煤礦綜采工作面粉塵分布及運移規律研究＊

許滿貴，劉欣凱，文新強，何鵬程，朱兆偉

（1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.陜西斯達煤礦裝備有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

煤礦粉塵是煤礦開采的伴生物，是煤礦的五大災害之一，也是礦井“一通三防”工作的重點防治對象。中國95%以上的煤礦為地下開采，在煤礦生產過程中的各個環節，均可產生大量粉塵。隨著采煤機械化水平及開采強度的不斷提高，井下工作面的粉塵濃度越來越大，其中采煤工作面的產塵量占井下總產塵量的60%［1－2］。在沒有防塵措施的情況下，綜采工作面的粉塵濃度可達2500～3000 mg/m3，有些煤礦甚至高達8000～10000 mg/m3以上。即使采取措施，多數工作面的工作條件也相當惡劣，采煤機下風向粉塵濃度最大可達1000 mg/m3以上，超過國家職業衛生標準數十倍甚至上百倍［3－4］。

煤礦粉塵不僅影響煤礦的生產安全，而且嚴重威脅礦工的身體健康。礦工長期在高濃度煤塵環境中生產工作，易患塵肺病，一大批工人因此喪失勞動能力［5］。據衛生部統計，自上世紀50年代到2010年底，中國累計報告職業病例749970例，其中累計報告塵肺病例676541例，占90.2%。在2010年23812例塵肺病新病例中，94.21%的病例為煤工塵肺和矽肺，分別為12564例和9870例［6－7］。因此，研究煤礦綜采工作面粉塵分布規律從而采取針對性的控制措施降低粉塵濃度，對促進煤礦安全生產、保障勞動者健康具有重大意義。

為了提高綜采工作面的除塵效果，對董家河煤礦22518綜采工作面進行了粉塵濃度現場實測，以掌握綜采工作面的粉塵的產生和運動規律。

1 綜采工作面主要產塵源

綜采工作面主要產塵源有:進風流的污染，采煤機的切割，周期性移架，運輸機的載運和轉載以及工作面片幫和頂底板冒落等。其中，采煤機作業(包括割煤和清底)是最主要的產塵工序。工作面移架盡管發生的時間短，但移架隨采煤機的推進而周期性進行，故其產塵量居第二位［8－9］。

1.1 采煤機割煤時產生的粉塵

滾筒采煤機割煤時，粉塵的形成是由各種因素造成的。具體如下

1)采煤機滾筒在旋轉過程中，截齒以一定的速度截煤割煤，由于截齒向前運動產生擠壓作用，使煤產生拉力和應變，截齒刀尖前的煤被壓成壓固核，當接觸應力增加到極限時，壓固核破碎產生煤塵。一般來說，壓固核越大，形成的粉塵也越多［10］；

2)截齒對煤體的沖擊、截割和被滾筒拋出的煤相互碰撞及滾筒螺旋葉片裝煤時二次破碎產生煤塵。此外，煤體或煤塊受到強烈振動，可使原來的裂隙增加與變大，有的變為更小的煤塊，有的成為煤塵；

3)滾筒采煤機運行一段時間后，如不及時更換磨鈍的截齒，則在截煤時截齒與煤體的接觸由切割變成研磨，會導致細微粉塵的大量產生。

1.2 液壓支架移架時產生的粉塵

液壓支架移架時，影響粉塵產生的因素也比較多［11］。

1)液壓支架降柱時，頂梁脫離頂板，大量碎矸掉下產生粉塵，且大部分進入風流；

2)液壓支架前移時，頂板冒落或碎矸移動，在支架后部也會揚起大量的粉塵；

3)液壓支架前移過程中，頂梁和掩護梁上的碎矸會從架間縫隙中掉下，使粉塵進入風流中，引起工作面風流嚴重污染。

1.3 影響綜采工作面粉塵濃度的主要因素

綜采工作面粉塵產生量的多少主要取決于如下因素［12－15］:地質構造及煤層賦存條件，煤巖的物理性質，環境的溫度和濕度，采煤方法，產塵點的通風狀況以及采掘機械化程度和生產強度。

圖1 移架時的浮游粉塵濃度Fig.1 Floating dust concentration at the time of advancing support

據長期粉塵實測資料的統計分析表明:煤體水分越高，粉塵濃度越低；工作面環境相對濕度高，則截割時粉塵濃度相對低；采煤機截深增大、截割速度降低時，空氣中呼吸性粉塵濃度降低；當風速小于臨界速度時，機組割煤時粉塵濃度隨著風速的遞減而呈遞增趨勢，超過這一臨界風速時，粉塵濃度又隨風速增加而相應升高；下行通風較上行通風粉塵濃度低［16］。

移架產塵量的大小受多種因素影響，但最主要的是直接頂板的條件［17－18］。如圖1所示，移架產塵量的多少與頂板強度成反比，與工作面所在盤曲的上覆頂板巖層厚度成正比。

2 綜采工作面粉塵分布及運移規律的研究

粉塵的濃度不僅與產塵量有關，而且與空氣流動狀態有關。粉塵在風流中的擴散運動屬于氣固兩相流，它不僅受到氣體流動狀態的影響，同時與粉塵本身的擴散有關［19－20］。本次研究主要是通過在現場布置測塵點進行測定，通過測定各點的粉塵濃度得出其分布規律。

以GB/T192.1－2007《工作場中粉塵測定第一部分:總粉塵濃度》和GBZ/T192.2－2007《工作場所中粉塵測定第二部分:呼吸性粉塵濃度》為指導，為了真實反映井下綜采工作面的粉塵沿程分布及運移規律，以董家河礦22518綜采工作面實測數據為依據，得出規律性分析。

綜采工作面粉塵分布規律所需數據在董家河礦22518綜采工作面測定取得，在進回風巷、工作面和回風巷布點測塵，測點高度在高1.5 m左右的工人呼吸帶處。

董家河礦22518綜采工作面煤屬低磷、低硫、中灰、高發熱量之貧瘦煤，動力用煤。工作面傾向長143 m，走向長720 m，斜面積102960 m2，煤層厚度為2.8 ～4.8 m，平均3.8 m，容量為1.4 t/m3，回采率95%，可采儲量520360 t.

22518工作面配備有MG250/600－WD型雙滾筒采煤機，ZY4600/18/42型雙伸縮型液壓支架，SGZ－730/500可彎曲刮板機，SZZ730/110橋式轉載機，主要除塵措施有采煤機內外噴霧系統、液壓支架移架噴霧系統。

采樣點粉塵濃度見表1，表2，表3和表4.

2.1 進、回風巷粉塵濃度分布

22518綜采工作面進風巷粉塵濃度測定數據見表1.

由表1可見，工作面進風巷道粉塵濃度分布有以下特征。

1)進風巷道主要為新鮮風流，所以粉塵濃度整體上比較低；

2)不采煤時，全塵和呼塵濃度都非常低，說明巷道的粉塵濃度主要是工作面采煤時的揚塵和產塵，風流帶來的揚塵不是產生粉塵的主要因素；

3)采煤時，距離工作面越近，粉塵濃度越高。主要原因有:一是此處其他設備較多，在距離工作面5 m處有皮帶轉載機頭，占據一定空間；二是巷道本來就較其他處偏小。這樣就導致此處的風速較大，使得皮帶轉載處的落煤引起更多的揚塵，導致此處濃度迅速增加；

4)同不采煤時比較，采煤時粉塵濃度下降，這說明工作面通風狀況良好。不采煤時，巷道漂浮的是由通風引起的揚塵，而采煤時防塵水幕等設施開啟，使得測得的粉塵濃度偏??；

5)進風巷道內采煤和不采煤時的粉塵濃度，均低于《煤礦安全規程》、《煤礦作業場所職業病危害防治規定(試行)》等規定的作業場所空氣中粉塵(總粉塵、呼吸性粉塵)濃度的規定。

22518綜采工作面回風巷粉塵濃度測定數據見表2.

表1 進風巷道的粉塵濃度測定表Tab.1 Dust concentration measurement table of intake airflow roadway

表2 回風巷道的粉塵濃度測定表Tab.2 Dust concentration measurement table of return airway

由表2可見，工作面回風巷道粉塵濃度有以下特征。

1)由于回風巷道的風流主要是通過工作面的風流，所以采煤時粉塵濃度整體上較進風巷道高。采煤時工作面回風巷道10 m范圍內呼塵幾乎都在20 mg/m3左右，而全塵濃度都在70 mg/m3以上，比進風巷濃度大得多；

2)隨著工作面的距離越來越遠，粉塵濃度整體上呈現逐漸降低的趨勢，在前20 m粉塵濃度下降得不是很明顯，在100 m后粉塵濃度急劇下降。

3)不采煤時粉塵濃度(全塵)非常低(大約在10 mg/m3左右)。說明回風巷道的粉塵主要是工作面上割煤時產生的，風流帶來的揚塵并不是產生粉塵的主要影響因素。

圖2 進、回風巷粉塵濃度沿程分布Fig.2 Inlet and return air roadway dust concentration along the distribution

22518綜采工作面進回風巷的粉塵沿程分布如圖2所示，可以很直觀的看出工作面進、回風巷中粉塵分布的規律:離工作面越近，粉塵濃度越高；離工作面越遠，粉塵濃度呈下降趨勢。而在不采煤時，粉塵濃度很低，并且呈穩定趨勢。采煤時，回風巷的粉塵濃度是不采煤時的2倍以上。

2.2 綜采工作面割煤時粉塵濃度分布

22518工作面共有支架96架，采樣點布置平均遵循平均分布原則。采樣時采煤機在機尾40～60組架處采煤，為逆風割煤。采樣數據見表3.

圖3是工作面的粉塵濃度沿程分布圖。

由表3和圖2可知，工作面粉塵濃度分布有以下特征。

1)因為采煤機在40～60架處逆風割煤，所以粉塵濃度在割煤機司機位處開始，在40架后下風側的粉塵濃度急劇升高，以直線規律迅速增大，在下風向10 m附近(53#支架左右)粉塵濃度達到最高值，然后繼續往下風側風向粉塵濃度迅速下降，到下風側50 m后(90#支架左右)變化趨于穩定。隨著距離的增大，降低趨勢不再明顯。所以采煤機割煤時需要重點防治的是下風向10～50 m空間的粉塵；

表3 工作面粉塵濃度測定Tab.3 Dust concentration measurement of working face

圖3 工作面粉塵濃度沿程分布Fig.3 Working face dust concentration along the distribution

2)粉塵是從產塵的滾筒處向下風向擴散的，向上風側擴散較難，所以在割煤機操作員處粉塵濃度相對較?。?/p>

3)在割煤機下風側呼吸性粉塵濃度較大，可達56 mg/m3，遠遠超過國家標準，但是在全塵中所占的比例卻不是很高，說明割煤時也是產生呼吸性粉塵的主要環節。距離割煤機越遠，呼吸性粉塵濃度下降明顯，這是因為非呼吸性粉塵中顆粒較大的沉降較快，而顆粒較小的粉塵的沉降則需要較大的距離和較長的時間。

2.3 移架產塵

移架時產塵濃度采樣數據見表4.

表4 移架粉塵濃度測定Tab.4 Dust concentration measurement of moving frame

圖4是移架時粉塵濃度沿程分布圖。

圖4 移架粉塵濃度沿程分布Fig.4 Moving frame dust concentration along the distribution

從表4和圖4可知

1)移架產生的粉塵從支架的縫隙和前沿落下，隨風流在巷道中運動，并不斷擴散；

2)移架時的最大粉塵濃度出現在塵源附近；

3)移架時粉塵濃度從上風5 m開始至移架處濃度迅速增大到最高，然后很快降低，在下風側20 m處粉塵濃度趨于穩定并緩慢下降；

4)移架產生的大顆粒粉塵較多，此后沉降快，下風5 m以后巷道中漂浮的主要是呼吸性粉塵。

3 結論

1)綜采工作面產塵強度大、環節多，采煤機作業(包括割煤和清底)是最主要塵源。工作面移架盡管發生在一個短時間內，但由于移架是隨采煤機的推進而周期性進行，并且產生粉塵的濃度值有較大的差距，故其產塵量居第二位(特別是當工作面頂板破碎時更是如此)。因此，配備雙滾筒采煤機的機采工作面粉塵的控制應以采煤機為中心；

2)割煤、移架時產生粉塵的運動趨勢是一致的，都是先迅速增大，達到最大值后再迅速減小，最后達到穩定；

3)進、回風巷都是距離工作面越近，粉塵濃度越高；距離工作面越遠，粉塵濃度呈下降趨勢。而在不采煤時，粉塵濃度很低，并且呈穩定趨勢。采煤時，回風巷的粉塵濃度較不采煤時大很多。

4)根據測塵點及測塵工序不同，呼吸性粉塵所占比重整體來說在20% ～60%之間波動，但沒有固定趨勢。

綜采工作面的粉塵分布規律有其自己的特點，根據粉塵分布情況，通過采取煤層注水和噴霧降塵等防塵措施，建立井下防塵系統，能有效降低粉塵濃度，使工作面環境得到明顯改善，有利于職工的身體健康，達到以人為本、安全生產的目標，獲取更多的收益。

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