采煤機割煤減塵分析

許文忠

（晉能控股煤業集團朔州朔煤王坪煤電公司， 山西 朔州 038300）

引言

煤礦開采過程中會產生大量的煤塵，細微塵粒會隨著風流在巷道內漂浮，當工人吸入大量的細微塵粒后會導致工人產生塵肺病的呼吸道感染疾病[1]。除健康問題外，大量煤塵會引起煤塵爆炸，煤塵爆炸會給煤礦及社會帶來極大的傷亡損失，所以需要對煤塵的產生進行研究[2]。掘進機作為主要的掘進設備，需要對掘進機的鎬型截齒截割煤時的狀態進行研究。

1 鎬型截齒割煤破碎產塵過程

1）壓碎區形成。截齒的齒尖部分由于采用特殊材料會有較強的硬度，當齒尖接觸到煤體時，會產生擠壓力，由于齒尖部分接觸面積小會產生較大的應力，并通過煤體向內部傳遞，隨著傳遞距離的增加，應力逐漸減小。煤的脆性決定了當齒尖侵入時會發生彈性形變[3]。當壓應力大于煤的抗壓極限時，煤體就會發生塑性形變，變成壓碎區。

2）粉化核形成。壓碎區形成后，由于鎬型截齒還需要不斷向煤體內部施壓，已經破碎的煤此時無法被及時排出到外部，就會造成壓碎區的煤體在持續壓應力作用下，形成高度粉化核。粉化核在繼續傳遞能量過程中會使其粉化核體積逐漸增大。粉化核是截割過程中粉塵的首要來源。

3）裂紋萌生與擴展。截齒的逐漸深入會使粉化核的煤體積蓄應力和能量，當達到煤體自身的應力極限時，微裂紋會與粉化核周圍未發生變化的煤體一塊形成微小的裂紋，裂紋逐漸發展及合并就會形成宏觀裂紋。煤體內部的裂紋發展速度很快，所以宏觀裂紋的擴展也是一個快速的過程。

4）新自由面形成。當空氣與由宏觀裂紋形成的貫通裂隙相結合后，會形成新的自由面。

5）粉化核應力解除。新自由面的形成，煤體上會有很多煤塊開始掉落，此時，粉化核的應力狀態會被解除，細小顆粒會隨著煤塊掉落，細微顆粒會在空中漂浮，形成煤塵。

2 采煤機截齒與粉塵產生的關系研究

通過對鎬型截齒破煤過程的分析，可以發現粉化核是產塵的主要位置。文中通過計算該區域的體積來體現對產塵數量的評價。假設煤塊的初始狀態無外加應力作用（如圍壓等），彈-塑性區交界面的位置與齒尖和煤體的接觸半徑相關，塑性區體積變化包括侵入的截齒以及其他非彈性體積變化而替代的煤巖體積[4]。塑性區屈服準則服從F（σij）=0，以摩爾-庫倫準則以及塑性勢能為基礎：

式 中 ：σr為 徑 向 應 力 ，MPa；Kp為 被 動 系 數 ，Kp=（1+sinφ）/（1-sinφ）；φ 為內摩擦角，（°）。σθ為環向應力，MPa。σc為單軸抗壓強度，MPa。

結合鎬形截齒割煤產塵過程，當鎬形截齒對煤施加應力時，煤自身達到的塑性屈服極限時，煤的形變能和損傷能會以動能、表面能等能量形式進行釋放。通過對鎬形截齒破煤過程受到的應力分析得到，當鎬形截齒施加一定的應力時，彈性形變能的存儲在齒尖下方會形成彈性形變區，壓碎區和粉化核的形成可以看作是塑性變形的能量釋放，再到產生裂紋及最終形成自由面與粉化核的解除對應著動能及表面能的能量釋放。分析鎬形截齒對破煤過程的應力變化及能量轉化過程，能夠充分了解到粉塵的產生源頭及產生原因，能夠從根本上為減塵降塵提供理論基礎。

3 減塵改造措施

煤塵的產生可以從外因和內因兩方面進行改造。以朔州煤礦使用的三一EBZ160 掘進機為例，截割臂直徑550 mm，截割頭為1.02 m×0.94 m 的圓錐臺、轉速23 r/min，相應截割功率為160/100 kW，所用截齒齒尖錐角為117°。當齒尖的錐角越大時，截齒與煤體接觸時產生的粉化核會越大，粉化核越大產生的粉塵越多。掘進機的齒尖錐角由117°改為83°，會相對于原先有很好的降塵作用。通過改進后，對總粉塵濃度和呼塵濃度進行檢測，結果如表1所示。

表1 不同截割條件下的粉塵濃度 mg/m3

4 結論

當截齒的錐角由117°換為83°時，產生的總粉塵較原先降低了19.2%，呼吸性粉塵降低了23.3%。所以使用較小錐角的截齒能夠有效地降低粉塵濃度，極大地降低了粉塵的危害程度。