回收大巷保安煤柱綜采面粉塵擴散特性研究

那喜雙

(山西省孝義市應急管理局 ， 山西 孝義 032300)

煤炭是我國最主要的能源之一，由于我國多煤、貧油、少氣的能源賦存特性，煤炭將長期處于能源消耗量的首位。但是我國煤炭約90%產自地下井工礦，采煤面開采過程中粉塵產生量巨大，有些礦井采煤面總粉塵濃度可能達3 000 mg/m3.長期在高濃度粉塵條件下工作可能會引發塵肺病。塵肺病是我國最嚴重的職業病，目前尚無有效治愈方法，每年新增塵肺病患者約1.5萬人，因此需要對綜采面產生的粉塵進行高效治理。雖然近年來粉塵防治技術得到了大力發展，但治理后的粉塵殘余濃度仍難以達到國家標準，這和研究者重視降塵技術研發輕視粉塵產生擴散特性的現狀是分不開的。災害的高效防治首先需要明確災害的產生和發展特性。因此本文以某礦大巷保安煤柱綜采面為例，研究了采煤機割煤時的粉塵產生特性和擴散規律，為高效降塵技術的針對性研發和應用提供參考[1-2].

1 工作面概況

山西省臨汾市鄉寧縣某礦距臨汾市36 km，隸屬于山西鄉寧焦煤集團，設計年生產能力為120萬t。回收大巷保安煤柱位于2號煤層，該煤層結構較簡單，含0～2層夾矸，厚度約2.8～3.38 m，平均為3 m，煤層孔隙率小于4%.煤柱位于井田中部，其西部、南部和北部均為采空區，由于三面皆為采空區，工作面煤體受頂板高強度壓力，內部裂隙較為發育。工作面走向長度700 m，傾向長度100 m，面積70 000 m2，平均傾角為5°，煤種為焦煤，可采儲量為26.93萬t，煤質情況如表1所示。

工作面利用MWG250/600-WDK型雙滾筒采煤機走向長壁采煤，采煤機截深為600 mm，一次性采全高。采煤的總體流程由工作面兩端斜切進刀開始，包含采煤機滾筒割煤、底板刮板輸送機運送煤體碎塊、膠帶機轉運碎煤、支架跟隨采煤機前移、清理浮煤等。工作面為U型通風方式，供風量為837 m3/min.采用SGZ-764/500型中雙鏈可彎曲刮板輸送機運煤，PLM-1000破碎機破煤，運輸巷采用SZZ-764/160型轉載機和一部DSJ-100/63型帶式輸送機運煤。

表1 煤質情況

該工作面采煤作業過程中能見度很低，經過實測，工作面粉塵濃度常高達900 mg/m3.產塵量較高，降塵措施的粉塵治理效果較差，僅有采煤機自帶內外噴霧降塵措施。由于內噴霧噴頭固定在采煤機滾筒截齒下方，長期采煤過程中噴頭直接和煤體接觸，造成噴嘴堵塞、損壞等問題，導致內噴霧霧化及噴射效果較差，無法及時潤濕煤體抑制粉塵產生。外噴霧為兩組擴散角為60°的實心錐噴頭，每組有5個噴頭，固定在搖臂和采煤機機身連接處，可以隨搖臂上下擺動，霧滴能夠覆蓋滾筒周圍。但由于工作面供風量較高，霧滴容易被風吹至下風側，逆風割煤時粉塵濃度明顯較高。

2 采煤機割煤產塵運移特征

2.1 測塵方法和裝置

為了準確地分析采煤面粉塵運移特性，根據國家有關標準，在采煤面布置了多個測點，如圖1所示。測點布置遵循以下原則：①測塵點主要應布置在產塵點的下風向或者回風側粉塵分布相對均勻的地點；②工人經常工作或停留的位置；③工人偶爾但集中工作的地點。

圖1 測塵點布置

測塵裝置選用CCZ-1000直讀式測塵儀，能夠快速得出粉塵濃度實測值。由于測點布置較多，利用粉塵采樣器將增加后續操作流程且后期測定過程容易出現誤操作。在每個測點測定時，同時采用兩個測塵儀測定呼吸性粉塵和總粉塵濃度，測塵儀固定高度距地面1.5 m(工人呼吸帶高度)。

2.2 順風割煤粉塵擴散規律

1) 后滾筒附近粉塵擴散特征。通過現場觀測可以發現，后滾筒順風割煤產生的粉塵隨工作面風流向下風測運移，越靠近煤壁的地方能見度越低，僅在距離后滾筒超過5 m處的距離才會有部分粉塵擴散至人行道處。這說明順風割煤時，后滾筒產生的粉塵向下風側運移主要受工作面供風作用，滾筒旋轉造成的風流紊亂對此路徑上的擴散影響較小，同時由于后滾筒位于下方，距底板較近，粉塵產生后快速沉降到地面，對空氣污染較小。從工作面橫截面上來看，在機身下方四分之一處濃度最大，并且在橫向上往支架人行道處成遞減趨勢，這里主要受到滾筒旋轉引發的漩渦風流作用，使得粉塵在剛產生時就受風流影響向遠處擴散。但需要注意的是，能見度最低的區域并不在滾筒上，也就是說粉塵產生后就受到工作面供風影響向后方運動，同時受漩渦風流作用，兩種風流場相互耦合造成粉塵在遠端出現濃度極值，還要注意的是，粉塵向下風側擴散速度快，向人行道處擴散速度明顯較慢。

2) 前滾筒附近粉塵擴散特征。根據雙滾筒采煤機割煤作業工藝，前滾筒截割上方煤體，現場觀測表明粉塵濃度最大的位置位于前滾筒的后方下半部分。這說明旋轉截割產生的粉塵受漩渦氣流影響在滾筒附近聚集，同時受到工作面供風作用整體向后方移動。能見度從前滾筒向下風側先降低后增加，也就是粉塵濃度先增加后減小，這是由于粉塵移動過程中受風流影響向周圍擴散，逐漸向人行道處彌散污染整個工作面。從工作面橫向可以看出，高濃度粉塵團在重力影響下向下方緩慢移動，并且在搖臂附近濃度最高，說明該部分粉塵主要受到滾筒附近漩渦風流影響，工作面供風的作用不夠明顯，沒有將粉塵快速吹散。另外，前滾筒后方靠近煤壁處粉塵濃度較大，人行道司機處粉塵濃度逐漸減小且呈現出較明顯的向下風測運移的趨勢，說明粉塵橫向擴散遠離采煤機機身后就主要受工作面供風影響向工作面下風側擴散。整體上來看，前滾筒順風割煤產生的粉塵在搖臂附近濃度最大，受滾筒旋轉引發的漩渦氣流影響向人行道處橫向彌散，然后受工作面供風作用向下風測擴散。

結合圖1，根據圖2實測數據可以看出，在順風割煤時采煤機產塵濃度最高的位置為第5個測點所在位置，全塵濃度最高可達900 mg/m3，呼塵濃度超過600 mg/m3.采煤機左滾筒(測點2處)的粉塵濃度最低，這是由于順風割煤時左滾筒截割下半部分煤壁，產生的粉塵在較低位置直接被工作面風流吹至下風側，對工人呼吸帶高度處影響較小。而測點5所在位置為右滾筒后方，此時右滾筒截割上半部分煤體，產塵量大，且破碎煤塊掉落后還會發生二次揚塵，因此粉塵濃度最高，此后粉塵濃度遞減并最終趨于穩定降低。

圖2 測點處粉塵濃度值

2.3 逆風割煤粉塵擴散規律

1) 后滾筒附近粉塵擴散特征。逆風割煤條件下，粉塵受風流影響表現出與順風割煤不同的分布特點。后滾筒割煤時，在溜槽上方粉塵濃度相對較高，而濃度最高值則出現在溜槽上部的下風側，經過實測該點粉塵平均濃度為440 mg/m3.這說明逆風割煤條件下，粉塵同時受到工作面供風和滾筒附近漩渦風流影響，粉塵擴散速度和強度與順風割煤時相比均有增加，對采煤機附近空氣污染更加嚴重。粉塵從割煤過程中產生后向溜槽落煤階段濃度仍相對較高，約為200 mg/m3，而后在工作面供風作用下向下風側擴散。在正對著后滾筒的方向上，粉塵在下風側濃度更大，并向支架人行道處緩慢擴散，這和順風割煤條件近似，粉塵首先受漩渦風流影響積聚在滾筒附近，再受工作面供風影響整體向下風側移動。

2) 前滾筒附近粉塵擴散特征。逆風割煤時，前滾筒截割產生的粉塵濃度最大值出現在搖臂和采煤機機身附近，與滾筒同一高度的下風側粉塵濃度相比相對較小。這是由于粉塵產生后受重力作用緩慢下沉，同時受滾筒漩渦氣流影響積聚在滾筒附近，兩種作用耦合影響下粉塵整體向滾筒下后方移動。當粉塵向人行道處擴散時，開始受工作面壓風影響。此外，由于前滾筒截割上部煤體，破碎的煤體碎塊從高處掉落至底板造成二次揚塵，同時產生的沖擊加劇了粉塵擴散。此外，滾筒和搖臂的下風側一面在工作面供風條件下容易形成局部回旋風，造成粉塵積聚，當采煤機繼續向前推進后粉塵被釋放出去造成大范圍污染。經過實測，該區域呼吸性粉塵濃度最高可達550 mg/m3.

根據圖3中的粉塵測定結果，逆風割煤時采煤機右滾筒處粉塵濃度同樣是最高的，全塵濃度超過800 mg/m3，呼塵濃度則超過500 mg/m3.在采煤機后方，全塵濃度依然有小幅增加，這主要是由于采煤機后方支架移架過程導致的粉塵掉落，增加了工作面粉塵濃度。

圖3 測點處粉塵濃度值

3 結 語

根據上述分析可以看出，雖然某礦回收大巷保安煤柱采煤面走向長100 m，但依然屬于受限空間，這種條件下工作面供風和滾筒漩渦風流都會對粉塵擴散產生較大影響。順風割煤條件下，前后滾筒割煤造成的粉塵濃度較高區域均分布在滾筒下四分之一處以及靠近采煤機機身的位置；逆風割煤條件下，搖臂及采煤機機身附近的粉塵濃度相對較高。順風和逆風割煤時，右滾筒附近粉塵濃度均為最高處，此處應該為降塵的重點區域。