煤礦井下粉塵檢測與治理技術(shù)分析

郭麗琴

（同煤集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)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(yè)化生產(chǎn)要求，近幾年煤炭消費(fèi)在總體能源消費(fèi)中趨于下降，但依然是能源消費(fèi)的主流。隨著煤炭開采的深入，井下作業(yè)變得非常普遍，深井煤礦提高產(chǎn)量的同時，必須處理好粉塵、瓦斯、火災(zāi)、透水、頂板等問題，粉塵是困擾煤炭安全生產(chǎn)的隱患之一，盡管相關(guān)部門強(qiáng)化對煤礦的安全監(jiān)管，但每年仍會有煤礦事故和人數(shù)傷亡的出現(xiàn)，即使發(fā)達(dá)國家也不能實(shí)現(xiàn)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(jìn)行井下粉塵的檢測和治理的研究，以保證煤礦的運(yùn)行安全。

1 煤礦井下粉塵的危害

粉塵不可以引發(fā)嚴(yán)重的煤礦事故，也會造成職業(yè)性疾病塵肺病。塵肺病為慢性疾病，導(dǎo)致的死亡人數(shù)要遠(yuǎn)多于煤礦事故導(dǎo)致的死亡數(shù)量，高達(dá)兩倍以上，粉塵混合在空氣中在人呼吸過程進(jìn)入并沉留在肺部引發(fā)矽肺病，塵矽病作為井下作業(yè)人員健康的主要?dú)⑹?，因此防塵降塵措施是保護(hù)工人身體健康的重要手段[2]。

煤塵濃度達(dá)到一定值會發(fā)生爆炸，在煤層開采過程中容易使懸浮煤塵達(dá)到爆炸的下限質(zhì)量濃度30～50 mg/m3，尤其是礦井巷道中存在大量的連續(xù)積塵，受到外力激擾就會重新飛揚(yáng)在空氣中，使粉塵濃度急劇上升，進(jìn)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(chǎn)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(zhuǎn)件內(nèi)部，加速機(jī)械異常磨損，縮短精密儀表壽命，附著在電氣散熱片等設(shè)施的表面，影響設(shè)備散熱，加速電氣電路設(shè)備老化，降低井下開采工作面能見度，增加操作盲區(qū)。井下采掘工作面是煤塵產(chǎn)生的主要來源，未采取防塵措施時，粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)4 000～8 000 mg/m3。受到市場需求增加的影響，高產(chǎn)高效開采設(shè)備的應(yīng)用使井下掘進(jìn)工作環(huán)境變得復(fù)雜，快速高效掘進(jìn)產(chǎn)生的粉塵治理受到限制，因此煤礦掘進(jìn)工作面采取相應(yīng)措施降低空氣粉塵濃度，使煤礦走向綠色安全生產(chǎn)的軌道化的一項重要措施。

2 煤礦井下粉塵的產(chǎn)生和運(yùn)動規(guī)律

在煤炭開采過程中，采掘機(jī)、鉆眼、炸藥爆破、頂板管理等環(huán)節(jié)均會有礦塵產(chǎn)生，盡管不同礦井礦塵有很大一定的差異，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的浮塵產(chǎn)生比例大致為：綜采工作面產(chǎn)塵量占到整個礦井產(chǎn)塵量超過50%，綜采工作面主要產(chǎn)塵地點(diǎn)為割煤作業(yè)、支架移架、放煤、煤炭運(yùn)輸和轉(zhuǎn)載、頂板冒落等，掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵量占20%～38%；錨噴作業(yè)和運(yùn)輸通風(fēng)巷道產(chǎn)塵量基本為10%左右；其他作業(yè)點(diǎn)也存在微量產(chǎn)塵土[3，4]。機(jī)械化程度越高，礦塵生成量呈現(xiàn)增大的趨勢。

粉塵顆粒采用“當(dāng)量徑”進(jìn)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(shù)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(jìn)面粉塵一部分相似通風(fēng)過程由風(fēng)流帶出，而大部分在回風(fēng)巷逐漸沉積，開采時產(chǎn)生塵源，粒徑大的粉塵先沉積，粒徑小的在風(fēng)流等作用下流向較遠(yuǎn)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(kuò)散運(yùn)動受到作業(yè)境、空氣介質(zhì)和空氣流動狀態(tài)等多種因素影響。粗粉塵粒子運(yùn)動在氣流運(yùn)移速度和粉塵粒子重力共同作用下以拋物線形式擴(kuò)散；細(xì)粉塵粒子運(yùn)動受氣流運(yùn)移速度和粉塵重力呈脈動曲線狀態(tài)擴(kuò)散；亞微粉塵粒子以脈動飄揚(yáng)曲線狀態(tài)進(jìn)行擴(kuò)散，可無限時間漂浮在空氣中。掘進(jìn)面粉塵濃度分布如圖1所示。

表1 粉塵沉降時間

圖1 掘進(jìn)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(yè)場所空氣中粉塵測定方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測量方法，總粉塵濃度采用濾膜質(zhì)量濃度法進(jìn)行測定，總粉塵濃度的計算公式為：

式中：x為采樣點(diǎn)粉塵質(zhì)量密度，mg/m3；μ2、μ1分別為濾膜采樣前后質(zhì)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(jìn)行沉降，采樣點(diǎn)綜采工作面實(shí)際狀況進(jìn)行布置，對綜采面內(nèi)的粉塵濃度分布進(jìn)行實(shí)際的測定，粉塵采樣分為順風(fēng)和逆風(fēng)采樣兩次，采集點(diǎn)如圖2所示。

圖2 粉塵采集點(diǎn)

綜采工作面采煤機(jī)順風(fēng)作業(yè)粉塵濃度通過測量可獲得其分布圖，如圖3所示，在下風(fēng)口約5 m處粉塵濃度達(dá)到最大值，超過15 m后，粉塵因為已經(jīng)擴(kuò)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(shè)備在煤礦的應(yīng)用提高的生產(chǎn)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(yán)重超標(biāo)，嚴(yán)重威脅著工作者的身心健康和作業(yè)安全，因此在綜采面常用的降塵技術(shù)是在采煤機(jī)設(shè)置內(nèi)外噴霧系統(tǒng)，降塵效率能達(dá)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(tǒng)，噴嘴霧化角和霧化覆蓋直徑是單個噴嘴關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)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(fēng)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(yùn)動規(guī)律基礎(chǔ)上，結(jié)合霧化除塵技術(shù)，設(shè)計研究了輔助噴霧除塵系統(tǒng)，通過在綜采工作面現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)分析得出，增加輔助噴霧降塵系統(tǒng)可有效地降低采煤機(jī)割煤處的產(chǎn)塵量，在采煤機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)噴射形成水幕，降低60%的粉塵進(jìn)入操作人員的作業(yè)空間內(nèi)，保障了綜采工作面工作人員的作業(yè)安全和適宜的作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié)語

粉塵的存在嚴(yán)重威脅井下作業(yè)的安全和職工健康，分析綜采工作面粉塵的成因和擴(kuò)散規(guī)律，并采用合理標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)對不同工作區(qū)進(jìn)行粉塵濃度等指標(biāo)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(yè)安全，減少職業(yè)病的發(fā)生，對于煤礦井下安全穩(wěn)定開采具有很好的指導(dǎo)意義。