劉賢臣

（山焦西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

煤礦采煤工作面開采破煤強(qiáng)度大，高強(qiáng)度采煤造成粉塵濃度超標(biāo)[1-2]。高濃度粉塵容易引發(fā)作業(yè)人員塵肺病等呼吸性系統(tǒng)疾病，我國每年新增約1.5 萬名塵肺病患者，目前塵肺病患者總數(shù)達(dá)到了80 萬人[3]。由于塵肺病是一種幾乎無法治愈的慢性疾病，粉塵成為我國最嚴(yán)重的職業(yè)危害源之一。同時(shí)，高濃度煤塵在明火條件下還可能造成煤塵爆炸或瓦斯煤塵爆炸，這種事故比瓦斯爆炸、火災(zāi)危害性更大。目前煤礦井下通常采用煤層注水、水霧除塵、泡沫除塵、除塵器吸塵等多種降塵技術(shù)，根據(jù)工作地點(diǎn)具體產(chǎn)塵條件選用更合適的降塵技術(shù)是高效、低成本治理粉塵的重要步驟[4-5]。采煤工作面產(chǎn)塵地點(diǎn)較多，不同地點(diǎn)的產(chǎn)塵特征存在較大差異，因此需要根據(jù)不同產(chǎn)塵點(diǎn)分別制定粉塵治理方案，實(shí)現(xiàn)高效治理。本文以馬蘭礦采煤面為例，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了其從進(jìn)風(fēng)巷到回風(fēng)巷的粉塵濃度變化規(guī)律，針對(duì)采煤機(jī)滾筒、轉(zhuǎn)載點(diǎn)、液壓支架移架等多個(gè)產(chǎn)塵位置分別采用了不同類型的降塵措施，粉塵治理效果顯著[6-7]，可為其他類似采煤面粉塵治理提供參考。

1 10607 綜采工作面概況

馬蘭礦10607 采煤工作面開采2#煤層，煤層平均厚度1.9 m，平均傾角7.5°，普氏硬度1.5，煤種為焦煤。煤質(zhì)工業(yè)分析結(jié)果如表1 所示。10607 綜采工作面標(biāo)高896～971 m，走向長675 m、傾向長160 m，可采儲(chǔ)量為61 011 t。工作面絕對(duì)瓦斯涌出量15.02 m3/min，為Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期128 d，煤塵具有爆炸性，游離二氧化硅含量6.14%。采煤機(jī)型號(hào)為MG250/600，割煤深度為0.8 m，采高1.6～3 m。工作面正常開采時(shí)的供風(fēng)量為570 m3/min。

表1 工業(yè)分析結(jié)果

2 10607 綜采面粉塵濃度分布

2.1 粉塵濃度測(cè)定方案

根據(jù)國家規(guī)定，粉塵測(cè)定儀器選用AKFC-92A粉塵采樣器，采樣時(shí)間為10 min，采樣流量為10 L/min，采樣器固定高度為1.5 m（工人呼吸帶高度），利用不同種類的采樣頭分別采取總粉塵和呼吸性粉塵。每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采取3 次樣品最終取平均值。粉塵濃度根據(jù)采樣濾膜的質(zhì)量變化來計(jì)算，如式（1）所示[6]。

式中：c 為粉塵濃度，mg/m3；m1為濾膜采樣后的質(zhì)量，mg；m0為濾膜的初始質(zhì)量，mg；Q 為采樣器采樣流量，L/min；t 為采樣時(shí)間，min。

采煤面的測(cè)塵點(diǎn)布置如圖1 所示，從采煤面進(jìn)風(fēng)巷開始，共布置有6 個(gè)測(cè)塵點(diǎn)，A 點(diǎn)距離工作面500 m，測(cè)點(diǎn)B 距離工作面100 m，C 測(cè)點(diǎn)為進(jìn)風(fēng)巷和采煤面交界處，D 測(cè)點(diǎn)位于采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)10 m，E 測(cè)點(diǎn)位于采煤機(jī)下風(fēng)測(cè)10 m，F(xiàn) 測(cè)點(diǎn)為回風(fēng)巷出口處。

圖1 采煤面測(cè)塵點(diǎn)布置

采煤機(jī)是采煤面最主要的產(chǎn)塵地點(diǎn)。采煤機(jī)在工作面往復(fù)截割運(yùn)動(dòng)時(shí)還存在順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤兩種條件，因此在采煤機(jī)前后設(shè)置了7 個(gè)測(cè)點(diǎn)，深入分析不同位置在順風(fēng)和逆風(fēng)割煤時(shí)的粉塵濃度變化，此時(shí)1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)測(cè)點(diǎn)分別為采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)30 m、10 m 和5 m 處，測(cè)點(diǎn)4 位于采煤機(jī)中間，5、6 和7 號(hào)測(cè)點(diǎn)與1、2、3 號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱分布。

2.2 粉塵濃度分布特征

采煤工作面粉塵濃度沿程變化如圖2 所示，從進(jìn)風(fēng)巷開始到采煤工作面再到回風(fēng)巷，粉塵濃度先上升后下降，在A 測(cè)點(diǎn)和B 測(cè)點(diǎn)處粉塵濃度基本為0，這是由于進(jìn)風(fēng)巷的新鮮風(fēng)流中幾乎沒有粉塵存在。在進(jìn)風(fēng)巷和采煤面交界處（C 點(diǎn)），存在一個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)破碎機(jī)，大煤塊的破碎過程會(huì)產(chǎn)生粉塵，但與采煤機(jī)附近相比，粉塵濃度依然較低。

圖2 采煤面沿程粉塵濃度變化

粉塵產(chǎn)生后順風(fēng)流向下風(fēng)側(cè)回風(fēng)巷內(nèi)流動(dòng)，因此采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)粉塵濃度顯著高于采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)。但采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)的粉塵濃度高于轉(zhuǎn)載點(diǎn)處，這是由于采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)滾筒割煤時(shí)旋轉(zhuǎn)截割強(qiáng)度較大，粉塵產(chǎn)生時(shí)具有一定的初始速度，且大范圍煤塊從煤壁掉落至底板，產(chǎn)生較大范圍的沖擊揚(yáng)塵，使得距離滾筒較遠(yuǎn)處依然有大量粉塵存在?；仫L(fēng)巷內(nèi)粉塵濃度較低，粉塵在隨氣流擴(kuò)散過程中始終受到重力作用，沿途逐漸沉降，同時(shí)還會(huì)受到周圍巷道的阻隔作用，運(yùn)移至回風(fēng)巷F 點(diǎn)時(shí)濃度較低。這更加說明了需要重點(diǎn)關(guān)注采煤機(jī)局部范圍內(nèi)的粉塵濃度擴(kuò)散特征。

采煤機(jī)逆風(fēng)和順風(fēng)割煤條件下的粉塵濃度變化如圖3 所示。從圖1 測(cè)塵點(diǎn)布置示意圖可以看出，2、3 測(cè)點(diǎn)和5、6 測(cè)點(diǎn)能夠分別代表采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)滾筒和下風(fēng)側(cè)滾筒附近的粉塵濃度。逆風(fēng)和順風(fēng)條件的粉塵濃度曲線都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在第6 個(gè)測(cè)塵點(diǎn)處，說明下風(fēng)側(cè)滾筒附近的粉塵都高于上風(fēng)側(cè)滾筒。整體來看，逆風(fēng)割煤時(shí)各測(cè)點(diǎn)處的粉塵濃度高于順風(fēng)割煤條件，如逆風(fēng)割煤時(shí)全塵平均濃度最高可達(dá)610 mg/m3，而順風(fēng)割煤時(shí)全塵平均濃度約為580 mg/m3。這主要是由于逆風(fēng)割煤時(shí)，前滾筒位于上風(fēng)側(cè)高位，割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵隨風(fēng)流向機(jī)身方向運(yùn)移，由于機(jī)身的阻隔，氣流發(fā)生紊亂，造成粉塵局部積聚，進(jìn)而粉塵濃度較高。而順風(fēng)割煤時(shí)，前滾筒位于下風(fēng)側(cè)高位，產(chǎn)生的粉塵隨風(fēng)流直接向機(jī)道遠(yuǎn)方運(yùn)移，沒有物體阻攔。需要指出的是，在采煤機(jī)機(jī)身附近，機(jī)道內(nèi)氣流可通過的面積減小，受采煤機(jī)機(jī)身和滾筒阻隔影響，氣流出現(xiàn)較大強(qiáng)度的紊亂現(xiàn)象，粉塵可能會(huì)隨之向人行道內(nèi)擴(kuò)散，直接污染作業(yè)人員身心健康。因此需要對(duì)采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)塵問題進(jìn)行重點(diǎn)治理。

圖3 逆風(fēng)和順風(fēng)割煤條件下的粉塵濃度

3 氣水霧降塵效果

3.1 降塵技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)產(chǎn)塵問題，設(shè)計(jì)了如圖4 所示的氣水霧化裝置，固定在轉(zhuǎn)載點(diǎn)處，向下皮帶落煤點(diǎn)處噴射氣水霧，氣水霧噴嘴為擴(kuò)散角60°的噴頭。

圖4 破碎機(jī)氣水霧

在回風(fēng)巷距離工作面5 m 處設(shè)置全斷面氣水幕簾如圖5 所示，供水量為4 L/min，形成的水幕能夠凈化巷道斷面的含塵空氣； 利用紅外傳感器控制水流開關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到工作人員通過時(shí)關(guān)閉供水開關(guān)，只保留氣流噴出，既能夠避免水滴打濕作業(yè)人員衣物，又能夠維持向上風(fēng)向的空氣噴射，形成空氣幕阻隔粉塵運(yùn)移。

圖5 全斷面氣水幕簾

采煤機(jī)外噴霧裝置如圖6 所示，其內(nèi)部有5個(gè)霧化噴頭，外部為保護(hù)結(jié)構(gòu)，避免割煤時(shí)煤體碎塊掉落砸向霧化噴頭。外噴霧和采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)采煤機(jī)開機(jī)割煤時(shí)自動(dòng)開啟外噴霧，外噴霧裝置向滾筒處噴射霧滴，噴嘴擴(kuò)散角度為45°，供水流量為5 L/min，供水壓力為6 MPa。

圖6 采煤機(jī)外噴霧

3.2 降塵效果分析

比較降塵措施前、后的粉塵濃度，可以得到降塵措施的降塵率，在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m 處和采煤機(jī)回風(fēng)側(cè)距離工作面10 m 處分別布置兩個(gè)測(cè)塵點(diǎn)，測(cè)塵結(jié)果如表2 所示。除塵率按照公式（2）計(jì)算。

式中：μ 為除塵率，%；c1為沒有降塵措施時(shí)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。

沒有使用降塵技術(shù)時(shí)，采煤機(jī)下風(fēng)測(cè)10 m 的全塵和呼塵濃度分別為632.6 mg/m3和189.7 mg/m3，使用降塵技術(shù)降塵以后全塵和呼塵濃度僅為8 mg/m3和2.8 mg/m3，降塵效果達(dá)到了98.7%和98.5%。沒有使用降塵技術(shù)時(shí)回風(fēng)巷距離工作面10 m 處的全塵和呼塵平均濃度分別為353.2 mg/m3和84.6 mg/m3，降塵后濃度分別為4.3 mg/m3和1.4 mg/m3，降塵率分別達(dá)到了98.8%和98.3%。

4 結(jié)語

采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵是采煤面的主要塵源。采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)，產(chǎn)塵濃度普遍高于順風(fēng)割煤，下風(fēng)側(cè)滾筒附近粉塵高于上風(fēng)側(cè)滾筒。使用氣水霧降塵技術(shù)后采煤機(jī)下風(fēng)測(cè)10 m 全塵和呼塵濃度分別從632.6 mg/m3和189.7 mg/m3降低到8 mg/m3和2.8 mg/m3，降塵效果達(dá)到了98.7%和98.5%；回風(fēng)巷距離工作面10 m 處的全塵和呼塵平均濃度從353.2 mg/m3和84.6 mg/m3降低至4.3 mg/m3和1.4 mg/m3，降塵率分別達(dá)到了98.8%和98.3%。