龐杰文，郝永江，梁 磊，謝建林，李 媛

(太原科技大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引 言

近年來，大采高綜合機(jī)械化采煤工藝在厚煤層開采中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。大采高工作面工作強(qiáng)度大，產(chǎn)煤效率高，同時(shí)產(chǎn)塵強(qiáng)度也大。塵源主要來自于截割煤塵、移架煤塵和沖擊煤塵[2]。為了保障采煤工作面安全高效地開采，目前大采高工作面多采用采煤機(jī)內(nèi)外噴霧、液壓支架頂部噴霧、行人空間移架降架噴霧、煤塵注水等綜合防塵措施，大幅降低了采煤工作面的粉塵質(zhì)量濃度[3-8]。然而對(duì)于可吸入煤塵，其降塵效果仍不是很理想[9-10]。為此許多學(xué)者對(duì)采煤工作面粉塵的運(yùn)移規(guī)律、分布特征以及降塵措施等進(jìn)行了深入研究，并取得了許多研究成果。徐青云等[11]采用FLUENT軟件建立數(shù)值模型，對(duì)移架及截割兩個(gè)產(chǎn)塵工序進(jìn)行了模擬分析，研究了多塵源影響下的大采高綜采工作面風(fēng)流-粉塵的分布規(guī)律。許圣東[12]、陳芳[13]以神東補(bǔ)連塔煤礦8 m大采高綜采工作面為依據(jù)，考慮開采空間設(shè)備的阻礙作用，運(yùn)用CFD模擬方法建立模型，分析了大采高綜采工作面風(fēng)流及呼吸性粉塵的分布特征。蘇士龍等[14]在大采高工作面布置測點(diǎn)進(jìn)行了粉塵質(zhì)量濃度實(shí)測，得到了大采高工作面PM10和PM5粉塵分布特征?？钻柕萚15]采用FLUENT軟件對(duì)綜采工作面粉塵彌散規(guī)律進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)綜采工作面風(fēng)流存在“兩區(qū)一帶”的規(guī)律，并確定了粉塵重點(diǎn)防護(hù)區(qū)。崔向飛等[16]分別在神東補(bǔ)連塔煤礦7 m大采高綜采工作面的人行道、中心工作面、煤壁處布置測點(diǎn)，對(duì)風(fēng)速、粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了測量，并對(duì)大采高工作面除塵措施進(jìn)行了改造，取得了較好的應(yīng)用效果。杜善周等[17]采用CFD軟件模擬了大采高綜采工作面的粉塵分布特征，同時(shí)在采煤機(jī)上加裝機(jī)載除塵器，模擬分析了機(jī)載除塵器對(duì)工作面粉塵的凈化效果。目前，關(guān)于大采高工作面粉塵分布規(guī)律及降塵措施的研究，已取得了較多的研究成果[18]。然而對(duì)于大采高綜采工作面截割可吸入煤塵的分布特征及降塵措施研究較少。而從職業(yè)危害的角度考慮[19]，PM10為可吸入粉塵，粒徑小于等于10 μm，進(jìn)入人體后可沉積在上呼吸道；PM5為呼吸性粉塵，粒徑小于等于5 μm，可到達(dá)呼吸道深處及肺泡區(qū)，對(duì)人體危害極大。而PM2.5可深入肺泡，一旦進(jìn)入人體很難再通過呼吸排除，是造成塵肺病的根本原因。

為此，筆者以山西臨汾某礦大采高綜采工作面為例，在前后滾筒附近設(shè)置測點(diǎn)，分別監(jiān)測順風(fēng)和逆風(fēng)情況下采煤機(jī)前后滾筒附近截割產(chǎn)生的PM10,PM5和PM2.5，分析截割可吸入煤塵的分布特征，同時(shí)通過在進(jìn)風(fēng)巷安裝表面活性劑添加裝置，為采煤工作面提供添加了表面活性劑的降塵用水，以提高截割煤塵的降塵效率，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 大采高綜采工作面概況

山西臨汾某礦2103工作面所采煤層為2號(hào)煤層，煤層整體向北西傾斜，傾角-2°～6°，一般為2°。煤層局部節(jié)理發(fā)育，普氏硬度為1.6，屬穩(wěn)定煤層。煤厚為5.38～7.08 m，平均為6.03 m。工作面采用走向長壁后退綜合機(jī)械化一次采全高的采煤方法，采用MG900/2300-WD型采煤機(jī)落煤，截深為0.8 m。工作面采高為6.0 m，滾筒直徑為3.2 m。采煤機(jī)牽引速度為1.14～1.53 m/min。工作面共布置139臺(tái)支架，最大支護(hù)高度為6.5 m，最小支護(hù)高度為2.9 m。工作面采用一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)方式，平均風(fēng)速為1.2 m/s。目前工作面所采用的防塵措施有：巷道凈化水幕、捕塵網(wǎng)、轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧、采煤機(jī)內(nèi)外噴霧、支架噴霧、巷道灑水、粉塵清掃、個(gè)體防護(hù)等。

2 大采高綜采工作面截割煤塵測點(diǎn)布置

為研究大采高綜采工作面截割煤塵分布特征，分別在采煤機(jī)前后滾筒附近布置煤塵監(jiān)測點(diǎn)，測量順風(fēng)情況下和逆風(fēng)情況下大采高綜采工作面PM10,PM5,PM2.5的粉塵質(zhì)量濃度，測點(diǎn)布置如圖1所示。測量時(shí)采煤機(jī)運(yùn)行至工作面中部，即前后兩滾筒分別在65號(hào)和75號(hào)支架附近，測點(diǎn)布置沿風(fēng)流風(fēng)向依次布置，因此在順風(fēng)情況下，測點(diǎn)1位于采煤機(jī)后滾筒附近，測點(diǎn)2位于采煤機(jī)前滾筒附近；逆風(fēng)時(shí)，測點(diǎn)1位于采煤機(jī)前滾筒附近，測點(diǎn)2位于采煤機(jī)后滾筒附近。測量儀器選用SidePak AM520i型個(gè)體暴露粉塵儀。該儀器可實(shí)時(shí)顯示并記錄PM10、PM5、PM2.5質(zhì)量濃度。

3 截割可吸入煤塵分布特征分析

為保障粉塵監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，將SidePak AM520i型個(gè)體暴露粉塵儀放置于測點(diǎn)位置，靜置1 min，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后開始監(jiān)測。監(jiān)測時(shí)間為1 min，每秒記錄一次數(shù)據(jù)，共60組數(shù)據(jù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖2—圖4所示。

由圖2可以看出，順風(fēng)時(shí)，測點(diǎn)1(后滾筒)實(shí)時(shí)監(jiān)測的PM10粉塵質(zhì)量濃度在411～813 mg/m3范圍內(nèi)波動(dòng)，均值為561 mg/m3；測點(diǎn)2(前滾筒)的PM10粉塵質(zhì)量濃度在83～1 113 mg/m3波動(dòng)，均值為609 mg/m3；逆風(fēng)時(shí)，測點(diǎn)1(前滾筒)實(shí)時(shí)監(jiān)測的PM10粉塵質(zhì)量濃度在331～1 079 mg/m3波動(dòng)，均值為577 mg/m3；測點(diǎn)2(后滾筒)的PM10粉塵質(zhì)量濃度在154～1 158 mg/m3波動(dòng)，均值為614 mg/m3。由圖3可以看出，順風(fēng)時(shí)，測點(diǎn)1(后滾筒)實(shí)時(shí)監(jiān)測的PM5粉塵質(zhì)量濃度在324～860 mg/m3波動(dòng)，均值為489 mg/m3；測點(diǎn)2(前滾筒)的PM5粉塵質(zhì)量濃度在183～825 mg/m3波動(dòng)，均值為508 mg/m3；逆風(fēng)時(shí)，測點(diǎn)1(前滾筒)實(shí)時(shí)監(jiān)測的PM5粉塵質(zhì)量濃度在204～833 mg/m3波動(dòng)，均值為495 mg/m3；測點(diǎn)2(后滾筒)的PM5粉塵質(zhì)量濃度在240～1 213 mg/m3波動(dòng)，均值為522 mg/m3。由圖4可以看出，順風(fēng)時(shí)，測點(diǎn)1(后滾筒)實(shí)時(shí)監(jiān)測的PM2.5粉塵質(zhì)量濃度在143～433 mg/m3波動(dòng)，均值為231 mg/m3；測點(diǎn)2(前滾筒)的PM2.5粉塵質(zhì)量濃度在185～417 mg/m3波動(dòng)，均值為245 mg/m3；逆風(fēng)時(shí)，測點(diǎn)1(前滾筒)實(shí)時(shí)監(jiān)測的PM2.5粉塵質(zhì)量濃度在37～595 mg/m3波動(dòng)，均值為242 mg/m3；測點(diǎn)2(后滾筒)的PM2.5粉塵質(zhì)量濃度在105～510 mg/m3波動(dòng)，均值為256 mg/m3。

圖2 采煤機(jī)滾筒處PM10粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測曲線Fig.2 Monitoring curve of PM10 dust concentration at shearer drum

圖3 采煤機(jī)滾筒處PM5粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測曲線Fig.3 Monitoring curve of PM5 dust concentration at shearer drum

圖4 采煤機(jī)滾筒處PM2.5粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測曲線Fig.4 Monitoring curve of the PM2.5 dust concentration at the shearer drum

通過對(duì)比圖2、圖3和圖4，可以發(fā)現(xiàn)：①無論順風(fēng)還是逆風(fēng)，受測點(diǎn)1處割煤、采煤機(jī)組空間內(nèi)落煤的影響，位于下風(fēng)側(cè)的測點(diǎn)2處的PM10,PM5粉塵質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍更大，其PM10,PM5粉塵質(zhì)量濃度也大于測點(diǎn)1處的；而對(duì)于PM2.5，下風(fēng)側(cè)測點(diǎn)2處的PM2.5粉塵質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍比測點(diǎn)1處更小，其原因與PM2.5擴(kuò)散特征有關(guān)，微細(xì)顆粒的擴(kuò)散更為均勻，其PM2.5粉塵質(zhì)量濃度大于測點(diǎn)1處的。②對(duì)于測點(diǎn)1，順風(fēng)時(shí)其位置略高于滾筒，而逆風(fēng)時(shí)其位置略低于滾筒，順風(fēng)時(shí)影響測點(diǎn)1處PM10,PM5,PM2.5粉塵質(zhì)量濃度的落煤區(qū)域小于逆風(fēng)時(shí)的，故順風(fēng)時(shí)測點(diǎn)1處的PM10,PM5,PM2.5粉塵質(zhì)量濃度低于逆風(fēng)時(shí)的。③對(duì)于測點(diǎn)2，順風(fēng)時(shí)其位置略低于滾筒，逆風(fēng)時(shí)其位置略高于滾筒，順風(fēng)時(shí)影響測點(diǎn)2處PM10,PM5,PM2.5粉塵質(zhì)量濃度的落煤區(qū)域大于逆風(fēng)時(shí)的，然而受上風(fēng)側(cè)測點(diǎn)1處、以及采煤機(jī)組空間內(nèi)落煤的影響，順風(fēng)時(shí)測點(diǎn)1位于后滾筒附近，其產(chǎn)塵點(diǎn)位置偏低，而PM10,PM5,PM2.5屬于微塵，在靜止空氣中一般作等速沉降運(yùn)動(dòng)[20]，PM10,PM5,PM2.5粉塵運(yùn)移至測點(diǎn)2位置時(shí)，其粉塵質(zhì)量濃度疊加效應(yīng)不如逆風(fēng)時(shí)明顯(逆風(fēng)時(shí)測點(diǎn)1位于前滾筒附近，產(chǎn)塵點(diǎn)位置偏高)。因此逆風(fēng)時(shí)測點(diǎn)2處的PM10,PM5,PM2.5粉塵質(zhì)量濃度大于順風(fēng)時(shí)的。

4 截割煤塵表面活性劑降塵

目前該工作面已采取了采煤機(jī)內(nèi)外噴霧、支架噴霧、個(gè)體防護(hù)等防塵措施，然而對(duì)于截割可吸入煤塵的降塵效果并不理想。為進(jìn)一步降低截割煤塵對(duì)工作面環(huán)境的影響，在工作面進(jìn)風(fēng)巷安裝表面活性劑添加裝置，該添加裝置以風(fēng)壓為動(dòng)力，可將表面活性劑添加至靜壓水管，從而為工作面提供降塵用水。表面活性劑選用礦用塵克(C&C)系列除塵劑。

為了確定合理的表面活性劑添加濃度，分別選取了體積分?jǐn)?shù)為0.01%,0.02%,0.03%,0.05%,0.1%,0.15%,0.2%,0.25%,0.3%的礦用塵克(C&C)系列除塵劑進(jìn)行溶液表面張力測試，溶劑選用礦井水，測試儀器選用JZYW—200B界面張力儀，采用圓環(huán)法記錄圓環(huán)薄膜的拉伸破壞情況，從而計(jì)算出液體的表面張力。液滴表面張力越小，其與粉塵接觸后，更容易黏結(jié)沉降。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 礦用塵克(C&C)系列除塵劑表面張力測試結(jié)果圖Fig.5 Surface tension test results of the dustremoval agent of C&C series

由圖5可以看出，礦井水的表面張力為59.1 mN/m(標(biāo)況)，隨著礦用塵克(C&C)系列除塵劑濃度的增加，溶液表面張力逐漸下降，當(dāng)溶液體積分?jǐn)?shù)超過0.1%時(shí)，其表面張力下降趨勢不再明顯。濃度為0.1%時(shí)礦用塵克(C&C)系列除塵劑溶液表面張力為33.2 mN/m(標(biāo)況)，相比礦井水，其表面張力降低了43.82%。同時(shí)考慮礦用成本及現(xiàn)場操作的簡便性，最終選用體積分?jǐn)?shù)為0.1%礦用塵克(C&C)系列除塵劑作為大采高工作面的降塵用水。

對(duì)所選溶液進(jìn)行了濕潤性試驗(yàn)，測量儀器選用JY-PHb接觸角測定儀，將煤樣切成塊薄片，并且用砂紙進(jìn)行打磨，使其表面光滑，然后將液滴滴于煤樣表面，通過攝影，計(jì)算三相界面液滴的接觸角，每個(gè)樣品測量3次，取其平均值。接觸角越小表明溶液的濕潤性越好，測試結(jié)果見表1。同時(shí)由表1可以看出，礦用塵克(C&C)系列除塵劑體積分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，接觸角為34.27°，相比礦井水，接觸角減小了53.86%，具有良好的濕潤性。

表1 礦用塵克(C&C)系列除塵劑接觸角測試結(jié)果

通過表面活性劑添加裝置將體積分?jǐn)?shù)為0.1%的礦用塵克(C&C)系列除塵劑輸送至采煤工作面，用于采煤機(jī)內(nèi)外噴霧，以此改善采煤工作面粉塵環(huán)境。根據(jù)截割粉塵的分布特征可知，采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)滾筒處的粉塵質(zhì)量濃度更大。因此，在采煤機(jī)組下風(fēng)側(cè)布置粉塵監(jiān)測點(diǎn)，以此分析降塵效果。通過連續(xù)多次監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)，表面活性劑采用后截割煤塵可吸入煤塵的降塵效率為48.37%～53.91%，呼吸性粉塵的降塵效率為39.57%～45.11%，取得了較好的降塵效果。

5 結(jié) 論

1)采煤機(jī)順風(fēng)運(yùn)行時(shí)，測點(diǎn)1(上風(fēng)側(cè)滾筒)處的PM10,PM5,PM2.5的平均粉塵質(zhì)量濃度分別為561、489、231 mg/m3。測點(diǎn)2(下風(fēng)側(cè)滾筒)處的PM10,PM5,PM2.5的平均粉塵質(zhì)量濃度分別為609、508、245 mg/m3；采煤機(jī)逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)，測點(diǎn)1(上風(fēng)側(cè)滾筒)處的PM10,PM5,PM2.5的平均粉塵質(zhì)量濃度分別為577、495、242 mg/m3；測點(diǎn)2(下風(fēng)側(cè)滾筒)處的PM10,PM5,PM2.5的平均粉塵質(zhì)量濃度分別為614、522、256 mg/m3。

2)無論順風(fēng)還是逆風(fēng)，受測點(diǎn)1處割煤、采煤機(jī)組空間內(nèi)落煤的影響，位于下風(fēng)側(cè)的測點(diǎn)2處的PM10,PM5粉塵質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍更大，其PM10,PM5粉塵質(zhì)量濃度大于測點(diǎn)1處的；而對(duì)于PM2.5，下風(fēng)側(cè)測點(diǎn)2處的PM2.5粉塵質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍比測點(diǎn)1處更小，其PM2.5粉塵質(zhì)量濃度大于測點(diǎn)1處的。

3)順風(fēng)時(shí)測點(diǎn)1處的PM10,PM5,PM2.5粉塵質(zhì)量濃度低于逆風(fēng)時(shí)的。逆風(fēng)時(shí)測點(diǎn)2處的PM10,PM5,PM2.5粉塵質(zhì)量濃度大于順風(fēng)時(shí)的。

4)通過表面張力測試和接觸角測試，體積分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)礦用塵克(C&C)系列除塵劑溶液表面張力為33.2 mN/m(標(biāo)況)，接觸角為34.27°，相比礦井水，其表面張力降低了43.82%，接觸角減小了53.86%，具有良好的濕潤性。選取濃度為0.1%的礦用塵克(C&C)系列除塵劑，對(duì)工作面進(jìn)行表面活性劑降塵，其截割可吸入煤塵的降塵效率為47.32%～52.81%，呼吸性粉塵的降塵效率為36.55%～43.16%。