張貴生，黃友銳，涂慶毅，朱艷娜

（安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001）

0 引言

近年來，隨著自動化機械設備、智能化管理系統(tǒng)的迅速推廣，煤炭開采深度和集中開采量大幅增加[1].開采深度關乎地質(zhì)條件與煤質(zhì)，集中開采量決定單位產(chǎn)塵量，地質(zhì)條件越復雜、破壞程度越高、煤質(zhì)疏松與干燥度越大、集中開采量越大，產(chǎn)塵量也就越高，粉塵防控問題就越發(fā)突出.礦井粉塵是煤礦、巖石、灰塵等物質(zhì)所構(gòu)成細微顆粒群體的簡稱[2]，在井下正常班制生產(chǎn)中，采掘、運輸?shù)裙に囘^程出現(xiàn)的生產(chǎn)性粉塵會隨著井下風流四處逸散.粉塵危害主要體現(xiàn)在以下方面：①降低可視度，漂浮在空氣中的粉塵顆粒會阻擋光線的正常傳輸[3]，阻礙煤礦工人視線；②損壞機械設備，粉塵顆粒易滲入軸承、集成電路等部位，增加機械磨損、造成接觸不良、降低精密度[4-6]；③存在自燃風險，據(jù)統(tǒng)計，中國每年發(fā)生的煤塵爆炸事故占各類粉塵爆炸事故的 35%左右[7]；④引發(fā)塵肺病，呼塵顆粒的空氣動力學直徑小于7.07 μm，可直接進入人體肺泡，是引發(fā)煤礦塵肺病的主要原因.據(jù)國家衛(wèi)健委統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2008-2018年煤礦塵肺病新增病例約占塵肺病新增病例總數(shù)的50.65%[8].

為避免盲目除塵，需要找出對應區(qū)域的粉塵分布運移規(guī)律，目前眾多學者對井下粉塵分布規(guī)律開展了大量研究，研究方式主要有現(xiàn)場監(jiān)測與計算機模擬.菅潔等[9]等通過現(xiàn)場測量綜采工作面全塵、呼塵質(zhì)量濃度，用激光粒度分布儀分析粒徑，提出綜采工作面粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律與粉塵粒徑分布規(guī)律一致理論；楊昆等[10]采用改進融合算法有效控制粉塵傳感器監(jiān)測誤差，形成對井下粉塵濃度的實時監(jiān)測；王建國等[11]依據(jù)數(shù)值仿真及現(xiàn)場實測，建立氣-固兩相流的粉塵運移數(shù)學和物理模型，得出綜采工作面風流運動情況.本文對井下主要產(chǎn)塵點及巷道等人員聚集作業(yè)與通行區(qū)域內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律進行實測研究，并提出防治措施.

1 各區(qū)域主要塵源及產(chǎn)塵致因

井下產(chǎn)塵區(qū)域主要包括綜采工作面、掘進頭、主運巷轉(zhuǎn)載處、輔運大巷.綜采工作面空間粉塵來源主要包括割煤機截割粉塵、移架落塵、地面揚塵、轉(zhuǎn)載蕩塵、新鮮風流攜塵等；掘進頭空間粉塵來源主要包括掘進機截割粉塵、轉(zhuǎn)載蕩塵、地面揚塵等；主運巷轉(zhuǎn)載處、輔運大巷空間粉塵主要來源分別為轉(zhuǎn)載蕩塵、地面揚塵.

1.1 工作面產(chǎn)塵致因分析

（1）內(nèi)在因素

地質(zhì)構(gòu)造及煤層賦存條件是工作面產(chǎn)塵的內(nèi)在因素，煤體分散度、礦物成分、荷電性和潤濕性等理化性質(zhì)，采煤方式、現(xiàn)場溫濕度環(huán)境、通風條件、開采強度等工況都是影響塵源產(chǎn)塵量的重要因素.查閱資料可知，地質(zhì)構(gòu)造越復雜、破壞越嚴重、褶皺越多，煤炭開采產(chǎn)塵量越大[12]，煤質(zhì)潤濕性越高、環(huán)境濕度越大、開采強度越小，現(xiàn)場粉塵濃度越低.經(jīng)現(xiàn)場勘測，陜西某煤礦地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，煤層原始含水率高于4.60%，煤質(zhì)較好、機械化程度高，現(xiàn)場通風風壓不足且開采量較大，年產(chǎn)量超過1 000萬t.

（2）截割粉塵

截割動作時，接觸煤體受擠壓形成密實核[13]，此時煤體內(nèi)大孔隙發(fā)生形變，當截割應力超出承受范圍時，煤體破裂、產(chǎn)生煤塵；破裂后的煤體在彈性恢復時通常會進一步加大裂縫，分裂出更多煤塊，產(chǎn)生更多煤塵；旋轉(zhuǎn)滾筒截齒對破裂煤塊造成二次撞擊、煤塊之間互相碰撞、大采高下煤塊自然落地等皆可產(chǎn)生撞擊煤塵；此外，頂煤及煤壁受損引起大量煤塊垮落并撞擊割煤機、輸送機，可形成大量沖擊粉塵.截割粉塵在滾筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦旋風流作用下，迅速擴散至整個采煤區(qū)域，隨工作面進風風流運移.查閱資料分析可知，相同風速下，截割粉塵濃度隨風流運移而逐漸降低[14].

（3）移架落塵、地面揚塵

綜采工作面采空頂煤在液壓支架支撐作用下保持穩(wěn)定，移架時，破碎頂煤冒落、后方煤體垮落，移架落塵進入工作面空間隨風流逸散；移架落煤、大粒徑煤塵沉降等原因造成架間路面積塵嚴重，煤礦工人正?；顒訒幤鸫罅棵簤m，形成地面揚塵進入風流；此外，掘進頭依靠鏟車運煤，往返運行產(chǎn)生大量地面揚塵進入風流.

（4）轉(zhuǎn)載蕩塵、新鮮風流攜塵

綜采工作面進風通道主要為膠運巷和輔運巷，膠運巷轉(zhuǎn)載機處產(chǎn)生的蕩塵會隨風流進入工作面，輔運巷內(nèi)新鮮風流攜帶粉塵也會隨風流進入工作面，增加工作面粉塵濃度.

1.2 輔運大巷產(chǎn)塵致因分析

輔運大巷內(nèi)運行車輛是地面揚塵的主要誘因，由現(xiàn)場技術(shù)人員日常測量數(shù)據(jù)可知，當防爆皮卡、雙排人車、防爆指揮車等不同車輛通過時，總塵濃度激增至原來的3倍左右，車輛噸位越大、速度越快，揚塵越多、自然沉降周期越長.

2 儀器選型與校準

通過文獻研究及現(xiàn)場調(diào)研可知，煤礦井下測塵主要采用自動監(jiān)測與人工檢測.自動監(jiān)測是以激光散射原理為代表的粉塵傳感器作為監(jiān)測終端，以無線網(wǎng)絡或通信線纜為傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)實時、動態(tài)監(jiān)測；人工檢測是通過以采樣器、直讀式測塵儀為代表的便攜式粉塵監(jiān)測設備，人工操作.通過調(diào)研陜西省某煤礦，井下無線網(wǎng)絡因維護不及時已停用，重啟投資較大，現(xiàn)有通信線纜亦無法接通綜采工作面架間、掘進工作面司機處等測點，因此，自動監(jiān)測方式不可?。淮送?，由于直讀式測塵儀測量精度隨時間推移而逐漸降低且價格昂貴，無法實現(xiàn)多點共測，實驗不可取.

為獲取更加準確的實測數(shù)據(jù)，現(xiàn)選用 20臺CCZ-20A礦用粉塵采樣器進行實驗校準，并將做好防爆處理的TG-328A電光分析天平和202-00A小型臥式烘干箱放置于就近硐室等井下避風場所，以減少運輸距離，避免樣本中捕獲粉塵飄散或抖落，提高計算精度和效率.儀器校準步驟如下.

（1）測點選擇

測塵點選取副斜井井底車場，此處為該礦井下技術(shù)人員固定測點，生產(chǎn)班檢測數(shù)據(jù)顯示，3 d內(nèi)總塵與呼塵平均值分別為4.23 mg/m3、2.21 mg/m3.

（2）檢測方式

將20臺采樣器按1～20順序編號，在生產(chǎn)班時依次排開，同時同地，逆風吸塵，統(tǒng)一設定采樣流量Q為20 L/min，單次采樣時間h為30 min，單臺連續(xù)測量總塵和呼塵各兩次，按式（1）分別計算質(zhì)量濃度.

式中，T為總塵或呼塵質(zhì)量濃度，mg/m3；f0為采樣前濾膜質(zhì)量，mg；f1為采樣后濾膜質(zhì)量，mg；h為采樣時間，min；Q為采樣流量，L/min.

求取兩次平均值，最后得出 20臺采樣器在該測點處的平均粉塵質(zhì)量濃度，見表1.

表1 20臺采樣器平均粉塵質(zhì)量濃度Tab.1 average dust mass concentration of 20 samplers

由表1可以看出，儀器編號為6、8、13的采樣器的粉塵數(shù)據(jù)波動較大，分析可知，這3臺采樣器皆具有流量控制不穩(wěn)、時間調(diào)節(jié)不暢等缺點，實驗不可取；其余 17臺采樣器總塵平均質(zhì)量濃度集中在 4.08～4.31 mg/m3、呼塵集中在 2.18～2.27 mg/m3，與陜西某煤礦現(xiàn)場技術(shù)人員測定數(shù)據(jù)基本相符，本次現(xiàn)場實測采用16臺校準采樣器.

3 測塵現(xiàn)場與測點布置

為獲取更加全面的粉塵分布規(guī)律，實驗設定在某煤礦 25208工作面和 25210工作面、44203和44205兩個掘進頭、主運巷轉(zhuǎn)載一處與二處、輔運大巷四處粉塵流動及煤礦工人集中活動區(qū)域.

3.1 測塵現(xiàn)場

某煤礦除上述2個綜采工作面和2個掘進頭，其余為采空或待開采區(qū).綜采工作面采用大采高一次采全高、純機械化綜采工藝，工作面長 240～320 m，高7.3 m，現(xiàn)場風速約為1.88 m/s，降塵措施為煤層表面噴水、采煤全程噴霧，回風巷采用噴霧與捕塵網(wǎng)雙重除塵，液壓支架間等行人通道視線清晰度中等，目測可視度低于15 m，除塵效果一般；掘進頭采用純機械化連采工藝，工作面長4～6 m，高 7.5 m，現(xiàn)場降塵措施為全程噴霧，轉(zhuǎn)載落差高度1.2～1.8 m，現(xiàn)場風速約為2.56 m/s，工作時掘進機50 m范圍內(nèi)視線模糊，目測可視度低于8 m，除塵效果較差；主運巷轉(zhuǎn)載處落差高度為 1.2～1.8 m，降塵措施為自帶噴霧降塵，現(xiàn)場風速約為1.18 m/s；輔運大巷長度約為6 km，副斜井井口風速約為7.95 m/s，斷面為22.8 m2，繞道口風速大于4 m/s，全巷可通車，降塵措施為間隔噴霧.

3.2 測點布置

為提高檢測速度和效率，實驗把16臺CCZ-20A礦用粉塵采樣器均分為8組，編號為A、B、C、D、E、F、G、H，每組2臺采樣器（編號1、2），每臺采樣器貼上標簽（如 A1、A2），同一時間內(nèi)每組采樣器同時測量一個測點，支架高度為 1.5 m，采樣流量Q設為 20 L/min，單次采樣時間h為30 min，單臺連續(xù)測量總塵質(zhì)量濃度和呼塵質(zhì)量濃度各一次.

（1）25208工作面和25210工作面測點布置

25208工作面和25210工作面結(jié)構(gòu)及配置相似，綜采工作面測點布置見圖1.將8組采樣器依次布置在轉(zhuǎn)載機、割煤機司機、割煤機司機下風側(cè)10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、回風巷捕塵網(wǎng)下風側(cè)10 m處.

圖1 綜采工作面測點布置Fig.1 comprehensive mining work surface measurement point layout

（2）44203掘進頭和44205掘進頭測點布置

44203掘進頭和44205掘進頭結(jié)構(gòu)及配置相似，掘進頭測點布置見圖2.將8組采樣器依次布置在掘進機司機、掘進頭下風側(cè)10 m、15 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m處.圖2中，測點D恰好位于轉(zhuǎn)載機處.

圖2 掘進頭測點布置Fig.2 TBM head measurement point arrangement

（3）主運巷轉(zhuǎn)載一處、二處測點布置

主運巷轉(zhuǎn)載一處、二處分別為主運巷與25208工作面、25210工作面膠運巷交匯處，且兩處轉(zhuǎn)載結(jié)構(gòu)及布置相似，主運巷轉(zhuǎn)載一處、二處測點布置見圖3.

圖3 主運巷轉(zhuǎn)載一處、二處Fig.3 first and second places are reproduced in the main transport lane

圖3中，將8組采樣器依次布置在主運巷內(nèi)轉(zhuǎn)載機上風側(cè)5 m、轉(zhuǎn)載機處、轉(zhuǎn)載機下風側(cè)5 m、10 m、膠運巷內(nèi)轉(zhuǎn)載機下風側(cè)5 m、10 m、15 m、20 m處.

（4）輔運大巷測點布置

輔運大巷測點布置見圖4.輔運大巷測點包括副斜井井口、輔運大巷與25208工作面、44203工作面、25210工作面、44205工作面繞道口上風側(cè)、44205工作面繞道口下風側(cè)10 m、20 m、30 m處.

圖4 輔運大巷測點Fig.4 measurement points in auxiliary transportation lanes

4 實驗數(shù)據(jù)及分析

采樣器取樣后部分濾膜實物見圖5.

圖5 采樣器取樣后部分濾膜實物Fig.5 partial membrane after sampler sampling

每組兩個總塵或呼塵質(zhì)量濃度的平均值即為該點此刻總塵或呼塵平均質(zhì)量濃度.數(shù)據(jù)處理采用四舍五入法，粉塵平均質(zhì)量濃度實測數(shù)據(jù)見表2.

表2 粉塵質(zhì)量濃度實測數(shù)據(jù)Tab.2 measured data of dust mass concentration mg/m3

基于粉塵質(zhì)量濃度實測數(shù)據(jù)，分別于綜采工作面、掘進頭、主運巷轉(zhuǎn)載處、輔運大巷4處產(chǎn)塵位置沿風流方向?qū)Ψ蹓m運移規(guī)律進行可視化分析.

（1）綜采工作面實測數(shù)據(jù)分析

綜采工作面實測數(shù)據(jù)如圖6，由表2和圖6可知，在割煤機司機測點B處粉塵質(zhì)量濃度最大，25208工作面、25210工作面在此處總塵質(zhì)量濃度增幅為408.60%、322.06%，呼塵質(zhì)量濃度增幅為299.57%、266.82%，呼塵質(zhì)量濃度占比為25.63%、32.40%，總塵質(zhì)量濃度最大值為182.23 mg/m3、191.11 mg/m3，呼塵質(zhì)量濃度最大值為46.71 mg/m3、61.92 mg/m3，超出《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定值的18.68～47.77倍；測點B處過后，大粒徑總塵自然降落，順風30 m后粉塵質(zhì)量濃度趨于平穩(wěn)，該區(qū)間內(nèi)呼塵質(zhì)量濃度占比逐漸增高，最高可達 52.81%、60.51%；后經(jīng)回風巷捕塵網(wǎng)過濾后，粉塵質(zhì)量濃度回落，捕塵率約為總塵質(zhì)量濃度的70%、呼塵質(zhì)量濃度的60%，捕塵后區(qū)間內(nèi)呼塵占比分別激增至80.29%、80.41%.25208工作面、25210工作面內(nèi)沿風流方向，大粒徑總塵主要沉降區(qū)間為0～30 m，粉塵質(zhì)量濃度整體呈現(xiàn)“激增-驟減-平穩(wěn)-回落”運移規(guī)律.

圖6 綜采工作面實測數(shù)據(jù)Fig.6 measured data at comprehensive mining work surface

（2）掘進頭實測數(shù)據(jù)分析

掘進頭實測數(shù)據(jù)如圖7，由表2和圖7可知，粉塵質(zhì)量濃度在測點A處達到最大值，總塵質(zhì)量濃度最大為280.62 mg/m3、292.85 mg/m3，呼塵質(zhì)量濃度最大為82.66 mg/m3、91.86 mg/m3，呼塵質(zhì)量濃度占比為29.46%、31.37%，超出《煤礦安全規(guī)程》的33.06～73.21倍.

圖7 掘進頭實測數(shù)據(jù)Fig.7 measured data at boring head actual

測點A處過后，大粒徑總塵自然降落，但受鏟車運煤誘發(fā)地面揚塵影響，測點B、測點C兩處總塵與呼塵降低量較??；測點 D處呼塵占比為32.96%、34.31%，測點D處過后，30 m內(nèi)總塵減少量由大變小，呼塵占比逐漸增加，達至66.08%、65.38%；風流經(jīng)噴霧降塵后，粉塵質(zhì)量濃度驟減，呼塵占比激增至78.31%、79.79%，噴霧降塵率約為總塵的57%、呼塵的45%.44203掘進頭、44205掘進頭內(nèi)沿風流方向，大粒徑總塵主要沉降區(qū)間超過30 m，粉塵質(zhì)量濃度整體呈現(xiàn)“遞減-驟增-遞減”運移規(guī)律.

（3）主運巷轉(zhuǎn)載處實測數(shù)據(jù)分析

主運巷轉(zhuǎn)載處實測數(shù)據(jù)如圖8，由表2和圖8可知，測點B處粉塵質(zhì)量濃度達到最大值，轉(zhuǎn)載一處、二處的總塵最大值為21.26 mg/m3、22.13 mg/m3，呼塵最大值為 8.24 mg/m3、8.66 mg/m3，總塵增幅為144.93%、144.80%，呼塵增幅為130.17%、128.50%，呼塵占比為38.76%、39.13%，粉塵質(zhì)量濃度超出《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定值的3.3～5.5倍；測點B處過后，大粒徑總塵自然降落，測點G處粉塵達到平衡，此處呼塵占比為 48.34%、48.76%，粉塵質(zhì)量濃度、呼塵占比皆大于轉(zhuǎn)載機上風側(cè)測點A對應檢測值，小于綜采工作面轉(zhuǎn)載機處對應檢測值，與理論分析相符.主運巷轉(zhuǎn)載機下風側(cè)（B-D）、膠運巷內(nèi)轉(zhuǎn)載機下風側(cè)（E-G），大粒徑總塵主要沉降區(qū)間為0～15 m，粉塵質(zhì)量濃度沿風流方向皆呈現(xiàn)遞減運移規(guī)律.

圖8 主運巷轉(zhuǎn)載處實測數(shù)據(jù)Fig.8 measured data at main transport lane reprint

（4）輔運大巷實測數(shù)據(jù)分析

輔運大巷實測數(shù)據(jù)如圖9，由表2和圖9可知，副斜井井口測點 A處新鮮風流總塵、呼塵分別為3.27 mg/m3、2.01 mg/m3，呼塵占比為61.47%，符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定；A處過后，風速降低，地面揚塵逸散變慢，使粉塵質(zhì)量濃度迅速增加，此外，經(jīng)工作面繞道口后，逆風車輛引起的渦旋風流將工作面繞道內(nèi)部分粉塵攜帶至輔運大巷，導致測點C、測點D、測點E、測點F逐個低幅增長，直至測點F達到平衡，此處呼塵占比為59.50%；在現(xiàn)場檢測時，車輛隨機通行.經(jīng)上述分析可知，輔運大巷內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度沿風流方向呈現(xiàn)“遞增-平穩(wěn)”運移規(guī)律.

圖9 輔運大巷實測數(shù)據(jù)Fig.9 measured data at auxiliary transportation lane actual

5 結(jié)論

通過上述分析可知，陜西某煤礦井下沿風流從副斜井井口、繞道口深入至各工作面的空間內(nèi)，粉塵質(zhì)量濃度整體呈現(xiàn)“遞增-激增-遞減-平穩(wěn)-回落”，降塵措施過后最終匯入回風巷.

（1）25208工作面、25210工作面在1.88 m/s風流下，大粒徑總塵主要沉降區(qū)間為0～30 m，架間煤礦工人活動區(qū)域的總塵質(zhì)量濃度大于60.25 mg/m3，與現(xiàn)場目測可視度低于15 m的結(jié)論相符；割煤機司機處總塵質(zhì)量濃度高于182.23 mg/m3、但呼塵占比低于32.40%，說明煤質(zhì)較好、開采強度高，驗證了理論分析；捕塵網(wǎng)捕塵率、噴霧降塵效果一般.

（2）掘進頭在 2.56 m/s風流下，大粒徑總塵主要沉降區(qū)間超過30 m，受純機械化連采工藝及降塵方法影響，掘進頭區(qū)間內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度高于107.82 mg/m3，與現(xiàn)場目測可視度不足8 m的結(jié)論相符，是重點防治區(qū)域.

（3）主運巷轉(zhuǎn)載處在1.18 m/s風流下，大粒徑總塵主要沉降區(qū)間為0～15 m，自然沉降后總塵增量大于1.5 mg/m3，呼塵質(zhì)量增量大于1.3 mg/m3，是進入工作面新鮮風流攜塵的主要致因之一.

（4）副斜井井口新鮮風流中粉塵質(zhì)量濃度達標，而進入工作面繞道口的新鮮風流總塵質(zhì)量濃度大于4.85 mg/m3、呼塵大于3.04 mg/m3，說明輔運大巷地面揚塵也是新鮮風流攜塵的主要致因之一，與理論分析相符.