軟煤層工作面煤塵分布規律及防治技術

景 霞

（山西大同同煤集團 同家梁礦，山西 大同037025）

綜采工作面粉塵災害問題是國內外煤礦普遍具有的通病，尤其是隨著近年來開采機械化水平的提高，工作面粉塵災害有愈發嚴重之勢。理論研究和開采實踐表明，綜采工作面煤塵對工作面正常回采具有較大的影響，其因自身物理化學特性，在具有爆炸危險性的同時，還會降低設備精度、壽命和作業空間可見度，此外若防護不當還會導致作業人員患上塵肺病。對于大采高軟煤層工作面而言，煤質松軟易碎，節理裂隙發育較高，在采煤過程中次生裂隙較多，且在地應力、構造應力和開采擾動作用下，軟煤層綜采工作面煤塵濃度往往較普通工作面高，這樣會給煤塵治理工作帶來更大的困難。根據《煤礦安全規程》，煤礦作業場所煤塵最高上限為10mg／m3，但是實踐中發現，在開采大采高軟煤層工作面時煤塵濃度可達到2500mg／m3以上，特別是在拉架時甚至可達到7000mg／m3以上。因此，如何治理工作面煤塵是保障大采高軟煤層綜采工作面安全、高效的關鍵，現以某礦21031綜采工作面為例，進行大采高軟煤層工作面降塵試驗研究。

1 試驗工作面概況

21031工作面位于該礦井二水平下山采區，為該采區首采工作面，該工作面東部和北部為未開采的實體煤，南鄰DF23斷層，西接該下山采區回風下山。該工作面所采煤層為山西組二1煤層，煤層厚度為3.2～4.8m，平均為3.6 m，煤層傾角為5°～18°，平均為7.5°，煤層可采系數為1，屬于穩定可采厚煤層。21031工作面設計可采走向長度和傾斜長度分別為1203m和129m，煤層圍巖結構較復雜，巖性整體表現軟弱易碎，其中基本頂為均厚6.4m的砂質泥巖－粗粒砂巖，直接頂為均厚3.2m的炭質泥巖－砂質泥巖，直接底為均厚2.1m的炭質泥巖－泥巖。該工作面采用U型通風方式，即由進風巷進風，回風巷回風，兩回采巷道均采用U型鋼支護，切眼上、下端頭采用單體液壓支柱配合鉸接梁支護。根據工作面回采要求，工作面共安裝ZY4000－17／37型支架86臺，該型支架額定初撐力為3090kN，額定工作阻力為4000kN。

2 工作面煤塵分類和產塵機理研究

2.1 工作面粉塵分類

目前，將綜采工作面煤塵分為原生煤塵和次生煤塵兩類。原生煤塵是指在煤炭回采前，煤炭在形成過程中或受到其它力的作用時造成內部產生許多裂隙，裂隙周圍的煤體破碎成細屑狀并存于裂隙中，當這些裂隙隨著回采暴露于回采空間時便會釋放出來，這些釋放出來的煤塵便稱為原生煤塵；次生煤塵是指在工作面回采過程中，隨著割煤、放頂、打眼、爆破、落煤、裝煤、運煤等工序產生的煤塵，次生煤塵是工作面的主要煤塵，約占工作面總粉塵量的80%以上，故工作面煤塵治理應注重控制次生煤塵的產量。

2.2 工作面產塵機理

21031綜采工作面煤體松軟易碎，頂底板圍巖節理裂隙發育程度較高，工作面在回采過程中會產生大量的粉塵。現場分析認為，該工作面的粉塵主要來源是采煤機滾筒割煤和移架，現對采煤機割煤和移架過程中產塵機理進行分析：

（1）采煤機在綜采工作面割煤巖體時，煤巖體與截齒的接觸點處會產生很大的應力，隨著滾筒的轉動，應力增加，一直達到煤巖體的應力極限，這樣在接觸點煤巖體破碎產生大量的粉塵。煤體在接受應力的過程中積累了大量的彈性勢能，在應力破壞的那一剎那得到釋放，煤粉崩出。理論研究和開采實踐表明，影響煤塵產生與采煤機技術參數及煤巖的物理性質有關，在采掘過程中煤巖越脆，機械強度越低，破碎性越強，產塵量就越大。

（2）隨著采煤機的割煤，工作面不斷向前推移，同時支架也會不斷移動，由于支架支撐的是工作面上方煤巖體，在工作面生產過程中，上部煤巖體已經破碎，支架移動會促使這一部分煤巖體進一步破碎和拋落，從而產生大量的粉塵。同時，鑒于工作面圍巖質軟易碎，在回采過程中偽頂和直接頂在采空區隨采隨冒，這樣造成大量的微細顆粒從支架間隙竄入到工作面回采作業空間，增大作業空間的粉塵濃度。

（3）21031工作面所采煤層強度較低，煤體堅固性系數f＝0.3～0.8，且頂底板為泥巖、砂質泥巖和炭質泥巖，巖體質弱易碎。這樣在采煤機回采和拉移支架過程中會致使煤壁煤體片落和端頭處冒落現象，冒落的煤體在砸向采煤機、運輸機時會產生大量的微細粉塵。

（4）研究表明，硬度較低的煤，由于地質運動會發生錯位、斷裂，使得裂隙中存在大量的原生煤塵，這部分煤塵會在采煤機截割過程中和拉移支架時隨風飛揚，導致工作面粉塵濃度增大。

3 工作面粉塵分布特征

根據綜采工作面粉塵測定相關規定，確定21031工作面的粉塵采樣點，進而對該工作面粉塵濃度進行測定。工作面測定條件的確定：21031工作面平均凈高為3.5m，風速為2.4 m／s，通風斷面為11.5m2，通風量為1320m3／min，平均溫度為24.5℃。工作面粉塵測定方案的確定：根據21031工作面實際情況，在該工作面共布置7個測站，每個測站布置4個測點，其中1＃測站位于采煤機后滾筒－5m處，2＃測站位于采煤機司機處，3＃、4＃、5＃、6＃和7＃測站分別位于采煤機前滾筒＋10m、＋15m、＋25m、＋50m和＋80m處；其中1＃和3＃測點位于采煤機機道距離底板1.5m和0.5m處，2＃和4＃測點在行人道距離底板1.5m和0.5m處。

采用加權平均的方法測量工作面各測點的粉塵濃度情況，具體見圖1、圖2。

圖1 工作面順風噴霧呼吸性粉塵和全塵沿程濃度分布情況

圖2 工作面逆風噴霧呼吸性粉塵和全塵沿程濃度分布情況

由圖1和圖2可知，工作面煤機在順風割煤時，粉塵濃度由煤機后滾筒處隨著沿程的增加呈現出先降后升的趨勢，具體為在采煤機后滾筒－5m處至采煤機司機處逐漸降低，由采煤機司機處至前滾筒＋15m處逐漸升高，然后隨著沿程的增加逐漸降低直至趨于穩定，在此過程中粉塵濃度在采煤機司機處出現一個低谷，在前滾筒＋15m處出現一個峰值；工作面在逆風割煤時，粉塵濃度出現先升后降的趨勢，具體為粉塵濃度由后滾筒－5m處至前滾筒＋10m處逐漸升高，并在此達到峰值，隨著沿程的增加，粉塵濃度呈降低趨勢，并逐漸趨于穩定。

4 工作面粉塵治理實踐

21031綜采工作面所采煤層賦存穩定性較差，結構復雜，煤質松軟易碎，該工作面頂底板巖性復雜，主要以泥巖、砂質泥巖和炭質泥巖組成，工作面整體巖性強度較低。在受到煤巖體物理特性影響的基礎上，受到工程擾動作用，該工作面在回采過程中會產生大量的粉塵。針對此問題，礦井通過優化通風、加強煤層注水等傳統措施來治理粉塵，但效果并不明顯。考慮到當前粉塵治理技術和設備的不斷發展，在借鑒兄弟礦井治理粉塵的基礎上，決定引用KHCG500型塵源跟蹤自動灑水噴霧降塵系統對21031工作面進行粉塵治理。

KHCG500型塵源跟蹤噴霧降塵系統治理粉塵應用效果見表1，由表1可知，割煤處的全塵濃度由原來的659.6 mg／m3降低到62.1mg／m3，降塵效率達90.60%，呼吸性粉塵濃度由原來的586.3mg／m3降低到35.9mg／m3，降塵效率達93.88%。而整個工作面的全塵降塵效率大約在76%～91%之間，呼吸性粉塵降塵效率大約在69%～94%之間。可知，塵源跟蹤自動噴霧降塵系統的應用可大幅度降低工作面的粉塵濃度，有效改善工作面的作業環境。

表1 綜采面逆風割煤粉塵濃度、降塵效率測定結果單位：mg／m3

5 結語

煤塵是影響軟煤層綜采工作面安全、高效開采的重要因素，在采取措施治理工作面粉塵前應根據工作面實際情況掌握產塵機理、影響降塵的主要因素和工作面粉塵分布規律，只有這樣才能有針對性的治理工作面粉塵。隨著科學技術的不斷發展，要認識到新科技成果的重要性，要敢于利用新技術來進行粉塵治理實踐，同時，還要注重煤層注水、安裝擋風簾、加強噴霧、優化通風等傳統治理粉塵措施，只有采取綜合措施來治理粉塵，才能將軟煤層綜采工作面粉塵濃度控制到最佳水平。

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