穆素生

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600)

粉塵是世界范圍內(nèi)公認(rèn)的對人體健康有害的物質(zhì)之一，長時間吸入大量細(xì)微粒徑粉塵可能會引發(fā)塵肺病等心肺系統(tǒng)疾病。塵肺病是我國第一大職業(yè)病，據(jù)統(tǒng)計，每年新增塵肺病患者近15 000人，目前全國塵肺病患者總數(shù)超過80萬人，死亡總數(shù)超過所有生產(chǎn)性事故(如火災(zāi)、瓦斯爆炸、透水等)的總和。此外，高濃度煤塵遇明火高溫后還可能發(fā)生煤塵爆炸，造成重大人員傷亡。采煤面是井工礦產(chǎn)生粉塵最多的地點之一，有些煤礦全塵濃度可能會高達3 000 mg/m3，對工作人員身心健康和企業(yè)安全生產(chǎn)有嚴(yán)重威脅。本文詳細(xì)分析了新元礦綜放面產(chǎn)塵特征，制定了針對性的綜合降塵技術(shù)，測定了降塵效果，為其他類似綜放面高效降塵提供了技術(shù)指導(dǎo)。

1 3405綜放工作面概況

新元礦位于山西壽陽縣，3405工作面位于一水平四采區(qū)，工作面走向長240 m，傾斜長1 825 m，主采3號煤層，煤層平均厚度2.05 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.20 m；老頂為中砂巖，平均厚度10.80 m；直接底為炭質(zhì)泥巖，平均厚度0.67 m；老底為細(xì)砂巖，平均厚度2.32 m。

2 綜放工作面粉塵產(chǎn)生特征

采煤機滾筒為螺旋葉片結(jié)構(gòu)，截割時在電機的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，依靠其上固定的多個截齒與煤壁碰撞，使煤體在高應(yīng)力下發(fā)生破碎變成小碎塊掉落至底板。煤體破碎過程中會產(chǎn)生大量粉塵，滾筒高速旋轉(zhuǎn)帶動周圍空氣一同旋轉(zhuǎn)形成渦旋氣流，此時粉塵既受渦旋氣流影響橫向擴散至工作空間和人行道處，又受工作面供風(fēng)影響向下風(fēng)側(cè)飄散污染整條巷道。滾筒平面結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出，滾筒旋轉(zhuǎn)時上下左右四個位置上截齒的切線速度方向顯然不同，可以代表該位置上產(chǎn)生粉塵的初始運動速度方向，比如在滾筒右側(cè)(D點)附近的粉塵主要運動速度分量分別朝向工作空間和下方，而滾筒左側(cè)(B點)附近粉塵的速度分量主要朝向工作空間和上方。

圖1 采煤機滾筒平面結(jié)構(gòu)及粉塵速度分量示意

采煤面利用液壓支架支撐頂板，當(dāng)采煤機向前推進截割時，液壓支架也要隨之前移避免出現(xiàn)大范圍空頂。支架移動時主要包含泄壓下降—前移—增壓上頂3個動作，在增壓上頂時，支架擠壓頂板煤巖體，容易造成破碎產(chǎn)塵，但此時產(chǎn)生的粉塵將留存于支架和頂板之間，難以下落至作業(yè)空間中。泄壓下降后為粉塵提供了散落空間，前移過程中兩個支架中間存在空隙，大量粉塵從空隙中掉落至人行道和作業(yè)空間中。移架時產(chǎn)生的粉塵范圍較大，往往沿支架呈全斷面分布，產(chǎn)生位置主要為兩支架之間的空隙中。

采煤機滾筒截割和液壓支架移架產(chǎn)塵主要存在于采煤面工作空間中，除此以外，膠帶運輸機轉(zhuǎn)載點轉(zhuǎn)運過程中也會產(chǎn)生大量粉塵，此處產(chǎn)生的粉塵多由上下膠帶高度差造成，上膠帶煤流掉落至下膠帶上，碎煤塊相互碰撞再次破碎產(chǎn)塵，同時碰撞沖擊還容易引起沉積粉塵飛揚?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)載點產(chǎn)生的粉塵由短距離內(nèi)掉落碰撞產(chǎn)生，為破碎產(chǎn)塵提供的輸入能量較小，因此很難產(chǎn)生如PM2.5等粒徑很小的粉塵。3405工作面是放頂煤開采工藝，支架前移后頂部大范圍煤體掉落也將產(chǎn)生粉塵，這部分粉塵將隨風(fēng)流向回風(fēng)側(cè)飄散。

為了準(zhǔn)確判斷粉塵運移特點，對工作面粉塵，尤其是采煤機割煤產(chǎn)塵飄散情況進行了長期現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)在采煤機截割作用下煤體破碎產(chǎn)生的粉塵飄向空中后受到滾筒旋轉(zhuǎn)帶動的渦旋氣流和工作面供風(fēng)雙重影響，既往橫向人行道處移動又沿工作面向下風(fēng)側(cè)運移，粉塵濃度分布情況從煤壁向人行道遞減。前后滾筒相比而言，前滾筒截割頂部煤體，產(chǎn)生的粉塵從頂板掉落至底板距離較長，有足夠時間在工作面擴散，因此粉塵濃度橫向遞減趨勢比較明顯。此外，采煤機機身對工作面風(fēng)流有比較明顯的阻礙作用，風(fēng)流在采煤機機身上風(fēng)向開始出現(xiàn)分流現(xiàn)象，風(fēng)流湍流狀態(tài)加劇，造成粉塵加速擴散，同時距前滾筒距離越遠，粉塵濃度在工作面的橫向分布現(xiàn)象越明顯，并逐漸充滿工作面全斷面。

不同濃度粉塵和不同粒徑粉塵對人體罹患塵肺病的影響有較大差異，粉塵濃度越高、細(xì)微顆粒粉塵占比越多，在空氣中懸浮的時間越長，更容易被作業(yè)人員吸入肺中。研究表明，空氣動力學(xué)直徑小于10 μm的粉塵顆粒沉降速度較慢，容易受風(fēng)流影響，隨風(fēng)流運移距離較遠；空氣動力學(xué)直徑大于10 μm的粉塵顆粒沉降比較快，很難隨風(fēng)流運移至較遠距離，而對人體危害最大的往往是粒徑較小的粉塵顆粒，如呼吸性粉塵、PM2.5等。現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，在人行道、采煤工作空間靠近采煤機機身的位置，不規(guī)則物體較多(如采煤機機身、搖臂、支架等)，風(fēng)向紊亂，加劇了粉塵擴散。

在采煤機機身前端面、機身中心、機身后端面分別布置粉塵采樣點，測定粉塵粒徑分布狀況如圖2所示?？梢钥闯觯跈C身前方PM10粉塵顆粒占比小于其他兩處，粒徑大于10 μm的粉塵顆粒占比最高，達到了近50%；機身后端面PM10占比最大，占70%以上；機身中心PM10約占65%.因此，采煤機機身后側(cè)細(xì)微顆粒粉塵占比最大，治理難度也更大。而這部分粉塵中有大部分是由前部產(chǎn)塵飄散造成的，因此需要對采煤機前后滾筒采用同樣強度的降塵措施。

圖2 采煤機不同區(qū)域的粉塵粒徑分布情況

3 綜合降塵技術(shù)應(yīng)用效果測定

為了治理工作面粉塵，在采煤機滾筒上布置高壓噴霧降塵，在兩個液壓支架架間布置噴霧降塵，在回風(fēng)巷與工作面相交處布置水幕簾，利用多種形式綜合除塵。根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中有關(guān)工作場所粉塵濃度測定的規(guī)定，在距離采煤機10 m和水幕簾后3 m后設(shè)置兩個測塵點，每次測定時利用直讀式粉塵濃度儀同時檢測呼吸性粉塵和總粉塵濃度。測塵結(jié)果如表1所示。除塵率按照公式(1)計算。

表1 各測塵點粉塵濃度

(1)

式中：μ為除塵率，%；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.

從表1可以看出，在沒有任何降塵措施條件下開采時，產(chǎn)生的粉塵濃度為原始粉塵濃度，此時采煤機下風(fēng)向10 m處的全塵平均濃度為1 175.5 mg/m3，呼塵平均濃度為424.9 mg/m3.由于大顆粒粉塵在隨風(fēng)飄散的過程中逐漸下降，因此粉塵濃度隨運移距離擴散而逐漸降低，在水幕簾后方3 m位置的原始全塵平均濃度減少為375.5 mg/m3，原始呼塵平均濃度減少為186 mg/m3.當(dāng)使用了本文上述綜合降塵技術(shù)后，采煤機下風(fēng)向10 m處全塵濃度降低到162.8 mg/m3，呼塵濃度降低到64.6 mg/m3，除塵率分別為86%和85%.在回風(fēng)巷水幕簾后方，全塵和呼塵除塵率分別為92%和90%， 平均濃度分別降低至30.4 mg/m3和17.8 mg/m3.

4 結(jié) 語

1) 3405綜采面產(chǎn)塵主要來自采煤機割煤破碎產(chǎn)塵、支架移架落塵、轉(zhuǎn)載點拋煤揚塵3種，其中采煤機滾筒旋轉(zhuǎn)造成周圍氣流紊亂加劇了粉塵擴散，采煤機后方粉塵危害最大，中部次之。

2) 利用采煤機滾筒噴霧降塵、支架架間噴霧降塵和水幕簾除塵后， 在采煤機下風(fēng)側(cè)10 m位置全塵平均濃度從1 175.5 mg/m3降低至162.8 mg/m3，降塵率達到了86.1%，呼塵平均濃度從424.9 mg/m3降低至64.6 mg/m3，降塵率達到了84.8%；在回風(fēng)巷水幕簾后方3 m處全塵和呼塵濃度分別降低至30.4 mg/m3和17.8 mg/m3，降塵率達到了90%.