賀艷軍，王 帥，張 昊，葛少成，王 林，黃 云，趙 茂，王永峰

(1.神華包頭能源有限責(zé)任公司 李家壕煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024)

近幾十年來，我國能源消費結(jié)構(gòu)主要以煤為主，這主要由于石油與天然氣國內(nèi)資源匱乏、多依賴進口。我國能源中對于煤的消費結(jié)構(gòu)可分為3個階段：①2000—2011年的煤高消耗的粗放發(fā)展階段，其中煤炭能源消費占比自2000年的68.5%上升至2011年的70.2%；②我國自2012年步入工業(yè)化后期到2018年我國能源消費也開始轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，其中重要指標(biāo)為煤炭，占比降到59%；③第三能源結(jié)構(gòu)變化階段即高質(zhì)量常態(tài)化發(fā)展階段[1]。2020年，我國進入到社會主義現(xiàn)代化國家建設(shè)的新征程，在工業(yè)能源消費方面，我國也將轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量。2012—2018年，我國的能源消費總體呈上升趨勢，盡管新能源的投入與國家政策的調(diào)整使我國的能源消費有一定范圍的波動，但總體煤炭消費仍占能源消費總量的60%左右[2]。煤炭作為我國的能源消耗的最大大主體，將會在未來幾十年持續(xù)發(fā)揮巨大作用。隨著煤炭生產(chǎn)增長的同時，安全生產(chǎn)事故也層出不窮，現(xiàn)有事故死亡率已有很大下降，但距離歐洲許多國家的安全生產(chǎn)水平仍有很大差距[3-6]。

煤礦的掘進工作面粉塵含量由于掘進機械化、自動化以及煤炭產(chǎn)量的要求提升而急劇提高。由于掘進工作面通風(fēng)條件的特殊性，掘進巷道的通風(fēng)狀態(tài)是一個端口封閉、一端開口的獨頭巷道。當(dāng)風(fēng)流由風(fēng)機運至掘進面時，風(fēng)流受阻折返，帶有大量的煤塵并逐漸擴散到整個掘進工作面的其他作業(yè)空間，尤其在掘進機的司機處。粉塵擴散濃度很大時，整體能見度很低，嚴(yán)重影響掘進工作面的安全生產(chǎn)[7-9]。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，井下的掘進面粉塵濃度應(yīng)低于10 mg/m3，但是通常掘進工作面掘進機掘進施工時的粉塵濃度可達500～1 400 mg/m3，最高超標(biāo)100多倍。因此，塵肺病發(fā)病率最高的人群是掘進工作面尤其是掘進機司機以及支護人員。除了瓦斯爆炸外，煤塵可爆炸性也是井下發(fā)生爆炸的一大重要危險因素，且煤塵爆炸發(fā)生率僅低于瓦斯爆炸，爆炸的影響與破壞程度較大，井下除塵刻不容緩。煤塵爆炸是指當(dāng)某個封閉空間內(nèi)的粉塵顆粒大小為0.7～1.0 mm時，煤塵濃度處于爆炸極限濃度范圍內(nèi)，且氧氣濃度達到臨界點時，便會發(fā)生爆炸現(xiàn)象。

煤礦掘進工作面相較于其他工作面最為特殊的是：當(dāng)掘進工作面通風(fēng)時，巷道一端進風(fēng)、另一端封閉的通風(fēng)方式，決定了其通風(fēng)的特殊性，通過壓風(fēng)機吹進巷道的風(fēng)流在巷道封閉處將會折回，這就導(dǎo)致了風(fēng)流裹挾高濃度的粉塵流向掘進機尤其掘進機司機處，致使掘進機作業(yè)空間內(nèi)的粉塵濃度遠高于其他地方，對掘進機司機及掘進工作面內(nèi)的礦井工作人員造成職業(yè)危害，加大了塵肺病發(fā)生的可能性，同時掘進以及支護設(shè)備受高濃度的粉塵腐蝕磨損的危害。煤礦井下高濃度的煤塵會致使作業(yè)環(huán)境能見度降低，作業(yè)效率降低，進而影響工作面的正常生產(chǎn)情況。由于掘進工作面的通風(fēng)困難性，對工作人員造成影響的同時，也會對掘進機等設(shè)備產(chǎn)生影響，增大損耗。因此，針對掘進工作面特殊的通風(fēng)及生產(chǎn)情況，積極采取有效合理的降塵措施，以期在保證礦井安全生產(chǎn)的前提下，最大限度保障工作面作業(yè)人員的健康與安全。

1 綜掘工作面粉塵防治理論研究現(xiàn)狀

綜掘工作面粉塵防治理論研究主要包括：掘進過程中粉塵的產(chǎn)生與粉塵特性、粉塵在掘進巷道風(fēng)流中的擴散及分布規(guī)律、潤濕性和爆炸性以及粉塵沉降規(guī)律的分析。

1.1 產(chǎn)塵方面

綜掘工作面掘進過程中，支護、鑿巖、機械材料裝卸、爆破以及片幫冒頂?shù)冗^程產(chǎn)生大量粉塵，尤其鑿巖機作業(yè)打炮眼以及爆破時更易產(chǎn)生高濃度粉塵。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，塵肺病患者中大多從事煤礦井下一線生產(chǎn)工作多年，且煤礦巖石綜掘工作面工作人員患病率遠高于其他工作地點，原因在于，綜掘面的粉塵量為煤礦井下粉塵濃度最高的地點[10-11]。

煤礦井下綜掘工作面掘進過程中產(chǎn)塵量大的原因在于：煤壁未受到外界壓力時，各個方向受力不變，而當(dāng)綜掘機的截割頭與煤壁接觸時，破壞了原有的受力平衡，在截割頭與煤壁的接觸點產(chǎn)生了1個三向的應(yīng)力狀態(tài)，受力不平衡，導(dǎo)致煤壁擠壓變形，進而產(chǎn)生破碎；綜掘機截割頭繼續(xù)向前，壓縮接觸點煤塊，產(chǎn)生密實核，密實核應(yīng)力大于四周煤塊應(yīng)力，煤塊將會被進一步擠壓粉碎，截割頭后撤時，接觸點應(yīng)力急劇減小，伴隨有細(xì)小的煤塊破碎并下落，此時便有大量的煤塵產(chǎn)生[12]。

20世紀(jì)90年代初，劉建榮等通過現(xiàn)場測定礦井煤塵的產(chǎn)塵量，確定了掘進后煤巖被采煤機破碎后的粉塵產(chǎn)塵量達到22.8×103g/J，同時不同煤種破碎所產(chǎn)生的煤塵粒徑均符合Rosin-Rammlar分布。李曉豁等為研究掘進機掘進過程中的產(chǎn)塵規(guī)律，通過建立數(shù)學(xué)模型，分析并確定了不同工藝參數(shù)的權(quán)重。掘進過程中還受其他各方面因素的影響，如煤巖性質(zhì)、綜掘機參數(shù)等，都可以使產(chǎn)塵量減小。

1.2 粉塵運移理論方面

20世紀(jì)初期，David Stokes[12]通過現(xiàn)場試驗分析球狀微粒的受力情況，并得到球形粉塵顆粒運動公式。Fuchs M等[13]將氣溶膠力學(xué)原理應(yīng)用到粉塵顆粒在大氣中的遷移與擴散規(guī)律研究。20世紀(jì)70年代到90年代，Soo S L等[14]提出一種流體相與顆粒群連續(xù)的互相滲透、互相耦合的“連續(xù)介質(zhì)”即為“兩相流”，使得該模型更全面考慮兩相的各種影響因素的耦合，以及把顆粒作為離散項并將其在拉格朗日坐標(biāo)系下求解軌跡方程，流體相作為連續(xù)項求解流體的運動軌跡方程的離散顆粒模型。這樣方便跟蹤每一個顆粒的運動軌跡，但對于大體積顆粒數(shù)巨大的模型計算難度加大，難以收斂[15]；同時多相流模型不僅只局限于熱量、溫度的變化更加完善了相與相之間的質(zhì)量、動量、能量的相互影響與傳遞[16]。流模型不僅只局限于熱量、溫度的變化，更加完善了相與相之間的質(zhì)量、動量、能量的相互影響與傳遞[16]。

欒昌才等[17]通過實驗分析掘進機掘進鑿巖有局部通風(fēng)以及無局部通風(fēng)條件下的產(chǎn)塵情況與粉塵擴散分布。劉建等[18]基于掘進機掘進割煤導(dǎo)致掘進工作面粉塵大量擴散，建立了掘進機工作參數(shù)與產(chǎn)塵量的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，檢測掘進巷道呼吸性粉塵的濃度。蔣仲安等[19]依據(jù)空氣粉塵顆粒耦合模型運動方程，推導(dǎo)掘進巷道的準(zhǔn)則系數(shù)，并分析了射流區(qū)、回流區(qū)、渦流區(qū)的呼吸性粉塵擴散流動情況。

2 綜掘工作面粉塵防治技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，世界各大產(chǎn)煤國為保障安全生產(chǎn)，改善井下各工作面的作業(yè)條件，采取了相應(yīng)的降塵除塵技術(shù)措施。在綜掘工作面粉塵防治方面主要采用通風(fēng)以及水霧降塵：主要利用礦井通風(fēng)設(shè)計將掘進過程產(chǎn)生的粉塵排出，輔之以水霧或化學(xué)試劑泡沫化捕捉粉塵使其沉降。礦井下常用的除塵技術(shù)有：泡沫降塵、通風(fēng)降塵、除塵器降塵、噴霧降塵等。

2.1 通風(fēng)降塵

礦井通風(fēng)按照通風(fēng)工作方式可分為壓入式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)與混合式通風(fēng)3種。其中，壓入式通風(fēng)適用于掘進工作面，主要特點在于通過局部通風(fēng)機作為礦井通風(fēng)的動力風(fēng)筒，利用動力風(fēng)筒進行導(dǎo)風(fēng)，我國掘進工作面大都采用這種通風(fēng)方式。在掘進巷道出風(fēng)口的進風(fēng)側(cè)外大約10 m的位置布置局部通風(fēng)機，局部通風(fēng)機將新鮮風(fēng)流通過風(fēng)筒送至掘進面，同時將掘進工作面產(chǎn)生的含塵氣流排出掘進工作面，采用將風(fēng)機布置在通風(fēng)巷道中的方式，通風(fēng)的安全性得以提高。此外，與抽出式通風(fēng)相比，壓入式通風(fēng)風(fēng)流射流強度高，風(fēng)流有效射程遠，能夠稀釋和排出更多體積的含塵氣體，通風(fēng)效率高，工作面粉塵濃度降低速率快[20]。由于采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)筒出口的風(fēng)速較大，綜掘工作面掘進過程中產(chǎn)生的粉塵能夠及時排出，安全性增加，這樣可以起到預(yù)防瓦斯聚集的作用，降低瓦斯帶來的危害；同時，由于通風(fēng)風(fēng)速較大，對于掘進工作面的降溫也能起到一定的促進作用，壓入式通風(fēng)所采用的風(fēng)筒為方便安裝、質(zhì)量較輕且成本相對廉價的柔性風(fēng)筒。壓入式通風(fēng)方式也有其缺點：當(dāng)含塵的污風(fēng)氣流沿著巷道排出時，由于采用壓入式通風(fēng)，在風(fēng)筒出口處會形成射流區(qū)，射流區(qū)射流會導(dǎo)致周圍形成渦流區(qū)域，含塵氣流進入渦流區(qū)域內(nèi)，粉塵聚集于渦流區(qū)域，致使該區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度上升，而掘進面的工作人員又大多正好處于該渦流區(qū)域內(nèi)，對其身體健康影響較大；同時，隨著掘進工作面不斷向前開采，排出污風(fēng)所需時間逐漸增加。煤礦井下多采用串聯(lián)通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)掘進工作面通風(fēng)與其他工作面相聯(lián)通時，可能會導(dǎo)致掘進工作面的污風(fēng)擴散到其他工作面，導(dǎo)致粉塵污染更加嚴(yán)重。

與壓入式通風(fēng)不同的是，抽出式通風(fēng)的局部通風(fēng)機安裝在距巷道出風(fēng)口回風(fēng)側(cè)的10 m處，通風(fēng)機工作時會產(chǎn)生負(fù)壓，掘進巷道內(nèi)產(chǎn)生的污風(fēng)及開采過程中涌出的瓦斯被吸出巷道。因此，結(jié)合2種通風(fēng)方式優(yōu)點的混合式通風(fēng)具有更加獨特的優(yōu)勢[21-22]。

秦躍平等[23]通過數(shù)值模擬，對壓風(fēng)分流通風(fēng)除塵方法的除塵效果進行了分析與對比，結(jié)果表明采用這種方法能夠在一定范圍內(nèi)降低綜掘工作面的粉塵濃度，并且對于沿著風(fēng)流的粉塵擴散距離的減小也有促進作用。王海橋等[24]采用流體力學(xué)射流理論與滲流力學(xué)理論，對比分析了掘進工作面采用不同的通風(fēng)方式時風(fēng)流場的不同，總結(jié)得出風(fēng)流場主要包括射流區(qū)與回流區(qū)兩大流場區(qū)域。并以此為基礎(chǔ)建立了相應(yīng)的物理模型：射流區(qū)速度分布模型與回流區(qū)平均速度作用距離計算模型，為綜掘面通風(fēng)以及粉塵污染治理提供了新的理論依據(jù)。

為比較壓入式通風(fēng)與抽出式混合通風(fēng)除塵效果，在古樹煤礦9221掘進主巷道分別采用2種通風(fēng)方式進行對比分析，結(jié)果顯示除塵效果最佳的通風(fēng)方式為長壓短抽式，除塵效率明顯提升。為比較壓入式通風(fēng)與抽出式混合通風(fēng)除塵效果，王明等[25-26]使用CFD-DPM建立掘進主巷道風(fēng)流模型，分別采用2種通風(fēng)方式進行對比分析，結(jié)果顯示除塵效果最佳的通風(fēng)方式為長壓短抽式，除塵效率明顯提升。劉雅俊等[27]通過建立短路流場數(shù)學(xué)模型，研制出了適用于水平運輸大巷掘進工作面的綜掘面風(fēng)幕除塵風(fēng)機，并通過現(xiàn)場實驗驗證了該模型與該裝置的可行性，表明該裝置對于扼制呼吸性粉塵的擴散能起到極大的作用。此后，李雨成[28]在該裝置的基礎(chǔ)上進行了完善與改進，使得降塵效果再次提升。馮琪[29]通過改進現(xiàn)有的混合式通風(fēng)方式，即長壓短抽混合式通風(fēng)方式，進行了優(yōu)化與調(diào)整，除塵效率提升明顯，綜掘工作面粉塵濃度直線下降。其中，處于掘進機司機處的降塵效果達到最優(yōu)，但相比較之下，改進后的通風(fēng)除塵方式對于呼吸性粉塵的降塵率不如原有的長壓短抽式降塵方式。

針對現(xiàn)有降塵理論方面的不足，聶文等通過對現(xiàn)場實驗進行分析對比，分別提出了掘進面旋流氣幕理論與封閉降塵理論，補全了降塵理論方面的短板，并通過實驗得出結(jié)論，呼吸性粉塵的降塵效率為90%左右，而對于全塵的除塵效率則高于呼吸性粉塵，可達到90%～95%。其中，對于接塵受影響最為嚴(yán)重的司機處的降塵率也可以達到90%以上。

2.2 噴霧降塵

目前最有效的最廣泛使用的濕式除塵方法，粉塵微粒與水霧顆粒碰撞、攔截產(chǎn)生重力沉降等來捕集粉塵。但掘進機內(nèi)噴霧的噴嘴易發(fā)生堵塞，實現(xiàn)降塵和維護都比較困難，外噴霧水流量大，不僅銹蝕機器，還會導(dǎo)致煤的含水量增大，掘進機噴霧系統(tǒng)還存在電機冷卻水的低壓和噴霧水的高壓之間的矛盾。國內(nèi)許多研究者還相繼研究了預(yù)荷電噴霧、磁水噴霧、聲波霧化噴霧等新技術(shù)，由于使用條件的要求過于嚴(yán)格限制了相關(guān)技術(shù)。

噴霧降塵是濕式降塵方式之一，是我國煤礦井下綜掘工作面降低粉塵濃度普遍采用的一種降塵方式，經(jīng)過實踐證明，該方式為綜掘工作面降塵最為有效的方式。噴霧降塵的原理是利用噴霧箱將高壓水以射流的方式排出，在噴霧箱出口處形成粒徑較小的霧滴，此時的霧滴具有較高的速度，當(dāng)與煤塵發(fā)生碰撞時，煤塵顆粒將會被霧滴顆粒所捕獲，兩個顆粒經(jīng)過潤濕和凝聚后，其質(zhì)量增加，無法繼續(xù)在空中漂浮，因重力作用而發(fā)生沉降。噴霧降塵影響因素較多，其中，起主要作用的為水的分散度、水的潤濕特性、煤塵的濕潤性以及霧滴與煤塵的相對運動速度，通過現(xiàn)場實測得出結(jié)論，霧滴粒徑為10～15 μm時，降塵效果達到最優(yōu)。

綜掘機目前具有內(nèi)外噴淋功能，外噴霧主要用于去除空氣中的粉塵擴散，內(nèi)噴頭主要用于抑制綜采機采煤過程中與煤壁接觸產(chǎn)生粉塵。良好的內(nèi)外噴淋設(shè)計可以有效降低綜采區(qū)粉塵濃度。

2.3 泡沫降塵

我國的泡沫降塵技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代。煤科院上海研究所針對泡沫降塵機理開展了理論研究與實驗分析，但并未廣泛應(yīng)用于實踐。20世紀(jì)90年代后期，北京科技大學(xué)蔣仲安教授利用泡沫在膠帶轉(zhuǎn)載點及鑿巖區(qū)域進行了降塵實驗，發(fā)現(xiàn)泡沫相對于噴霧的降塵效果有顯著提高，并且對呼吸性粉塵的抑制能力特別突出。

21世紀(jì)，中國礦業(yè)大學(xué)王德明教授研究了泡沫降塵理論與工程應(yīng)用，呼吸性粉塵除塵效率達83.75%。經(jīng)過多年發(fā)展，掘進工作面泡沫降塵系統(tǒng)的核心部件為發(fā)泡劑添加裝置、泡沫發(fā)生裝置、泡沫噴射裝置3個部分。其中發(fā)泡劑添加裝置中壓力損失最大，其次是發(fā)泡器。現(xiàn)有泡沫噴頭由于存在結(jié)構(gòu)缺陷，泡沫量損失較大，射流形態(tài)難以控制。

3 結(jié)論

通過以上不同研究者針對綜掘工作面產(chǎn)塵成因、粉塵擴散運移規(guī)律以及掘進工作面除塵技術(shù)措施研究內(nèi)容的分析與總結(jié)，噴霧降塵與通風(fēng)除塵相結(jié)合是井下綜掘面最廣泛使用的除塵手段，但也同樣存在許多不足。

(1)壓入式通風(fēng)排塵作為當(dāng)前掘進工作面使用最廣泛的除塵手段，有諸多優(yōu)點：操作簡單，使用方便，成本相對較低。但由于受掘進面斷面和風(fēng)速控制的影響，工作面的粉塵濃度不能嚴(yán)格控制在礦山安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，導(dǎo)致掘進面整體除塵效率相較于其他工作面低，并由于其作業(yè)特點極易造成小范圍二次污染。抽出式通風(fēng)同樣存在諸多問題，工作面送來的污風(fēng)必須經(jīng)過局部風(fēng)機及其輔助設(shè)施。 如果不具備防爆功能或功能故障，則非常危險。

(2)目前除塵風(fēng)機抽風(fēng)量小，工作面排風(fēng)時間長、速度慢，易導(dǎo)致瓦斯大的煤礦綜采工作面瓦斯局部聚集；排氣管是負(fù)壓的，為了承受壓力，必須做成剛性的或可伸縮的帶剛性框架排氣管，質(zhì)量大，安裝、拆卸不方便等。

(3)泡沫除塵措施，其設(shè)備復(fù)雜、化學(xué)試劑成本高，在掘進巷道的應(yīng)用有非常大的局限性，很少應(yīng)用于采掘工作面。而泡沫除塵器除塵技術(shù)由于降塵設(shè)備體積大、機動性弱等原因，這些降塵技術(shù)暫時難以廣泛使用。

(4)針對目前煤礦掘進工作面除塵技術(shù)存在諸多問題，為進一步改善綜采工作面工人的工作環(huán)境，降低粉塵濃度，針對掘進機駕駛員和轉(zhuǎn)運點的粉塵污染問題，長壓短抽混合通風(fēng)技術(shù)是一種新的技術(shù)創(chuàng)新研究與探索思路。