煤礦井下粉塵檢測與治理技術分析

郭麗琴

（同煤集團大斗溝煤業有限責任公司，山西 大同 037000）

國內經濟高速發展必然會消耗大量的化石能源，煤炭消耗占總能源消耗的75%左右，盡管煤炭的燃燒帶來了污染問題，但是我國天然氣等清潔資源相對匱乏，很難滿足工業化生產要求，近幾年煤炭消費在總體能源消費中趨于下降，但依然是能源消費的主流。隨著煤炭開采的深入，井下作業變得非常普遍，深井煤礦提高產量的同時，必須處理好粉塵、瓦斯、火災、透水、頂板等問題，粉塵是困擾煤炭安全生產的隱患之一，盡管相關部門強化對煤礦的安全監管，但每年仍會有煤礦事故和人數傷亡的出現，即使發達國家也不能實現0事故。煤炭等巖塵的長期吸入對工作人員身體健康有不利影響[1]。因此必須進行井下粉塵的檢測和治理的研究，以保證煤礦的運行安全。

1 煤礦井下粉塵的危害

粉塵不可以引發嚴重的煤礦事故，也會造成職業性疾病塵肺病。塵肺病為慢性疾病，導致的死亡人數要遠多于煤礦事故導致的死亡數量，高達兩倍以上，粉塵混合在空氣中在人呼吸過程進入并沉留在肺部引發矽肺病，塵矽病作為井下作業人員健康的主要殺手，因此防塵降塵措施是保護工人身體健康的重要手段[2]。

煤塵濃度達到一定值會發生爆炸，在煤層開采過程中容易使懸浮煤塵達到爆炸的下限質量濃度30～50 mg/m3，尤其是礦井巷道中存在大量的連續積塵，受到外力激擾就會重新飛揚在空氣中，使粉塵濃度急劇上升，進而形成爆炸事故。煤塵引爆溫度為650～1 050℃，粒度越小與空氣接觸的表面積越大，造成產生爆炸的概率也會增加，且井下開采中瓦斯會和煤塵混合相互作用時，會降低爆炸下限濃度，極大增加爆炸的概率性。

煤礦粉塵會侵入回轉件內部，加速機械異常磨損，縮短精密儀表壽命，附著在電氣散熱片等設施的表面，影響設備散熱，加速電氣電路設備老化，降低井下開采工作面能見度，增加操作盲區。井下采掘工作面是煤塵產生的主要來源，未采取防塵措施時，粉塵質量濃度高達4 000～8 000 mg/m3。受到市場需求增加的影響，高產高效開采設備的應用使井下掘進工作環境變得復雜，快速高效掘進產生的粉塵治理受到限制，因此煤礦掘進工作面采取相應措施降低空氣粉塵濃度，使煤礦走向綠色安全生產的軌道化的一項重要措施。

2 煤礦井下粉塵的產生和運動規律

在煤炭開采過程中，采掘機、鉆眼、炸藥爆破、頂板管理等環節均會有礦塵產生，盡管不同礦井礦塵有很大一定的差異，各生產環節的浮塵產生比例大致為：綜采工作面產塵量占到整個礦井產塵量超過50%，綜采工作面主要產塵地點為割煤作業、支架移架、放煤、煤炭運輸和轉載、頂板冒落等，掘進工作面產塵量占20%～38%；錨噴作業和運輸通風巷道產塵量基本為10%左右；其他作業點也存在微量產塵土[3，4]。機械化程度越高，礦塵生成量呈現增大的趨勢。

粉塵顆粒采用“當量徑”進行描述，巷道中粉塵沉降速度與粉塵粒徑成正比，粒徑越小漂浮時間越長，且人體吸入時間和數量越大，對人體傷害也就越大。塵粒自由下落和沉降時間如下頁表1所示。掘進面粉塵一部分相似通風過程由風流帶出，而大部分在回風巷逐漸沉積，開采時產生塵源，粒徑大的粉塵先沉積，粒徑小的在風流等作用下流向較遠方，巷道頂板和兩幫以粒徑小的粉塵為主，底板上則為粒徑大的粉塵。粉塵粒子的擴散運動受到作業境、空氣介質和空氣流動狀態等多種因素影響。粗粉塵粒子運動在氣流運移速度和粉塵粒子重力共同作用下以拋物線形式擴散；細粉塵粒子運動受氣流運移速度和粉塵重力呈脈動曲線狀態擴散；亞微粉塵粒子以脈動飄揚曲線狀態進行擴散，可無限時間漂浮在空氣中。掘進面粉塵濃度分布如圖1所示。

表1 粉塵沉降時間

圖1 掘進面粉塵分布

3 煤礦井下粉塵的檢測

煤礦井下策略粉塵采用《作業場所空氣中粉塵測定方法》標準規定的測量方法，總粉塵濃度采用濾膜質量濃度法進行測定，總粉塵濃度的計算公式為：

式中：x為采樣點粉塵質量密度，mg/m3；μ2、μ1分別為濾膜采樣前后質量，mg；f為采樣流量，m3/min；t為采樣時間，min。

粉塵濃度測定采用斯托克斯沉降法，測試原理為將粉塵溶于水中進行沉降，采樣點綜采工作面實際狀況進行布置，對綜采面內的粉塵濃度分布進行實際的測定，粉塵采樣分為順風和逆風采樣兩次，采集點如圖2所示。

圖2 粉塵采集點

綜采工作面采煤機順風作業粉塵濃度通過測量可獲得其分布圖，如圖3所示，在下風口約5 m處粉塵濃度達到最大值，超過15 m后，粉塵因為已經擴散到巷道其他空間濃度下降，并逐漸趨于均勻。

4 粉塵治理的治理和效果評估

越來越多高效大型采掘設備在煤礦的應用提高的生產效率，但粉塵問題增加成為一個不可回避的問題，綜采工作面粉塵濃度嚴重超標，嚴重威脅著工作者的身心健康和作業安全，因此在綜采面常用的降塵技術是在采煤機設置內外噴霧系統，降塵效率能達50%以上，但對微小粉塵作用偏低，因此必須研究新型噴嘴，增加輔助噴霧除塵系統，噴嘴霧化角和霧化覆蓋直徑是單個噴嘴關鍵參數，根據計算和測量可得出，噴嘴有效霧化角為40°～50°，噴嘴霧化角度和覆蓋直徑如圖4所示。

圖3 綜采面順風粉塵濃度

圖4 噴嘴有效霧化角度及覆蓋范圍

在綜采面的粉塵的分布、運動規律基礎上，結合霧化除塵技術，設計研究了輔助噴霧除塵系統，通過在綜采工作面現場實測的數據分析得出，增加輔助噴霧降塵系統可有效地降低采煤機割煤處的產塵量，在采煤機和刮板運輸機噴射形成水幕，降低60%的粉塵進入操作人員的作業空間內，保障了綜采工作面工作人員的作業安全和適宜的作業環境。

5 結語

粉塵的存在嚴重威脅井下作業的安全和職工健康，分析綜采工作面粉塵的成因和擴散規律，并采用合理標準和技術對不同工作區進行粉塵濃度等指標測試，在合適位置加裝水霧除塵裝置，最大限度降低粉塵的密度和流動，以保障井下作業安全，減少職業病的發生，對于煤礦井下安全穩定開采具有很好的指導意義。