大采高綜采工作面PM5 和PM10 粉塵分布規(guī)律

蘇士龍，郝永江

（1.山西華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧042100；2.華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁033000；3.太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原030024）

礦井粉塵作為井下5 大災(zāi)害要素之一，一直以來都是煤礦防治的重點(diǎn)[1-2]。井下粉塵的危害主要表現(xiàn)為2 個(gè)方面：①粉塵對(duì)工人肺部造成的傷害，近年來逐步成為煤礦職業(yè)病防治的重要對(duì)象[3]；②井下飛揚(yáng)或沉積的粉塵在一定條件下會(huì)燃燒和爆炸，粉塵的爆炸威力甚至高于瓦斯，因此，對(duì)井下安全生產(chǎn)構(gòu)成極大的威脅。

多年來，許多學(xué)者對(duì)工作面粉塵的分布特征及規(guī)律進(jìn)行了研究[4-7]，其中針對(duì)全塵的研究居多，而實(shí)際上對(duì)礦工造成重大傷害的是可吸入粉塵顆粒，尤其是其中的呼吸性粉塵[8-11]。國內(nèi)普遍認(rèn)為，可吸入粉塵為直徑小于等于10 μm 的粉塵顆粒即PM10，而將直徑小于5 μm 的粉塵顆粒稱為呼吸性粉塵即PM5，可吸入粉塵可進(jìn)入人的上呼吸道，而呼吸性粉塵則可到達(dá)呼吸道深部肺泡區(qū)，從而導(dǎo)致塵肺病的發(fā)生[12-14]，所以掌握工作面PM5、PM10 的粉塵分布規(guī)律對(duì)于防塵措施的制定更有實(shí)際意義。因此，以某礦大采高綜采工作面為研究對(duì)象，測(cè)定分析其PM5、PM10 粉塵的分布規(guī)律，可為采取有效的工作面防塵措施提供依據(jù)。

1 工作面概況

選擇鄉(xiāng)寧縣某礦的2103 大采高綜采工作面進(jìn)行粉塵濃度測(cè)定。該工作面走向長度2 139 m，傾斜長度為234 m，總面積524 055 m2，煤層總厚5.38～7.08 m，平均6.03 m。屬穩(wěn)定煤層，經(jīng)鑒定該煤層煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。

目前工作面采用的主要防塵技術(shù)措施包括：①工作面回采前按規(guī)定進(jìn)行煤體注水；②軌道巷、運(yùn)輸巷各敷設(shè)1 趟靜壓水管，其中軌道巷每隔100 m設(shè)置1 個(gè)三通閥門，運(yùn)輸巷每隔50 m 設(shè)置1 個(gè)三通閥門，并定期進(jìn)行灑水滅塵；③采機(jī)安裝內(nèi)外噴霧裝置；④運(yùn)輸巷距工作面150 m 范圍內(nèi)、距回風(fēng)口30 m 處各設(shè)1 道全斷面風(fēng)流凈化水幕及捕塵網(wǎng)；⑤各主要轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧至少設(shè)置2 個(gè)噴嘴，要求必須牢固，能覆蓋全部落煤點(diǎn)。

2 工作面粉塵分布測(cè)定方案

1）測(cè)試儀器。采用美國TSI 公司的SidePak AM520i 型個(gè)體暴露粉塵儀，儀器為光散射激光光度計(jì)且小巧便攜，具有數(shù)據(jù)記錄功能。可測(cè)粒徑為PM2.5、PM5（呼吸性粉塵）、PM10（可吸入粉塵），與傳統(tǒng)測(cè)塵儀器相比，其最大優(yōu)點(diǎn)為可實(shí)時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)粉塵的質(zhì)量濃度，便于詳細(xì)分析粉塵濃度的變化規(guī)律。同時(shí)，利用AKFC-92A 型礦用粉塵采樣器進(jìn)行全塵的測(cè)定，采用濾膜稱重法可得測(cè)點(diǎn)的全塵濃度。

2）測(cè)點(diǎn)布置。采煤機(jī)滾筒周圍粉塵濃度測(cè)定。采煤機(jī)滾筒產(chǎn)生的截割粉塵是工作面的主要塵源，研究采煤機(jī)滾筒周圍的粉塵分布有助于掌握塵源的特征及規(guī)律。因此，分別在順風(fēng)及逆風(fēng)割煤條件下，在采煤機(jī)滾筒下風(fēng)側(cè)布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)量此處的粉塵濃度，以順風(fēng)割煤為例，順風(fēng)割煤前后滾筒測(cè)點(diǎn)示意圖如圖1。為了解粉塵變化的整個(gè)過程，采煤機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)即開始測(cè)定粉塵。

圖1 順風(fēng)割煤前后滾筒測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.1 Measuring points of front and rear drum in coal cutting following wind

3）采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)沿程粉塵濃度測(cè)定。粉塵產(chǎn)生后隨風(fēng)流開始在工作面蔓延，研究采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)沿程的粉塵分布有助于提出針對(duì)性的降塵措施。因此，分別在順風(fēng)及逆風(fēng)割煤條件下，沿工作面機(jī)道在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)布置測(cè)點(diǎn)，工作面測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2。考慮到離采煤機(jī)近的地方粉塵變化劇烈，所以一開始布點(diǎn)較密集，距采煤機(jī)20 m 以外，每隔10 m布1 個(gè)點(diǎn)，另外根據(jù)煤礦安全規(guī)程要求，在回風(fēng)巷距工作面10 m 處布置1 個(gè)點(diǎn)，連同采煤機(jī)滾筒下風(fēng)側(cè)2 處，共13 個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，待采煤機(jī)行至約工作面中間位置時(shí)開始測(cè)定粉塵。

4）測(cè)定步驟。測(cè)定前先校準(zhǔn)儀器然后設(shè)置相關(guān)參數(shù)，設(shè)定每秒記錄1 個(gè)粉塵濃度值，時(shí)間為2 min，每組共120 個(gè)數(shù)據(jù)；測(cè)定時(shí)選定測(cè)點(diǎn)并將儀器膠管進(jìn)口放到呼吸帶高度處進(jìn)行測(cè)量；測(cè)定完成后，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并記錄測(cè)點(diǎn)位置完成測(cè)量。

3 工作面粉塵測(cè)定結(jié)果

3.1 采煤機(jī)滾筒周圍粉塵分布特征

3.1.1 順風(fēng)割煤滾筒周圍粉塵分布特征

根據(jù)測(cè)定結(jié)果可得順風(fēng)割煤條件下后滾筒及前滾筒周圍PM5、PM10 粉塵分布，順風(fēng)割煤滾筒周圍粉塵濃度分布如圖3。

圖2 工作面測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Measuring points arrangement of working face

圖3 順風(fēng)割煤滾筒周圍粉塵濃度分布Fig.3 Dust concentration distribution around roller of coal cutting following wind

由圖3 可以看出：順風(fēng)割煤條件下，滾筒開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于后滾筒割底煤，加之落煤及輸送機(jī)上的煤體，瞬時(shí)在局部空間產(chǎn)生大量粉塵，所以后滾筒周圍PM5 和PM10 的起始濃度較高，之后在風(fēng)流的作用下，粉塵開始擴(kuò)散，濃度逐漸減低，最后趨于穩(wěn)定。順風(fēng)割煤時(shí)，前滾筒周圍PM5 和PM10 粉塵濃度起初平均值較低，大約70～80 s 后，粉塵濃度急劇升高，這是因?yàn)榇罅糠蹓m隨風(fēng)流擴(kuò)散運(yùn)移至前滾筒處，與此處粉塵混合疊加，使之濃度升高最后在某一平均值附近波動(dòng)；前后滾筒周圍的PM5 和PM10 粉塵濃度變化趨勢(shì)基本相同，但PM10 平均濃度更高并且變化更劇烈，兩者均值都在500 mg/m3以上。

3.1.2 逆風(fēng)割煤滾筒周圍粉塵分布特征

根據(jù)測(cè)定結(jié)果可得逆風(fēng)割煤條件下前滾筒及后滾筒周圍PM5、PM10 粉塵分布，逆風(fēng)割煤滾筒周圍粉塵濃度分布如圖4。

由圖4 可以看出：逆風(fēng)割煤條件下，前滾筒割頂煤時(shí)，與風(fēng)流迎風(fēng)相對(duì)，在滾筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦流場(chǎng)與工作面風(fēng)流場(chǎng)的共同作用下，造成粉塵局部積聚，無論是PM5 還是PM10 起始濃度都較高且波動(dòng)較大，隨后隨著風(fēng)流的稀釋粉塵濃度逐漸降低至某一值附近波動(dòng)；逆風(fēng)割煤時(shí)，后滾筒初始濃度約200～300 mg/m3，隨后逐步升高，約60～70 s 后，粉塵濃度陡然升高約3 倍左右，比順風(fēng)割煤時(shí)的時(shí)間變化點(diǎn)早約10 s，說明逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵擴(kuò)散運(yùn)移較快，變化更劇烈；后滾筒的PM5 和PM10 粉塵濃度隨后分別在900 mg/m3和1 100 mg/m3附近波動(dòng)，且波動(dòng)頻率高于順風(fēng)割煤時(shí)的前滾筒，這說明風(fēng)流與采煤機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得粉塵運(yùn)動(dòng)更加劇烈。

圖4 逆風(fēng)割煤滾筒周圍粉塵濃度分布Fig.4 Dust concentration distribution around roller of coal cutting upwind

3.2 采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)沿程粉塵分布特征

3.2.1 順風(fēng)割煤采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)沿程粉塵分布特征

對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行處理，取每個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值得到采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)沿程各點(diǎn)的PM5、PM10 粉塵平均濃度，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的全塵濃度，可得順風(fēng)割煤條件下各粒徑粉塵濃度變化及占比，順風(fēng)割煤各粒徑粉塵濃度變化及占比如圖5。

從圖5 可以看到：順風(fēng)割煤時(shí)，PM5、PM10 以及全塵的濃度變化趨勢(shì)基本相同，以PM5 粉塵變化為例，采煤機(jī)附近濃度約為500 mg/m3，隨后隨著粉塵擴(kuò)散濃度不斷升高，在測(cè)點(diǎn)5 位置即采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m 左右達(dá)到最高值約1 200 mg/m3，然后濃度逐漸降低在測(cè)點(diǎn)9 即采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)40 m 左右趨于穩(wěn)定值約300 mg/m3，在回風(fēng)巷距工作面10 m 處由于多工序作業(yè)濃度又升高至540 mg/m3。PM5 占全塵的比例起始較高，說明采煤機(jī)截割粉塵主要以呼吸性粉塵為主，隨后在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15 m 左右降至最低，這是由于采煤工作面落煤、運(yùn)煤、移架等過程中產(chǎn)生的大顆粒粉塵混入使粉塵濃度總體升高但PM5 占比降低，然后在風(fēng)流的作用下，大顆粒粉塵逐步沉降而小顆粒粉塵還飄散在工作空間，從而使PM5 的占比再次升高，而在回風(fēng)巷距工作面10 m處，由于轉(zhuǎn)載破碎等工序產(chǎn)生較多大顆粒粉塵，又使PM5 占比降低，但是PM5 占全塵的比例都在60%～80%之間，PM10 受風(fēng)流影響整體呈下降趨勢(shì)，其濃度也都在65%以上，某些點(diǎn)高達(dá)95%。

3.2.2 逆風(fēng)割煤采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)沿程粉塵分布特征

通過數(shù)據(jù)處理，得到逆風(fēng)割煤采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)沿程各點(diǎn)的PM5、PM10 粉塵平均濃度及全塵濃度，逆風(fēng)割煤各粒徑粉塵濃度變化及占比如圖6。

從圖6 可以看到：逆風(fēng)割煤條件下，PM5、PM10以及全塵的變化趨勢(shì)也大致相同，以PM5 粉塵變化為例，初始濃度與順風(fēng)割煤時(shí)相近，但是逆風(fēng)條件下粉塵的升高速率更快，在測(cè)點(diǎn)4 位置即采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)6 m 左右達(dá)到濃度的最高值約1 300 mg/m3，此時(shí)PM10 也高達(dá)1 527 mg/m3，此后粉塵濃度下降較快，在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)約20 m 達(dá)到穩(wěn)定值700 mg/m3左右，遠(yuǎn)小于順風(fēng)割煤的穩(wěn)定值點(diǎn)，說明逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵的運(yùn)動(dòng)更快更劇烈；逆風(fēng)條件下，PM5 占全塵的比例整體呈下降趨勢(shì)但變化幅度不大，這可能是由于采煤機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)流的擾動(dòng)所致，使PM5 粉塵較均勻地飄散在工作空間中，PM10 變化趨勢(shì)與PM5 類似，兩者占比都在60%以上，且相對(duì)順風(fēng)割煤時(shí)比例更高。

圖5 順風(fēng)割煤各粒徑粉塵濃度變化及占比Fig.5 Change and proportion of dust concentration of each size in following wind

圖6 逆風(fēng)割煤各粒徑粉塵濃度變化及占比Fig.6 Change and proportion of dust concentration of each size in upwind

4 結(jié) 論

1）順風(fēng)割煤條件下，后滾筒周圍PM5 和PM10粉塵起始濃度較高，隨后逐漸降低趨于穩(wěn)定，前滾筒周圍粉塵濃度起初較低，70～80 s 后急劇升高；逆風(fēng)割煤條件下，前滾筒周圍PM5 和PM10 起始濃度較高且波動(dòng)較大，后滾筒周圍粉塵濃度約60～70 s后陡然升高，比順風(fēng)割煤時(shí)的時(shí)間變化點(diǎn)早約10 s，說明在采煤機(jī)塵源附近逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵的擴(kuò)散速率更快，運(yùn)動(dòng)更劇烈。

2）順風(fēng)割煤時(shí)，PM5 粉塵在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m左右達(dá)到最高值約1 200 mg/m3，然后逐漸降低至采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)40 m 左右趨于穩(wěn)定濃度約300 mg/m3；逆風(fēng)割煤時(shí)，PM5 粉塵在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)6 m 左右達(dá)到最高約1 300 mg/m3，而在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)約20 m趨于穩(wěn)定值700 mg/m3左右，其距離遠(yuǎn)小于順風(fēng)割煤的穩(wěn)定值點(diǎn)，說明在工作面沿程路徑上逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵的運(yùn)移速率更快，PM10 與全塵的變化過程與PM5 類似。

3）順風(fēng)割煤時(shí)，PM5 占全塵的比例起始較高，在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15 m 左右降至最低，隨后在風(fēng)流的作用下再次升高，PM10 占比整體呈下降趨勢(shì)；逆風(fēng)割煤時(shí)，PM5 和PM10 占全塵的比例整體呈下降趨勢(shì)且變化幅度不大，2 種條件下，PM5 占比都在60%～80%之間，而PM10 高達(dá)65%～95%以上，因此，采煤工作面應(yīng)采取針對(duì)可吸入粉塵特別是呼吸性粉塵的有效措施。