此來得到粉塵質(zhì)量濃度。對(duì)于粉塵采樣儀器的選用，大采高綜采通常選用 AKFC-92A型礦用粉塵采樣器，因?yàn)檫@種粉塵采樣器操作較為簡(jiǎn)便，且能將呼吸性粉塵和非呼吸性粉塵相分離，之后，再通過濾膜以及采樣、稱重與計(jì)算等測(cè)試步驟來測(cè)定粉塵質(zhì)量濃度，以此來確定4個(gè)測(cè)點(diǎn)處的粉塵粒徑以及粉塵質(zhì)量濃度，表1為某地煤礦采煤工作粉塵質(zhì)量濃度測(cè)定結(jié)果，第155頁(yè)圖2為某煤礦各測(cè)點(diǎn)粉塵粒徑分布圖。

表1 采煤工作粉塵質(zhì)量濃度測(cè)定結(jié)果

大采高綜采工作面粉塵的產(chǎn)生主要有兩個(gè)來源：液壓支架移架工序和采煤機(jī)割煤工序。從表1的數(shù)據(jù)來看，移架工序所產(chǎn)生的粉塵質(zhì)量濃度最高，其次是采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m處。由于產(chǎn)塵機(jī)理的差異，呼吸性粉塵在移架工序所產(chǎn)生的粉塵中所占比例為47.27%，與采煤機(jī)產(chǎn)塵相比，其中呼吸性粉塵所占的比例較高?？偟膩碚f，粉塵質(zhì)量濃度較高的地方也是靠近主要塵源的地方，該地呼吸性粉塵的濃度也較高，而在遠(yuǎn)離主要塵源的地方，粉塵大多依靠風(fēng)流擴(kuò)散，依風(fēng)流的強(qiáng)弱而發(fā)生不同程度的粉塵沉降作用。在采煤機(jī)司機(jī)處，粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)一步下降，但依然高于國(guó)家所規(guī)定的呼吸性粉塵質(zhì)量濃度限值。

5 大采高綜采工作面粉塵分散度分布特征

粉塵分散度對(duì)于衡量粉塵的顆粒大小與組成結(jié)構(gòu)非常重要，是大采高綜采工作面粉塵分布的重要指標(biāo)之一，而粉塵的大小、組成對(duì)粉塵的化學(xué)、物理性質(zhì)影響極大，因此，大采高綜采工作面粉塵分散度分布的研究重點(diǎn)主要是粉塵的分散度。對(duì)粉塵分散度的研究主要通過數(shù)據(jù)采集、分析完成，通常會(huì)在采煤工作面布置4個(gè)粉塵收集點(diǎn)，包括采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)綜采架、采煤面行人巷以及采煤面工人口罩濾棉和輸送帶架處。測(cè)定儀器選擇HYL-2076 型激光粒度分布儀，在測(cè)量時(shí)需注意要使用純凈水為介質(zhì)，將粉塵樣品倒入循環(huán)樣品池，在進(jìn)行智能測(cè)量前還需設(shè)置測(cè)量結(jié)果輸出格式。

統(tǒng)計(jì)前需根據(jù)工礦企業(yè)粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，同時(shí)以測(cè)試結(jié)果為根據(jù)，來統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)的粒徑分布，以此來獲得各級(jí)粉塵的分散度，表2為某煤礦工作面粉塵分散度。

表2 工作面粉塵分散度

6 降塵除塵措施

大采高綜采的工作面粉塵分布總體來說較多，因此防塵降塵措施至關(guān)重要。大采高綜采工作面由于開采方式以及支護(hù)方式、地質(zhì)構(gòu)造和煤體結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響，所產(chǎn)生的粉塵數(shù)量通常較多，而采煤機(jī)割煤以及支架的移動(dòng)和放頂煤與落煤都是產(chǎn)塵的主要因素。所以，大采高綜采工作面的作業(yè)方式應(yīng)盡量采取濕式作業(yè)，再以稀釋、通風(fēng)除塵和排除工作區(qū)域內(nèi)的積塵、浮塵等為輔，增加其降塵效果。

6.1 調(diào)節(jié)大采高綜采工作面風(fēng)量

由對(duì)采煤機(jī)的逆風(fēng)割煤與順風(fēng)割煤作業(yè)進(jìn)行的分析可知，采煤機(jī)在割煤過程中受風(fēng)流因素的影響最大，這使得粉塵濃度經(jīng)風(fēng)流擴(kuò)散在一定距離內(nèi)達(dá)到最高峰，所以，調(diào)節(jié)工作面風(fēng)量能稀釋和排除工作區(qū)域內(nèi)的沉積和懸浮粉塵，并防止粉塵因風(fēng)流而沉積聚集。調(diào)節(jié)大采高綜采工作面風(fēng)量的方法，是將風(fēng)速監(jiān)測(cè)探頭設(shè)置在回風(fēng)巷道以及主進(jìn)巷道中風(fēng)量變化較大的區(qū)域，對(duì)各巷道的風(fēng)量以及風(fēng)速變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

6.2 進(jìn)行濕式除塵作業(yè)

在使用采煤機(jī)進(jìn)行割煤作業(yè)前，應(yīng)對(duì)煤體進(jìn)行預(yù)先性注水，使煤體濕潤(rùn)，從而在根源上有效減少粉塵的生成，避免粉塵產(chǎn)生彌散效應(yīng)。另外，支架在移動(dòng)過程中也會(huì)生成大量粉塵，為了減少粉塵的生成數(shù)量，增強(qiáng)采煤機(jī)的內(nèi)外噴霧效果是一個(gè)行之有效的措施，并利用支架以及轉(zhuǎn)載點(diǎn)、溜煤眼等處得噴霧降塵裝置來進(jìn)行灑水作業(yè)，從而使浮塵隨水依附在巖石以及煤塊的表面，使用灑水法能將工作面內(nèi)的浮塵數(shù)量減少30%～60%。除此之外，在大采高綜采工作面的回風(fēng)巷內(nèi)安裝噴霧降塵水幕也是有效降低浮塵數(shù)量的方法之一，但降塵水幕裝置的檢修周期不得超過7 d，且最好是在進(jìn)行放炮作業(yè)或巷道中粉塵濃度過高時(shí)再使用。

7 結(jié)語

通過布置粉塵濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)并對(duì)獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到大采高綜采工作面的粉塵分布特征，結(jié)合粉塵濃度而提出的降塵除塵措施也能有效減小礦井內(nèi)的粉塵濃度，以此來改善工作面的工作環(huán)境，預(yù)防煤塵爆炸，促進(jìn)礦井安全生產(chǎn)。