高智軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 左云 037100）

煤礦井下粉塵問(wèn)題是威脅工人健康和企業(yè)安全生產(chǎn)的重要危險(xiǎn)源之一[1]。長(zhǎng)期在高濃度粉塵條件下工作會(huì)引發(fā)塵肺病，高濃度煤塵還可能導(dǎo)致煤塵、煤塵瓦斯爆炸。采煤工作面是煤礦井下主要產(chǎn)塵點(diǎn)之一，有些礦井的采煤工作面粉塵濃度最高可達(dá)3 000 mg/m3。由于采煤機(jī)兩個(gè)滾筒分別截割上下部分煤體，其產(chǎn)塵狀況比較復(fù)雜，粉塵治理難度也較大，因此需要通過(guò)對(duì)其產(chǎn)塵特性進(jìn)行分析梳理，再提出相應(yīng)的粉塵治理措施。

以晉能集團(tuán)東周窯煤礦8206綜采工作面為工程背景，重點(diǎn)分析采煤機(jī)順風(fēng)和逆風(fēng)割煤條件下的粉塵運(yùn)移、濃度擴(kuò)散特性，擬定采用新式泡沫降塵和支架間負(fù)壓二次噴霧降塵技術(shù)。從應(yīng)用實(shí)際來(lái)看，粉塵治理取得了較好效果。

1 工作面概況

晉能集團(tuán)東周窯煤礦位于山西大同市東周窯村，年產(chǎn)量10.00 Mt。8206工作面位于煤礦第5號(hào)煤層，采煤面煤層平均可采厚度為10.85 m，供風(fēng)量1 780 m3/min，采用EickhoffSL500型雙滾筒采煤機(jī)割煤。采煤機(jī)滾筒直徑2.3 m、轉(zhuǎn)速23 r/min、截深0.8 m。工作面傾向長(zhǎng)231 m、走向長(zhǎng)1 181 m。煤種為長(zhǎng)焰煤。

2 綜采面產(chǎn)塵分析

綜采工作面粉塵產(chǎn)生的主要源頭是采煤機(jī)滾筒割煤。采煤機(jī)滾筒上安裝有多個(gè)截齒，每個(gè)截齒碰撞到煤體上時(shí)會(huì)使煤體發(fā)生破碎，如圖1所示，具體分為3個(gè)步驟[2]：①截齒齒尖和煤體接觸，截齒施加的力被存儲(chǔ)進(jìn)煤體內(nèi)部，以截齒接觸部分發(fā)生的彈性形變存儲(chǔ)起來(lái)。②截齒持續(xù)向煤體內(nèi)部侵入，當(dāng)截割力足夠大時(shí)彈性形變區(qū)發(fā)生破碎形成密實(shí)的粉化核，同時(shí)截割力通過(guò)粉化核向煤體內(nèi)部傳遞，在粉化核與煤體接觸的邊界處形成細(xì)微裂紋。③截齒持續(xù)侵入煤體，截割力和位移繼續(xù)增加，粉化核邊界與煤體接觸的位置應(yīng)力增加超過(guò)煤體的強(qiáng)度極限，煤體產(chǎn)生宏觀裂紋發(fā)生破碎，大碎塊煤體掉落后，粉化核釋放崩出形成粉塵。

圖1 截齒與煤體碰撞產(chǎn)生粉化核的過(guò)程

采煤工作面產(chǎn)塵的另一個(gè)源頭是采煤機(jī)割煤后煤塊掉落時(shí)產(chǎn)生的。如圖2所示，圖中采煤機(jī)滾筒向右移動(dòng)割煤，主要依靠滾筒右半部分的截齒與煤壁相互作用使其破碎，因此滾筒截割產(chǎn)塵主要集中在右半部分，碎煤塊和粉塵將從滾筒右側(cè)和下側(cè)（受重力作用）剝離開(kāi)煤壁。當(dāng)碎煤塊掉落至底板時(shí)會(huì)發(fā)生碰撞再次產(chǎn)生粉塵，同時(shí)還會(huì)使得底板上的沉積粉塵再次飛揚(yáng)起來(lái)。因此底板部位也是粉塵產(chǎn)生的主要源頭，但該部分產(chǎn)生的粉塵主要因截割產(chǎn)塵沒(méi)有被完全治理所致。

圖2 采煤機(jī)截割產(chǎn)塵位置

粉塵產(chǎn)生后在空中運(yùn)移主要受到工作面供風(fēng)影響，而采煤面上的采煤機(jī)、液壓支架等大型機(jī)械外形并不規(guī)整，容易使風(fēng)流方向發(fā)生改變。為了明確風(fēng)流場(chǎng)，對(duì)采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)20 m及10 m、采煤機(jī)機(jī)身、下風(fēng)側(cè)10 m及20 m范圍內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行了測(cè)定，風(fēng)流從采煤機(jī)機(jī)身到上風(fēng)側(cè)20 m處的風(fēng)速相對(duì)比較均勻，平均風(fēng)速為1.5 m/s；從機(jī)身上風(fēng)側(cè)到機(jī)身下風(fēng)側(cè)之間風(fēng)流受采煤機(jī)機(jī)身影響，風(fēng)速逐漸增大，平均風(fēng)速為2 m/s；采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10～20 m范圍內(nèi)風(fēng)速開(kāi)始減小，直到20 m處風(fēng)速與上風(fēng)側(cè)風(fēng)速基本相同?？梢钥闯觯擅簷C(jī)機(jī)身附近風(fēng)速相對(duì)較快且比較紊亂，使得粉塵運(yùn)移速度加快，會(huì)大量擴(kuò)散至人行道采煤機(jī)司機(jī)處，因此需要對(duì)該段空氣中存在的粉塵重點(diǎn)防治。

采煤機(jī)在工作面往返移動(dòng)割煤時(shí)，會(huì)出現(xiàn)順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤兩種運(yùn)行方向。由于采煤機(jī)滾筒、搖臂、機(jī)身等形狀不規(guī)整，兩種條件下粉塵隨風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不盡相同，如圖3所示。順風(fēng)割煤時(shí)，采煤機(jī)移動(dòng)方向和風(fēng)流方向相同，前滾筒位于下風(fēng)向、后滾筒位于上風(fēng)向，豎直位置上前滾筒位于上方后滾筒位于下方，因此前滾筒截割頂部煤體時(shí)產(chǎn)生的碎塊和粉塵將直接隨風(fēng)流向下風(fēng)側(cè)運(yùn)移；后滾筒截割底板附近的煤體，產(chǎn)塵量較小，采煤機(jī)司機(jī)處的粉塵多數(shù)來(lái)自于液壓支架移動(dòng)過(guò)程中從頂板掉落的粉塵。逆風(fēng)割煤時(shí)，前滾筒位于上風(fēng)側(cè)，截割頂部煤體破碎后產(chǎn)生的大量粉塵隨風(fēng)流向后方移動(dòng)，但在運(yùn)移過(guò)程中受滾筒和搖臂、機(jī)身等影響，部分粉塵將向司機(jī)處移動(dòng)，污染人行道；后滾筒位于下風(fēng)側(cè)，產(chǎn)生的粉塵直接隨風(fēng)流飄散到下風(fēng)側(cè)，對(duì)人行道處影響較小。

圖3 粉塵隨氣流運(yùn)移

3 粉塵濃度測(cè)定

為了分析采煤面粉塵擴(kuò)散規(guī)律，采用CCZ-1000直讀式測(cè)塵儀進(jìn)行粉塵濃度測(cè)定。在司機(jī)順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤的條件下分別測(cè)定了采煤機(jī)機(jī)身處、距離采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)10 m和20 m處、采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m、20 m、30 m和40 m處的粉塵濃度值，如圖4所示。圖中橫坐標(biāo)中0點(diǎn)為采煤機(jī)所在位置，負(fù)值表示采煤機(jī)上風(fēng)向，正值表示采煤機(jī)下風(fēng)向。從圖4可以看出，當(dāng)逆風(fēng)割煤時(shí)采煤機(jī)機(jī)身下風(fēng)側(cè)5 m附近粉塵濃度最高達(dá)1 582 mg/m3，采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)5 m處依然能夠檢測(cè)到較多粉塵存在，大部分來(lái)自前滾筒截割時(shí)向前拋撒的碎煤塊、粉塵；此外，前滾筒前方煤體垮落嚴(yán)重，破碎煤體掉落至底板后還會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵。順風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度最高達(dá)1 595.2 mg/m3，與逆風(fēng)割煤狀態(tài)差異并不明顯，采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)粉塵濃度很低，檢測(cè)到的粉塵濃度多數(shù)來(lái)自巷道風(fēng)流中自帶的懸浮顆粒，粉塵大都分布在采煤機(jī)機(jī)身下風(fēng)側(cè)。在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15 m以后順風(fēng)和逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度比較近似。

圖4 采煤面粉塵濃度分布

4 粉塵防治

1）防塵措施。為了高效治理采煤機(jī)割煤產(chǎn)生的粉塵，擬定采用新式泡沫除塵技術(shù)。所采用的泡沫潤(rùn)濕性高、粘附性好、對(duì)滾筒包裹性強(qiáng)，因此對(duì)粉塵的治理效果優(yōu)于噴霧除塵[3]。 泡沫除塵裝備在采煤面上的應(yīng)用如圖5所示。由于采煤面條件限制，無(wú)法向采煤機(jī)機(jī)身上再額外安裝壓風(fēng)管路，因此將發(fā)泡器放置于進(jìn)風(fēng)巷中，在進(jìn)風(fēng)巷完成發(fā)泡后利用管路直接將泡沫運(yùn)送至采煤機(jī)上的噴頭中。如圖6所示，將噴頭固定在滾筒搖臂上，由于采煤機(jī)順風(fēng)、逆風(fēng)割煤時(shí)滾筒上下位置會(huì)發(fā)生改變，因此固定在搖臂上噴頭的可以隨之?dāng)[動(dòng)，能夠始終將泡沫直接噴射到滾筒周?chē)?，?shí)現(xiàn)源頭降塵。

圖5 采煤機(jī)泡沫降塵裝置布置

圖6 泡沫噴頭安裝

根據(jù)上述分析，粉塵可能會(huì)隨著風(fēng)流擴(kuò)散至人行道司機(jī)處，因此在液壓支架前側(cè)安裝負(fù)壓二次噴霧降塵裝置，如圖7所示。霧滴向采煤面方向噴射，用于治理從煤壁飄散向人行道處的粉塵，負(fù)壓吸塵裝置開(kāi)口朝向人行道處，可以引射含塵氣流，使粉塵顆粒與噴霧碰撞潤(rùn)濕，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)再次降塵的效果。負(fù)壓二次噴霧降塵裝置每隔兩臺(tái)支架安裝一個(gè)，開(kāi)啟和關(guān)閉與采煤機(jī)所在位置相聯(lián)動(dòng)，采煤機(jī)前后兩臺(tái)支架處的噴霧裝置為開(kāi)啟狀態(tài)，遠(yuǎn)處的噴霧裝置自動(dòng)關(guān)閉。

圖7 支架間負(fù)壓二次噴霧降塵裝置

2）治理效果。在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)5 m處和采煤面與回風(fēng)巷的交界處布置兩個(gè)測(cè)塵點(diǎn)，采用CCZ-1000直讀式測(cè)塵儀測(cè)定粉塵濃度，每次測(cè)定時(shí)利用兩臺(tái)測(cè)塵儀分別測(cè)量全塵和呼塵濃度。降塵效率根據(jù)下列公式計(jì)算[4]。

式中：μ為降塵效率，%；c0為粉塵在未采用任何降塵手段條件下的濃度，mg/m3；c1為使用了降塵技術(shù)以后的粉塵濃度，mg/m3。

根據(jù)表1中的測(cè)塵數(shù)據(jù)可以看出，采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)5 m處原始總粉塵平均濃度高達(dá)1 595 mg/m3，呼吸性粉塵平均濃度高達(dá)656 mg/m3。使用泡沫降塵技術(shù)治理后，全塵的平均濃度降低到155 mg/m3，呼塵被降低至61 mg/m3，降塵率均達(dá)到了90%以上。采用泡沫降塵后，采煤面與回風(fēng)巷交界處全塵平均濃度從614 mg/m3降到了 58 mg/m3，降塵率達(dá)到90%；呼塵平均濃度從308 mg/m3降低至30.3 mg/m3，降塵率同樣達(dá)到了90%。

表1 順風(fēng)割煤時(shí)各測(cè)塵點(diǎn)粉塵濃度

5 結(jié)論

1）8206綜采工作面風(fēng)流從采煤機(jī)機(jī)身到上風(fēng)側(cè)20 m處的風(fēng)速比較均勻，從機(jī)身上風(fēng)側(cè)到機(jī)身下風(fēng)側(cè)之間風(fēng)速逐漸增大，采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10～20 m范圍內(nèi)風(fēng)速開(kāi)始減小。

2）逆風(fēng)割煤時(shí)采煤機(jī)機(jī)身下風(fēng)側(cè)5 m附近粉塵濃度最高達(dá)1 582 mg/m3，順風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度最高達(dá)1 595.2 mg/m3。

3）采用泡沫降塵和支架間負(fù)壓二次噴霧降塵技術(shù)后，呼吸性粉塵和全塵的降塵率均達(dá)到了90%以上。