王 震

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團臺頭前灣煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042103）

0 引 言

粉塵是煤礦生產中帶來的主要危害之一[1]。高濃度粉塵可能導致塵肺病和煤塵爆炸，塵肺病是我國最嚴重的職業(yè)性疾病，幾乎無法治愈，煤塵爆炸則是煤礦最嚴重的事故，危害性極大，因此需要及時、高效治理粉塵[2]。滾筒采煤機割煤強度大，產塵濃度高。為了降低粉塵濃度，本文以臺頭礦2S202-1 綜采工作面為例，分析了采煤面當前常用的粉塵治理思路，并提出了綜合治理方案。

1 2S202-1 綜采面概況

臺頭前灣煤礦位于山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣，年產量120 萬t。2S202-1 工作面所在的2 號煤層結構較簡單，含有0～2 層夾矸，厚度為2.8～3.38 m，平均厚度約為3 m，埋藏深度189 m，煤體普氏硬度小于1.5，相對較軟。經鑒定，2 號煤層的煤種為焦煤，具有爆炸性且為II 級自燃煤層；瓦斯相對和絕對涌出量分別為1.42 m3/t 和1.79 m3/min，2S202-1 采煤面最大絕對瓦斯涌出量0.79 m3/min，屬于低瓦斯礦井。煤質工業(yè)分析結果見表1。

表1 工業(yè)分析結果

2S202-1 采煤工作面走向和傾向長度分別為332 m 和75 m，面積為24 900 m2，供風量約為800 m3/min，可采儲量為9.58 萬t。 工作面利用MWG250/600-WDK 型雙滾筒采煤機走向長壁開采。該工作面位于運輸大巷以南，北為采空區(qū)，西、南為保安煤柱，東側為2S202 工作面。

2 2S202-1 綜采面產塵特性

2S202-1 采煤工作面利用雙滾筒采煤機割煤，日產煤量為2 077 t。采煤機割煤時先從工作面一端斜切進刀，然后雙滾筒分別割上下部分煤壁，粉塵的產生主要來自割煤過程，這一過程可以被細分為5個部分，分別是截齒齒尖壓碎區(qū)域的形成、密實粉化核的形成、煤體內部裂紋擴展、新自由面形成、密實粉化核應力接觸，如圖1 所示：

圖1 截齒截割煤壁產生粉塵過程

1）首先截齒齒尖和煤壁接觸，擠壓煤壁過程中截齒齒尖將滾筒旋轉的壓力傳向煤壁內部，在煤壁和截齒齒尖接觸的地方形成應力集中區(qū)，且應力從接觸點向煤壁內部逐漸降低。與此同時，煤壁出現彈性變形區(qū)，當應力超過煤壁自身極限強度以后，在截齒齒尖下方開始出現壓碎區(qū)。

2）隨著截齒繼續(xù)深入煤壁中，彈性區(qū)內部的應力持續(xù)增大，而此時還沒有出現宏觀裂紋，因此壓碎區(qū)的碎煤塊無法被排出截齒擠壓范圍以外，這部分煤體被持續(xù)擠壓、摩擦，積聚能量，形成了密實的粉化核（即首要粉塵源），密實粉化核可以將截齒施加的應力持續(xù)不斷的傳遞到煤巖體內部。

3）截齒繼續(xù)深入煤巖體，當粉化核周圍的應力足夠大以致超過了煤巖體的強度極限后，在粉化核邊界處產生微裂紋，同時微裂紋相互合并、持續(xù)發(fā)展形成宏觀裂紋，這一過程速度往往非?？臁?/p>

4）宏觀裂紋向煤巖體深部遠端擴展，到達自由面以后與外界貫通，形成一個新的自由面。

5）新自由面形成以后，破碎的煤塊發(fā)生掉落，原本對密實粉化核的應力約束狀態(tài)被接觸，此時密實粉化核和煤巖體內部積聚的大量能量被突然釋放，粉塵及碎塊以動能形式消耗積聚的能量，造成粉塵和碎塊向空氣中迸處，在空氣中形成粉塵顆粒物污染作業(yè)環(huán)境?？梢钥闯?，截齒割煤是產生粉塵的最主要來源，粉塵產生瞬間自身具有一定的初速度。

采煤機滾筒割煤強度很高，對周圍煤巖體擾動很大，常發(fā)生大范圍片幫斷裂，在此過程中將產生大量裂紋和自由面，裂紋生成后也會產生粉塵，且原生裂紋中可能含有大量原生粉塵，在裂紋形成自由面后原生粉塵也將被拋出。碎煤塊從煤壁掉落至底板后，發(fā)生沖擊、碰撞從而造成大量原本就受采動擾動而發(fā)生微小斷裂的煤體進一步破碎，此時將在底板產生碰撞產塵和二次揚塵，如圖2 所示。

圖2 底板二次揚塵

采煤機開采破碎煤壁后繼續(xù)前進，此時采煤機后方將產生大范圍的空頂，即頂板懸空沒有防護措施，因此需要液壓支架向前移動支撐懸空的頂板。割煤過程中，液壓支架需要隨著采煤機割煤及時移動，實現“追機”作業(yè)，這一過程通常在采煤機后第3～4臺支架進行，這樣技能保證及時支護頂板，又可以避免支架移動影響采煤機作業(yè)。支架支護作業(yè)由上頂支護板下降、側幫板回收、支架整體前移、上頂支護板上升、側幫板伸出幾個步驟接替完成，支架在上頂至頂板時，巨大的頂板壓力使得與支架接觸的煤巖體發(fā)生壓實破碎，此時將產生大量粉塵，但由于上頂支護板與工作面頂板相互擠壓，粉塵無法排除。一旦支架泄壓下降，粉塵就存在了逃逸的空間。2 個相鄰的支架距離不能太遠以避免支護效果不佳，距離也不能過近以防治2 臺支架移動過程中相互碰撞影響正常工作，因此相鄰支架間通常留有10～20 cm 的孔隙。上頂支護板支撐過程中產生的粉塵就可以在移架工程中從這個孔隙之中掉落污染工作面環(huán)境。

3 綜采面粉塵治理思路

3.1 直接減塵

高效治理危害十分有效的方法就是從源頭上減少危害的產生。采煤面粉塵治理首先考慮的就是工作面減塵，即煤層注水，該技術長期以來在世界范圍內得到了廣泛應用和推廣[3]。在煤層被開采之前實施，從巷道或工作面向煤層深處打多個鉆孔，向鉆孔中注入高壓水或含潤濕劑的水溶液，使水分進入煤體自身裂隙或層理及節(jié)理中，這樣既能潤濕煤體增加其含水量，使原生粉塵在開采過程中不會飛揚，又能通過水的高壓作用改變煤體的物理力學性質甚至是化學性質[4]，進而使煤體在采煤機截割破碎過程中產生的粉塵量減少。此外，還可以采用調整采煤機截割參數的方式減少粉塵產生，但采煤機滾筒和截齒有關參數在生產時已由制造方確定完畢，而且還要考慮到更改后對割煤效率是否有不利影響，因此在采煤工作面現場更改截割參數的可行性比較小。

3.2 噴霧降塵

噴霧降塵技術廣泛應用在采煤面、掘進面、轉載點、濕式鉆孔等會產生高濃度粉塵的工作環(huán)節(jié)。綜采面噴霧降塵以采煤機滾筒內外噴霧為主，支架架間噴霧、水幕簾為輔，在內外噴霧均可用的情況下，內噴霧降塵效率通常比外噴霧高30 個百分點，而且其耗水量也相對更少，對煤質影響較小，同時直接向截齒處噴射水霧能夠及時對截齒降溫，減少截齒磨損，而且還能夠顯著避免截齒與煤巖體碰撞時發(fā)生火花。但實際使用時發(fā)現由于內噴霧噴頭直接和煤巖體碰撞接觸，很容易發(fā)生磨損且極易堵塞，另外內噴霧用水管路旋轉密封問題很難解決，因此內噴霧通常無法正常工作，只能依靠外噴霧實現高效治理粉塵的目的。

4 降塵措施及效果分析

4.1 降塵技術應用

根據上述對綜采工作面粉塵防治技術的分析，在2S202-1 綜采面以采煤機外噴霧降塵為主，以支架架間聯動噴霧、回風巷全斷面水霧為輔的綜合降塵措施。由于2 號煤層孔隙率較低，煤層注水難度很大，因此不采用煤層注水技術。

采煤機在工作面來回移動，所需電纜線路用專用電纜槽布置。采煤面屬于受限作業(yè)空間，由于采煤機機身沒有需要用風的部件，因此電纜槽位置處沒有多余空間布置水管。為了提高原有采煤機自帶內外噴霧的降塵效率，針對采煤機外噴霧改用負壓二次降塵的方式，布置示意圖如圖3 所示。負壓二次降塵裝置包含內部高壓霧化噴嘴和外部吸塵罩兩部分，如圖4 所示。高壓霧化噴頭將水霧從吸塵罩中心噴出，高速霧滴卷吸周圍空氣向前移動，霧化噴嘴后側將形成真空區(qū)，因此在吸塵罩后方形成負壓區(qū)，在氣壓差作用下空氣中未被水霧潤濕捕獲的粉塵顆粒被吸入吸塵罩內，粉塵顆粒向前移動的過程中與高濃度水霧再次作用，從而被潤濕沉降。經過現場實測發(fā)現，當水壓為8 MPa 時，從吸塵罩后側吸入的空氣量最大，超過30 m3/min，也就是說形成的負壓區(qū)作用范圍最廣，此時耗水量為19 L/min。

圖3 負壓二次降塵噴霧布置示意圖

圖4 負壓二次降塵裝置原理

在2 臺支架中間安設聯動噴霧裝置，移架過程中自動開啟向2 臺支架的空隙中噴射，能夠及時治理移架過程中掉落的粉塵。采用的液壓支架架間聯動式噴霧如圖5 所示，噴霧依然采用與采煤機負壓二次降塵裝置相類似的負壓二次降塵方法。液壓支架架間噴霧夠隨液壓支架的移動而開啟，避免長時間連續(xù)作業(yè)增加工作面積水，同時還能提高工人作業(yè)效率減少除塵成本。在移架作業(yè)開始的同時利用8 MPa 的高壓噴霧向支架間噴射降塵噴霧，平扇形霧化噴嘴共有3 個，每個霧化角度均為60°，可以在支架間形成全斷面覆蓋的高密度霧滴場；同時利用吸塵罩吸入支架間掉落的粉塵，在吸塵罩內對粉塵進行直接潤濕、捕獲，大幅提高了粉塵潤濕效果。當移架停止后，噴霧裝置滯后3s 再停止，能夠盡可能提高降塵效果。

圖5 液壓支架架間噴霧示意圖

2S202-1 工作面供風量為800 m3/min，滾筒處實測風速可達3 m/s，粉塵產生后容易受風流作用向回風巷移動。而且受采動影響，采煤機滾筒遠處煤壁可能發(fā)生大范圍片幫現象，從而引發(fā)地面沖擊產塵。這一現象隨機性強產塵面積廣，難以采用專門的局部降塵措施進行治理，因此針對隨風流逃逸以及遠超降塵措施作用范圍以外的粉塵，分別在采煤面與回風巷交接處的支架前方（圖6）和回風順槽距工作面30 m 處構建了2 道全斷面水幕簾，用以捕獲工作面逃逸的粉塵，使工作面產塵對礦井通風網絡的影響降低至最小。

圖6 全斷面水幕簾示意圖

4.2 粉塵治理效果

為了評價采用了降塵措施之后的粉塵治理效果，利用CCZ-1000 直讀式測塵儀在采煤機司機處和回風巷水幕簾后方3 m 處測定粉塵濃度，每次測定過程中都同時測定該點的全塵濃度和呼塵濃度，并按照公式（1）計算降塵率[1]。

式中：μ為降塵率，%；C1為沒有降塵措施時的粉塵濃度，mg/m3；C2為采用綜合降塵措施后的粉塵濃度，mg/m3。

圖7 CCZ-1000 直讀式測塵儀

從表1 粉塵濃度實測數據可以看出，由于粉塵在運移過程中受重力作用發(fā)生沉降，回風巷水幕簾后方粉塵濃度適中小于采煤機司機處濃度。采用了綜合降塵措施后，采煤機司機處全塵濃度從449.2 mg/m3降 低 至55.5 mg/m3， 呼 塵 濃 度 從208.8 mg/m3降低至30.6 mg/m3，降塵效率均超過了85%。在回風巷水幕簾后方3 m 處，全塵和呼塵濃度分別降低至26.7 mg/m3和18.1 mg/m3，降塵率接近90%。改善了工作面作業(yè)環(huán)境，保障了作業(yè)人員身心健康。

表1 各測塵點粉塵濃度

5 結 論

1）通過對臺頭前灣煤礦2S202-1 綜采工作面現場條件的分析，發(fā)現采煤機滾筒割煤是產生粉塵的主要源頭，粉塵產生過程可以被細分為5 個步驟，最終在新自由面產生后煤巖體發(fā)生能量迸發(fā)，將粉塵噴出形成空氣顆粒物。液壓支架移架過程也將產生大量粉塵。

2）制定了以負壓二次降塵治理滾筒產塵和支架移架產塵為主，以全斷面水幕簾為輔的綜合降塵措施。采煤機司機處降塵效率超過85 %，全塵濃度從449.2 mg/m3降低至55.5 mg/m3，呼塵濃度從208.8 mg/m3降低至30.6 mg/m3；水幕簾后方降塵效率接近90%。