新元礦綜采面產(chǎn)塵特性和降塵技術(shù)研究

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(duì)人體健康有害的物質(zhì)之一，長(zhǎng)時(shí)間吸入大量細(xì)微粒徑粉塵可能會(huì)引發(fā)塵肺病等心肺系統(tǒng)疾病。塵肺病是我國(guó)第一大職業(yè)病，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年新增塵肺病患者近15 000人，目前全國(guó)塵肺病患者總數(shù)超過(guò)80萬(wàn)人，死亡總數(shù)超過(guò)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(diǎn)之一，有些煤礦全塵濃度可能會(huì)高達(dá)3 000 mg/m3，對(duì)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(duì)性的綜合降塵技術(shù)，測(cè)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(yáng)縣，3405工作面位于一水平四采區(qū)，工作面走向長(zhǎng)240 m，傾斜長(zhǎng)1 825 m，主采3號(hào)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(jī)滾筒為螺旋葉片結(jié)構(gòu)，截割時(shí)在電機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，依靠其上固定的多個(gè)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，滾筒高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)周圍空氣一同旋轉(zhuǎn)形成渦旋氣流，此時(shí)粉塵既受渦旋氣流影響橫向擴(kuò)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(shí)上下左右四個(gè)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(yùn)動(dòng)速度方向，比如在滾筒右側(cè)(D點(diǎn))附近的粉塵主要運(yùn)動(dòng)速度分量分別朝向工作空間和下方，而滾筒左側(cè)(B點(diǎn))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(jī)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(jī)向前推進(jìn)截割時(shí)，液壓支架也要隨之前移避免出現(xiàn)大范圍空頂。支架移動(dòng)時(shí)主要包含泄壓下降—前移—增壓上頂3個(gè)動(dòng)作，在增壓上頂時(shí)，支架擠壓頂板煤巖體，容易造成破碎產(chǎn)塵，但此時(shí)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(guò)程中兩個(gè)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(shí)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(jī)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(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中也會(huì)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(shí)碰撞沖擊還容易引起沉積粉塵飛揚(yáng)。可以看出，轉(zhuǎn)載點(diǎn)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(kāi)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(yùn)移特點(diǎn)，對(duì)工作面粉塵，尤其是采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵飄散情況進(jìn)行了長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在采煤機(jī)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(dòng)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(dòng)又沿工作面向下風(fēng)側(cè)運(yùn)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(zhǎng)，有足夠時(shí)間在工作面擴(kuò)散，因此粉塵濃度橫向遞減趨勢(shì)比較明顯。此外，采煤機(jī)機(jī)身對(duì)工作面風(fēng)流有比較明顯的阻礙作用，風(fēng)流在采煤機(jī)機(jī)身上風(fēng)向開(kāi)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(kuò)散，同時(shí)距前滾筒距離越遠(yuǎn)，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(duì)人體罹患?jí)m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(shí)間越長(zhǎng)，更容易被作業(yè)人員吸入肺中。研究表明，空氣動(dòng)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(yùn)移距離較遠(yuǎn)；空氣動(dòng)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(yùn)移至較遠(yuǎn)距離，而對(duì)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(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在人行道、采煤工作空間靠近采煤機(jī)機(jī)身的位置，不規(guī)則物體較多(如采煤機(jī)機(jī)身、搖臂、支架等)，風(fēng)向紊亂，加劇了粉塵擴(kuò)散。

在采煤機(jī)機(jī)身前端面、機(jī)身中心、機(jī)身后端面分別布置粉塵采樣點(diǎn)，測(cè)定粉塵粒徑分布狀況如圖2所示。可以看出，在機(jī)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(dá)到了近50%；機(jī)身后端面PM10占比最大，占70%以上；機(jī)身中心PM10約占65%.因此，采煤機(jī)機(jī)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(duì)采煤機(jī)前后滾筒采用同樣強(qiáng)度的降塵措施。

圖2 采煤機(jī)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(cè)定

為了治理工作面粉塵，在采煤機(jī)滾筒上布置高壓噴霧降塵，在兩個(gè)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中有關(guān)工作場(chǎng)所粉塵濃度測(cè)定的規(guī)定，在距離采煤機(jī)10 m和水幕簾后3 m后設(shè)置兩個(gè)測(cè)塵點(diǎn)，每次測(cè)定時(shí)利用直讀式粉塵濃度儀同時(shí)檢測(cè)呼吸性粉塵和總粉塵濃度。測(cè)塵結(jié)果如表1所示。除塵率按照公式(1)計(jì)算。

表1 各測(cè)塵點(diǎn)粉塵濃度

(1)

式中：μ為除塵率，%；c1為沒(méi)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.

從表1可以看出，在沒(méi)有任何降塵措施條件下開(kāi)采時(shí)，產(chǎn)生的粉塵濃度為原始粉塵濃度，此時(shí)采煤機(jī)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(guò)程中逐漸下降，因此粉塵濃度隨運(yùn)移距離擴(kuò)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(jī)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(yǔ)

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

2) 利用采煤機(jī)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(jī)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(dá)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(dá)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(dá)到了90%.