成莊礦綜掘工作面可吸入煤塵粒徑大小研究

任大鵬

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司成莊礦，山西 晉城 048000）

井下生產過程中產生大量的煤塵,煤塵不僅對礦井本身安全產生巨大威脅,而且對井下工作人員身體產生直接危害，會產生塵肺病，尤其是在綜掘工作面，懸浮的煤塵濃度可達2000～5000mg/m3（最高時可達到8000mg/m3）[1-2]。因此，研究綜掘工作面煤塵產生的機理以及確定可吸入煤塵粒徑大小，對預防煤塵事故、保障職工身體健康具有重要意義。

成莊礦位于沁水煤田南翼,始建于1997年，設計生產能力4.0Mt/a，于2000年達產，該礦井為綜合機械化采煤的現代化礦井。成莊礦23231綜采工作面的煤層賦存情況為：開采煤層厚度5.9～6.3m，煤層平均厚度6.0m，傾角小于3°，為近水平煤層，煤質以鏡煤為主，玻璃光澤，形狀為條帶狀，該工作面的直接頂板以泥巖為主，平均厚度4.22m，深灰色，裂隙較為發育，老頂以中粒砂巖為主，平均厚度為11.30m，斜層理發育，老頂上部存在粉砂巖及細砂巖，底板以泥巖及砂質泥巖互層為主，平均厚度為9.58m，中部夾雜細砂巖。

1 煤塵產生機理

1.1 煤塵產生的力學分析

成莊礦23231綜掘工作面生產過程中，隨著掘進工作面的推進，由于截齒與煤體不斷的作用，與截齒相接觸的煤體發生破碎，周圍的煤體發生破裂，產生裂隙，當煤體裂隙擴散到一定程度（超過極限應力平衡狀態）垮落時，能量瞬間得到釋放，產生更多粒徑較小的煤體，并懸浮在空中。

1.2 煤塵濃度影響因素

結合該工作面的實際地質條件，可分析得出影響該工作面煤塵濃度的主要因素有：工作面的地質構造，工作面生產工序，通過工作面風流大小，另外還有工作面煤體巖石力學性質、水文特征等等。

對于煤體巖石力學小的，如強度低、脆性大的煤體以及受地質構造的區域的構造煤，一般來說產生的煤塵濃度較大，對于存在含水層附近的煤體由于水分子的吸附作用，會大大抑制煤塵的產生[3]。影響煤塵濃度的主要的一個因素是風流，新鮮風流對煤塵有一定的稀釋作用，正常來講，風流越大，稀釋煤塵的能力越強，煤塵隨風流方向移動，在割煤過程中，產生的煤塵濃度最高，隨著自身重力和風流作用，煤塵濃度逐漸降低到一定的數值，但風流也不宜過大，否則過大的風流可將落在設備上、巷道上和其他物體上的煤塵揚起，增大空氣中煤塵濃度。

1.3 煤塵的運動規律

煤塵在空中受到自重和風流兩個力的共同作用，雖然自重力為一定的、規律的，可由于風流產生的力不穩定，規律難尋，故空中的煤塵運動也是不規則的。在23231綜掘工作面，經過現場觀測可簡單總結煤塵運動的規律，即距離工作面越近的地方（因距壓風筒出口近）煤塵流動越紊亂，各種粒徑的煤塵相互混合，隨著距離增加，時間推移，這種現象逐漸減弱，當距離工作面50m時穩定下來，（此段區域風流相對比較穩定，風流的雷諾數Re為5×105），此時一定粒徑范圍的煤塵會懸浮在整個巷道空間，雖然煤塵濃度下降，但此時煤塵大多數為可呼吸性煤塵。

2 可呼吸性煤塵粒徑界限的確定

為研究23231工作面可呼吸性煤塵粒徑大小，以23231工作面為工程背景，合理選擇研究地點，即為距工作面掘進頭50m處（因為50m以內的煤塵運動極不穩定），該區域的煤塵運動穩定，雷諾數為5×105，介于104～106之間，屬于湍流（紊流），微細煤塵懸浮在巷道內運動可簡化不可壓縮流體的定常湍流氣固兩相流動[4]。

2.1 數學模型的建立

據現場統計，該工作面工作人員都使用鼻腔進行呼吸，使用鼻腔呼吸會使空氣中的煤塵經過鼻腔、咽部、喉部、氣管到達肺部。根據研究工作面可呼吸性煤塵粒徑大小的方法，建立數學模型，該模型以鼻入口面為中心，半徑0.5m范圍內流場為研究對象，分析不同呼吸強度下可吸入煤塵粒徑與呼吸強度關系。不同的呼吸強度有15L/min（休息時）、30L/min（輕微勞動）和60L/min（中度勞動）三種，而不同呼吸強度下鼻腔入口壓力與流速的關系可根據有關文獻[5]得到，如表1所示。該模型的建立和計算需要滿足一些假設：（1）煤塵微細顆粒為稀相，相互間不碰撞；（2）風量穩定，顆粒流動為定常流動，濃度不發生變化；（3）顆粒假設為球形；（4）研究區域為恒溫，忽略熱交換；（5）忽略顆粒質量力的影響。

表1 不同呼吸強度下鼻腔入口壓力與流速

2.2 控制方程及計算結果

連續性方程：ρA·U=C（常數）

吸氣時通過鼻腔流體流量：

式中：

pn-表面力函數；

F-質量力函數；

S1-控制面面積；

S2-鼻入口面積；

ρ-流體平均密度；

Δp-鼻入口壓力，Δp=p2-p1；

u-鼻入口流體平均流速；

v-外界流體平均流速；

Cd-煤塵顆粒阻力系數；

dp-顆粒直徑；

ρ0-煤塵顆粒密度。

聯合以上公式可得：

通過數學模型最終計算公式，可將粒徑與呼吸強度關系表示出來，從公式上可得出可吸入煤塵顆粒粒徑最大臨界值是可變化的，是隨著人體的呼吸強度的變化而變化，且隨著呼吸強度的增加，最大臨界值也隨著增加，粒徑與呼吸強度關系圖如圖1所示，根據公式可計算出在不同呼吸強度下可吸入煤塵顆粒粒徑最大臨界值。在23231工作面，工人的呼吸強度一般為Q=30L/min，則根據所得到公式可計算出可吸入煤塵顆粒粒徑最大臨界值為12μm，也就是說該工作面正常呼吸強度為30L/min時，工作面可吸入煤塵顆粒應小于12μm，實驗室所測的該工作面可吸入煤塵顆粒為10μm，兩者結果相近，結果可信。

圖1 粒徑與呼吸強度關系圖

3 防治煤塵的建議措施

（1）噴霧降塵

可在掘進機上安裝遠程噴霧裝置，在作業過程中進行噴霧，利用煤塵吸濕性，巷道中懸浮的煤塵與水結合后重量增加，迅速沉降，可達到降塵的作用，根據大量的現場實踐表明，該方法投入小，效益高，可將煤塵濃度下降到 300～400mg/m3。

（2）煤層注水降塵

掘進面在作業之前，可提前對煤層進行注水作業，煤層濕潤后，煤塵產生量大幅度減少[6]。具體操作可利用礦上現有的YT-24型風鉆配Φ42mm鉆頭進行濕式打眼，鉆孔深度不低于2.0m，利用封孔器封孔，對鉆孔進行注水作業，時間不低于20min，或迎頭煤壁出現滲水時方可停止，每個鉆孔注水量不低于120L。通過煤層注水的方法，可提前對煤體進行濕潤，掘進時空中懸浮的煤塵大幅降低，最好效果時，掘進工作面的煤塵濃度只有70mg/m3, 降塵效果顯著。

（3）除塵機除塵

可利用除塵器設備，在掘進面進行作業時，將風流中的煤塵捕集下來加以清除，凈化回風風流中空氣，達到降塵的目的。結合本礦實際情況，可選擇ZZJC- 2型濕式振弦除塵風機進行除塵，該設備風機功率為11kW, 排風量為 80m3,可滿足需要。實踐表明：在掘進機作業時, 部分時間段掘進工作面的煤塵平均濃度為80.53mg/m3,經過除塵裝置處理后，回風風流中空氣的煤塵濃度平均為60.87mg/m3,除塵風機的降塵率為 24.41%，效果顯著。

4 結語

本文以成莊礦23231綜掘工作面為工程實踐背景，通過分析煤塵產生的機理，分析影響成莊礦23231工作面煤塵的因素。結合該礦實際情況，通過建立數值模型，推導出粒徑與呼吸強度的計算公式，得到粒徑與呼吸強度的關系，即為隨著人體的呼吸強度的變化而變化，且隨著呼吸強度的增加，最大臨界值也隨著增加。且計算出了該工作面呼吸強度為30L/min時，工作面可吸入煤塵顆粒應小于12μm。通過探索在生產過程中煤塵產生的機理以及確定可吸入煤塵粒徑大小，進而可提供引發塵肺病煤塵粒徑定量數據，為有效降低工作面煤塵含量提供科學依據。結合所研究成果提出了噴霧降塵、煤層注水降塵及除塵機除塵等降塵措施，最大限度降低因煤塵而引發的塵肺病問題，保證工人的健康。