王林沖

(山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 047100)

1 工程概況

經(jīng)坊煤業(yè)3-605工作面相對(duì)位置:西側(cè)鄰近3-607工作面(未掘),北側(cè)鄰近井田邊界,南側(cè)與六采區(qū)西翼軌道、回風(fēng)巷相連通,工作面東側(cè)為3-603工作面采空區(qū)。工作面開采3號(hào)煤層,均厚6.21 m.該工作面切眼沿傾向布置,兩巷沿走向布置,工作面沿走向方向推進(jìn),回采巷道均沿煤層底板掘進(jìn)施工。3-605綜采工作面的服務(wù)年限為7個(gè)月。工作面煤層瓦斯含量2.65 m3/t,回采期間瓦斯絕對(duì)涌出量0.52 m3/min,煤塵具有爆炸性,屬于Ⅲ級(jí)不易自燃煤層,本工作面采用U型通風(fēng)方式。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第645條規(guī)定要求:孔隙率小于4%的煤層不需煤層注水;結(jié)合山西省煤炭工業(yè)廳綜合測(cè)試中心出具的煤層孔隙率檢測(cè)報(bào)告:3-605綜采工作面孔隙率為2.70%～3.62%(小于4%),不進(jìn)行煤層注水。

3-605工作面防塵設(shè)施:①在回采工作面的各個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)和膠帶機(jī)頭應(yīng)設(shè)置降塵噴霧設(shè)施。采煤機(jī)作業(yè)時(shí),應(yīng)使用內(nèi)、外噴霧裝置和架間噴霧等構(gòu)成的綜合防塵系統(tǒng)。采煤機(jī)內(nèi)噴霧壓力不得低于2 MPa,外噴霧壓力不得低于4 MPa.液壓支架和放頂煤工作面的放煤口必須安裝噴霧裝置。在降柱、移架或放煤時(shí),必須同步噴灑。此外,破碎機(jī)也必須安裝防塵罩。②巷道設(shè)有前后溜、轉(zhuǎn)載點(diǎn)和膠帶機(jī)頭共6處。在每個(gè)前后溜、轉(zhuǎn)載點(diǎn)和膠帶機(jī)頭上,需要安裝1套合金影射噴霧設(shè)施。③根據(jù)3-605回采地質(zhì)說明書,該工作面兩巷道的巷道長(zhǎng)度為1 765.2 m,輔巷長(zhǎng)度為119.4 m,應(yīng)設(shè)置38個(gè)三通灑水閥門。④3-605回采工作面距離運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)口、回風(fēng)巷道回風(fēng)口30～50 m處,需要安裝1道LKDPWZ-10型全斷面風(fēng)水聯(lián)動(dòng)凈化水幕。在距離工作面30 m內(nèi),需要安裝兩道LKDPWZ-10型全斷面風(fēng)水聯(lián)動(dòng)凈化水幕。這兩道水幕之間的間距不得大于10 m.⑤3-605回采工作面回風(fēng)巷距離超前支護(hù)75 m范圍內(nèi),需要安裝1道防塵網(wǎng)。防塵網(wǎng)要求與巷道斷面一致。在防塵網(wǎng)往工作面方向2 m處,需要安裝1道噴霧設(shè)施。為了掌握經(jīng)坊煤業(yè)綜放開采工作面粉塵分布規(guī)律,進(jìn)行了3-605工作面的粉塵質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)研究。通過這項(xiàng)研究,得出了工作面風(fēng)流分布和粉塵的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為設(shè)計(jì)粉塵的防治方案提供了可靠的依據(jù)。

2 工作面風(fēng)流規(guī)律實(shí)測(cè)研究

為了研究煤塵在氣流場(chǎng)中的力學(xué)特性、運(yùn)動(dòng)特征和質(zhì)量濃度分布,有必要準(zhǔn)確把握工作面上氣流分布的規(guī)律。井下風(fēng)流從綜采工作面進(jìn)風(fēng)段到工作面回風(fēng)巷入口的流動(dòng)過程會(huì)受到液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、人流等多種因素的影響。因此,氣流的狀態(tài),包括它的方向和風(fēng)速,可以有不同程度的變化,因此,根據(jù)各操作過程的具體情況布置風(fēng)速測(cè)點(diǎn)是很重要的。為了解決這些問題,提出了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)布局要求。首先,由于工作面氣流從進(jìn)風(fēng)口一側(cè)吹向回風(fēng)道一側(cè),且采煤機(jī)相對(duì)于進(jìn)、出口,位于工作面中部,因此應(yīng)布置在滾筒、采煤機(jī)、下風(fēng)側(cè)的迎風(fēng)側(cè)。其次,工作面上下區(qū)域會(huì)受到支撐盤、支撐底座、人流等因素的影響。因此,風(fēng)速測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)分為上下兩部分。上風(fēng)向測(cè)點(diǎn)距底板1.8 m,下風(fēng)向測(cè)點(diǎn)距底板1 m.根據(jù)這些要求,確定了采煤機(jī)迎風(fēng)側(cè)(前滾筒附近10 m)、采煤機(jī)前滾筒、采煤機(jī)位置、采煤機(jī)后滾筒、采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)(后滾筒附近10 m)5個(gè)測(cè)點(diǎn)。此外,為了綜合分析綜采工作面氣流分布規(guī)律,在行人通道、中部槽和煤壁3個(gè)不同空間位置測(cè)量風(fēng)速,測(cè)風(fēng)點(diǎn)布置詳情如圖1(a)所示。本次實(shí)測(cè)采用JFY-2 型礦用本安型通風(fēng)參數(shù)檢測(cè)儀[1]。

圖1 測(cè)風(fēng)點(diǎn)布置及測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總,繪制出各測(cè)試位置風(fēng)速實(shí)測(cè)值,如圖1(b)、(c)所示。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和折線圖分析,可以得出經(jīng)坊煤業(yè)3-605綜放工作面空氣流動(dòng)分布的一般規(guī)律,當(dāng)新鮮空氣流入采煤工作面時(shí),由于工作面空間的限制、液壓支架和采煤機(jī)等障礙物的存在,空氣流動(dòng)在其他區(qū)域被阻塞,導(dǎo)致工作面內(nèi)空氣流動(dòng)呈現(xiàn)大致的“單峰”形狀分布,此外,由于采煤機(jī)滾筒截割會(huì)產(chǎn)生螺旋流場(chǎng),因此導(dǎo)致采煤機(jī)機(jī)身處的風(fēng)速最大,向兩側(cè)逐漸減小。在空間位置上,液壓支架人行通道處的風(fēng)速達(dá)到最大,其次是中部槽和靠近煤壁的位置。當(dāng)風(fēng)流通過采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m后,風(fēng)速基本穩(wěn)定。

3 工作面粉塵分散度分析

主要工序劃分法測(cè)塵主要是為了了解綜采工作面各主要作業(yè)工序的產(chǎn)塵規(guī)律及質(zhì)量濃度分布,為后面的降塵研究提供理論基礎(chǔ),并且為粉塵顆粒群的分散度分布提供了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支持[2-3]。設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)布置詳情如圖2(a)所示。針對(duì)煤礦工作面的粉塵分散度研究實(shí)際是粉塵顆粒及顆粒群的粒徑粒度研究。粉塵的分散度表示粉塵的破碎程度,主要是一定粒徑內(nèi)的粉塵含量與粉塵總量的比值。煤礦工作面粉塵分散的研究實(shí)際上是對(duì)粉塵顆粒和顆粒群粒度分布的研究。一般來說,塵埃顆粒的形狀不規(guī)則,需要特殊的測(cè)量值來表示它們的直徑。本實(shí)驗(yàn)采用Stokes公式計(jì)算和表示粒徑,在高倍顯微鏡下觀察濾膜載玻片上的粉塵顆粒。Rise-3022職業(yè)衛(wèi)生粉塵分散測(cè)試儀將傳統(tǒng)的顯微觀察方法與現(xiàn)代數(shù)字自動(dòng)成像技術(shù)相結(jié)合。采用Rise-3022型職業(yè)衛(wèi)生粉塵分散測(cè)試儀對(duì)3-605工作面主要工序粉塵分散進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)試結(jié)果見圖2(b)。

圖2 粉塵分散度測(cè)試方法及結(jié)果

由經(jīng)坊煤業(yè)3-605工作面原始粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)及折線圖可知,5 μm以下粉塵(可呼吸性粉塵)的累積分布順序?yàn)?裝載機(jī)區(qū)(72.33%)>回風(fēng)巷道(72.07%)>落煤區(qū)(69.12%)>破碎區(qū)(67.12%)>移煤區(qū)(66.51%)>多工序區(qū)(66.33%)>采煤機(jī)操作區(qū)(66.04%)>前揚(yáng)塵區(qū)(64.77%)。粒徑小于5 μm的粉塵占68.03%,說明綜采工作面工作空間一半以上的粉塵為可呼吸性粉塵,可被人體呼吸系統(tǒng)主動(dòng)吸入,并可能進(jìn)入肺部,對(duì)工人造成生理和心理上的雙重傷害。從累積呼吸性粉塵量來看,對(duì)裝車、落煤等產(chǎn)生呼吸性粉塵量較大的工序,應(yīng)采取有針對(duì)性的降塵防治措施。

4 工作面粉塵分布規(guī)律研究

4.1 工作面原始粉塵質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)研究

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求并查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[4],從測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性、測(cè)點(diǎn)方法經(jīng)濟(jì)合理性等多個(gè)角度綜合考慮后,選擇濾膜稱重法來測(cè)量經(jīng)坊煤業(yè)3-605工作面的粉塵質(zhì)量濃度。使用AKFC-92A 型粉塵采樣器采樣,使用精度為萬分之一的電子分析天平進(jìn)行濾膜粉塵質(zhì)量的測(cè)定。

采用距離劃分法測(cè)量綜采工作面粉塵質(zhì)量濃度,可掌握采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)粉塵質(zhì)量濃度的變化情況,為降塵措施的優(yōu)化提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支撐,其具體的測(cè)點(diǎn)布置情況如圖3(a)、(b)所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制圖3(c)、(d),綜合分析可得到工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律。

圖3 工作面作業(yè)空間粉塵質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)結(jié)果

1) 順風(fēng)、逆風(fēng)割煤條件下,采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)5 m處粉塵質(zhì)量濃度相對(duì)較低,在風(fēng)流作用下,采煤機(jī)產(chǎn)生的粉塵主要向下風(fēng)側(cè)彌散,上風(fēng)側(cè)粉塵主要為進(jìn)風(fēng)流攜帶的粉塵,質(zhì)量濃度為30 mg/m3左右。

2) 滾筒割煤、落煤時(shí)產(chǎn)生大量粉塵,隨風(fēng)流快速彌散至人行道和刮板輸送機(jī)道,在下風(fēng)側(cè)10 m左右達(dá)到峰值,順風(fēng)割煤時(shí)峰值為364.9 mg/m3,逆風(fēng)割煤時(shí)峰值為355.8 mg/m3,粉塵質(zhì)量濃度峰值無明顯差異。

3) 在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10～20 m期間粉塵質(zhì)量濃度快速減小,在下風(fēng)側(cè)40 m以上位置粉塵質(zhì)量濃度基本保持恒定,刮板輸送機(jī)道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度略高于人行道內(nèi),順風(fēng)割煤與逆風(fēng)割煤條件下無明顯差異。

4.2 降塵措施開啟后工作面粉塵質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)

為考察經(jīng)坊煤業(yè)3-506工作面綜合降塵措施的除塵效果,在工作面降塵方式全部開啟的情況下進(jìn)行粉塵質(zhì)量濃度測(cè)試,通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到降塵措施開啟前后各工序處粉塵質(zhì)量濃度及降塵效率曲線,如圖4所示。根據(jù)圖4(a)可知,在無降塵措施條件下,采煤機(jī)司機(jī)處粉塵質(zhì)量濃度最高,全塵質(zhì)量濃度達(dá)236.4 mg/m3,呼塵質(zhì)量濃度達(dá)到204.1 mg/m3;在全部降塵措施開啟情況下,各測(cè)點(diǎn)處的粉塵質(zhì)量濃度均顯著降低。根據(jù)圖4(b)可知,采煤機(jī)落煤處降塵效率最高,全塵降塵率達(dá)到89.05%,呼塵降塵率達(dá)到89.05%,破碎機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)處降塵效率最低;司機(jī)處全塵和呼塵的質(zhì)量濃度相對(duì)最大,呼塵質(zhì)量濃度29.8 mg/m3,全塵質(zhì)量濃度為50.9 mg/m3,總體而言,綜合降塵措施除塵效果整體良好。

圖4 降塵措施開啟前后粉塵實(shí)測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 語

本文以經(jīng)坊煤業(yè)3-605綜放工作面為工程背景,開展工作面風(fēng)流、粉塵運(yùn)移規(guī)律研究,主要結(jié)論如下:

1) 采煤機(jī)影響下工作面內(nèi)空氣流動(dòng)大致呈的“單峰”形狀分布,采煤機(jī)上部風(fēng)速較大,最大達(dá)到1.9 m/s.

2) 采用多工序法進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì),進(jìn)行工作面粉塵分散度分析,研究表明,工作面粉塵粒徑在2～5 μm的最多,粒徑小于5 μm的占粉塵總量的68.03%,說明綜采工作面工作空間一半以上的粉塵為可呼吸性粉塵,嚴(yán)重威脅工人的身心健康。

3) 逆風(fēng)割煤、順風(fēng)割煤條件下,工作面原始粉塵質(zhì)量濃度差異不大,采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m處粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到峰值,全部降塵措施開啟后,總體除塵效率在80%以上,除塵效果較好。