綜掘工作面粉塵防治理論與技術研究進展

賀艷軍，王 帥，張 昊，葛少成，王 林，黃 云，趙 茂，王永峰

(1.神華包頭能源有限責任公司 李家壕煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024)

近幾十年來，我國能源消費結構主要以煤為主，這主要由于石油與天然氣國內資源匱乏、多依賴進口。我國能源中對于煤的消費結構可分為3個階段：①2000—2011年的煤高消耗的粗放發(fā)展階段，其中煤炭能源消費占比自2000年的68.5%上升至2011年的70.2%；②我國自2012年步入工業(yè)化后期到2018年我國能源消費也開始轉向高質量發(fā)展階段，其中重要指標為煤炭，占比降到59%；③第三能源結構變化階段即高質量常態(tài)化發(fā)展階段[1]。2020年，我國進入到社會主義現(xiàn)代化國家建設的新征程，在工業(yè)能源消費方面，我國也將轉變?yōu)楦哔|量。2012—2018年，我國的能源消費總體呈上升趨勢，盡管新能源的投入與國家政策的調整使我國的能源消費有一定范圍的波動，但總體煤炭消費仍占能源消費總量的60%左右[2]。煤炭作為我國的能源消耗的最大大主體，將會在未來幾十年持續(xù)發(fā)揮巨大作用。隨著煤炭生產增長的同時，安全生產事故也層出不窮，現(xiàn)有事故死亡率已有很大下降，但距離歐洲許多國家的安全生產水平仍有很大差距[3-6]。

煤礦的掘進工作面粉塵含量由于掘進機械化、自動化以及煤炭產量的要求提升而急劇提高。由于掘進工作面通風條件的特殊性，掘進巷道的通風狀態(tài)是一個端口封閉、一端開口的獨頭巷道。當風流由風機運至掘進面時，風流受阻折返，帶有大量的煤塵并逐漸擴散到整個掘進工作面的其他作業(yè)空間，尤其在掘進機的司機處。粉塵擴散濃度很大時，整體能見度很低，嚴重影響掘進工作面的安全生產[7-9]。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，井下的掘進面粉塵濃度應低于10 mg/m3，但是通常掘進工作面掘進機掘進施工時的粉塵濃度可達500～1 400 mg/m3，最高超標100多倍。因此，塵肺病發(fā)病率最高的人群是掘進工作面尤其是掘進機司機以及支護人員。除了瓦斯爆炸外，煤塵可爆炸性也是井下發(fā)生爆炸的一大重要危險因素，且煤塵爆炸發(fā)生率僅低于瓦斯爆炸，爆炸的影響與破壞程度較大，井下除塵刻不容緩。煤塵爆炸是指當某個封閉空間內的粉塵顆粒大小為0.7～1.0 mm時，煤塵濃度處于爆炸極限濃度范圍內，且氧氣濃度達到臨界點時，便會發(fā)生爆炸現(xiàn)象。

煤礦掘進工作面相較于其他工作面最為特殊的是：當掘進工作面通風時，巷道一端進風、另一端封閉的通風方式，決定了其通風的特殊性，通過壓風機吹進巷道的風流在巷道封閉處將會折回，這就導致了風流裹挾高濃度的粉塵流向掘進機尤其掘進機司機處，致使掘進機作業(yè)空間內的粉塵濃度遠高于其他地方，對掘進機司機及掘進工作面內的礦井工作人員造成職業(yè)危害，加大了塵肺病發(fā)生的可能性，同時掘進以及支護設備受高濃度的粉塵腐蝕磨損的危害。煤礦井下高濃度的煤塵會致使作業(yè)環(huán)境能見度降低，作業(yè)效率降低，進而影響工作面的正常生產情況。由于掘進工作面的通風困難性，對工作人員造成影響的同時，也會對掘進機等設備產生影響，增大損耗。因此，針對掘進工作面特殊的通風及生產情況，積極采取有效合理的降塵措施，以期在保證礦井安全生產的前提下，最大限度保障工作面作業(yè)人員的健康與安全。

1 綜掘工作面粉塵防治理論研究現(xiàn)狀

綜掘工作面粉塵防治理論研究主要包括：掘進過程中粉塵的產生與粉塵特性、粉塵在掘進巷道風流中的擴散及分布規(guī)律、潤濕性和爆炸性以及粉塵沉降規(guī)律的分析。

1.1 產塵方面

綜掘工作面掘進過程中，支護、鑿巖、機械材料裝卸、爆破以及片幫冒頂?shù)冗^程產生大量粉塵，尤其鑿巖機作業(yè)打炮眼以及爆破時更易產生高濃度粉塵。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，塵肺病患者中大多從事煤礦井下一線生產工作多年，且煤礦巖石綜掘工作面工作人員患病率遠高于其他工作地點，原因在于，綜掘面的粉塵量為煤礦井下粉塵濃度最高的地點[10-11]。

煤礦井下綜掘工作面掘進過程中產塵量大的原因在于：煤壁未受到外界壓力時，各個方向受力不變，而當綜掘機的截割頭與煤壁接觸時，破壞了原有的受力平衡，在截割頭與煤壁的接觸點產生了1個三向的應力狀態(tài)，受力不平衡，導致煤壁擠壓變形，進而產生破碎；綜掘機截割頭繼續(xù)向前，壓縮接觸點煤塊，產生密實核，密實核應力大于四周煤塊應力，煤塊將會被進一步擠壓粉碎，截割頭后撤時，接觸點應力急劇減小，伴隨有細小的煤塊破碎并下落，此時便有大量的煤塵產生[12]。

20世紀90年代初，劉建榮等通過現(xiàn)場測定礦井煤塵的產塵量，確定了掘進后煤巖被采煤機破碎后的粉塵產塵量達到22.8×103g/J，同時不同煤種破碎所產生的煤塵粒徑均符合Rosin-Rammlar分布。李曉豁等為研究掘進機掘進過程中的產塵規(guī)律，通過建立數(shù)學模型，分析并確定了不同工藝參數(shù)的權重。掘進過程中還受其他各方面因素的影響，如煤巖性質、綜掘機參數(shù)等，都可以使產塵量減小。

1.2 粉塵運移理論方面

20世紀初期，David Stokes[12]通過現(xiàn)場試驗分析球狀微粒的受力情況，并得到球形粉塵顆粒運動公式。Fuchs M等[13]將氣溶膠力學原理應用到粉塵顆粒在大氣中的遷移與擴散規(guī)律研究。20世紀70年代到90年代，Soo S L等[14]提出一種流體相與顆粒群連續(xù)的互相滲透、互相耦合的“連續(xù)介質”即為“兩相流”，使得該模型更全面考慮兩相的各種影響因素的耦合，以及把顆粒作為離散項并將其在拉格朗日坐標系下求解軌跡方程，流體相作為連續(xù)項求解流體的運動軌跡方程的離散顆粒模型。這樣方便跟蹤每一個顆粒的運動軌跡，但對于大體積顆粒數(shù)巨大的模型計算難度加大，難以收斂[15]；同時多相流模型不僅只局限于熱量、溫度的變化更加完善了相與相之間的質量、動量、能量的相互影響與傳遞[16]。流模型不僅只局限于熱量、溫度的變化，更加完善了相與相之間的質量、動量、能量的相互影響與傳遞[16]。

欒昌才等[17]通過實驗分析掘進機掘進鑿巖有局部通風以及無局部通風條件下的產塵情況與粉塵擴散分布。劉建等[18]基于掘進機掘進割煤導致掘進工作面粉塵大量擴散，建立了掘進機工作參數(shù)與產塵量的數(shù)學模型，結合構建神經網絡模型，檢測掘進巷道呼吸性粉塵的濃度。蔣仲安等[19]依據(jù)空氣粉塵顆粒耦合模型運動方程，推導掘進巷道的準則系數(shù)，并分析了射流區(qū)、回流區(qū)、渦流區(qū)的呼吸性粉塵擴散流動情況。

2 綜掘工作面粉塵防治技術研究現(xiàn)狀

目前，世界各大產煤國為保障安全生產，改善井下各工作面的作業(yè)條件，采取了相應的降塵除塵技術措施。在綜掘工作面粉塵防治方面主要采用通風以及水霧降塵：主要利用礦井通風設計將掘進過程產生的粉塵排出，輔之以水霧或化學試劑泡沫化捕捉粉塵使其沉降。礦井下常用的除塵技術有：泡沫降塵、通風降塵、除塵器降塵、噴霧降塵等。

2.1 通風降塵

礦井通風按照通風工作方式可分為壓入式通風、抽出式通風與混合式通風3種。其中，壓入式通風適用于掘進工作面，主要特點在于通過局部通風機作為礦井通風的動力風筒，利用動力風筒進行導風，我國掘進工作面大都采用這種通風方式。在掘進巷道出風口的進風側外大約10 m的位置布置局部通風機，局部通風機將新鮮風流通過風筒送至掘進面，同時將掘進工作面產生的含塵氣流排出掘進工作面，采用將風機布置在通風巷道中的方式，通風的安全性得以提高。此外，與抽出式通風相比，壓入式通風風流射流強度高，風流有效射程遠，能夠稀釋和排出更多體積的含塵氣體，通風效率高，工作面粉塵濃度降低速率快[20]。由于采用壓入式通風，風筒出口的風速較大，綜掘工作面掘進過程中產生的粉塵能夠及時排出，安全性增加，這樣可以起到預防瓦斯聚集的作用，降低瓦斯帶來的危害；同時，由于通風風速較大，對于掘進工作面的降溫也能起到一定的促進作用，壓入式通風所采用的風筒為方便安裝、質量較輕且成本相對廉價的柔性風筒。壓入式通風方式也有其缺點：當含塵的污風氣流沿著巷道排出時，由于采用壓入式通風，在風筒出口處會形成射流區(qū)，射流區(qū)射流會導致周圍形成渦流區(qū)域，含塵氣流進入渦流區(qū)域內，粉塵聚集于渦流區(qū)域，致使該區(qū)域內的粉塵濃度上升，而掘進面的工作人員又大多正好處于該渦流區(qū)域內，對其身體健康影響較大；同時，隨著掘進工作面不斷向前開采，排出污風所需時間逐漸增加。煤礦井下多采用串聯(lián)通風系統(tǒng)，當掘進工作面通風與其他工作面相聯(lián)通時，可能會導致掘進工作面的污風擴散到其他工作面，導致粉塵污染更加嚴重。

與壓入式通風不同的是，抽出式通風的局部通風機安裝在距巷道出風口回風側的10 m處，通風機工作時會產生負壓，掘進巷道內產生的污風及開采過程中涌出的瓦斯被吸出巷道。因此，結合2種通風方式優(yōu)點的混合式通風具有更加獨特的優(yōu)勢[21-22]。

秦躍平等[23]通過數(shù)值模擬，對壓風分流通風除塵方法的除塵效果進行了分析與對比，結果表明采用這種方法能夠在一定范圍內降低綜掘工作面的粉塵濃度，并且對于沿著風流的粉塵擴散距離的減小也有促進作用。王海橋等[24]采用流體力學射流理論與滲流力學理論，對比分析了掘進工作面采用不同的通風方式時風流場的不同，總結得出風流場主要包括射流區(qū)與回流區(qū)兩大流場區(qū)域。并以此為基礎建立了相應的物理模型：射流區(qū)速度分布模型與回流區(qū)平均速度作用距離計算模型，為綜掘面通風以及粉塵污染治理提供了新的理論依據(jù)。

為比較壓入式通風與抽出式混合通風除塵效果，在古樹煤礦9221掘進主巷道分別采用2種通風方式進行對比分析，結果顯示除塵效果最佳的通風方式為長壓短抽式，除塵效率明顯提升。為比較壓入式通風與抽出式混合通風除塵效果，王明等[25-26]使用CFD-DPM建立掘進主巷道風流模型，分別采用2種通風方式進行對比分析，結果顯示除塵效果最佳的通風方式為長壓短抽式，除塵效率明顯提升。劉雅俊等[27]通過建立短路流場數(shù)學模型，研制出了適用于水平運輸大巷掘進工作面的綜掘面風幕除塵風機，并通過現(xiàn)場實驗驗證了該模型與該裝置的可行性，表明該裝置對于扼制呼吸性粉塵的擴散能起到極大的作用。此后，李雨成[28]在該裝置的基礎上進行了完善與改進，使得降塵效果再次提升。馮琪[29]通過改進現(xiàn)有的混合式通風方式，即長壓短抽混合式通風方式，進行了優(yōu)化與調整，除塵效率提升明顯，綜掘工作面粉塵濃度直線下降。其中，處于掘進機司機處的降塵效果達到最優(yōu)，但相比較之下，改進后的通風除塵方式對于呼吸性粉塵的降塵率不如原有的長壓短抽式降塵方式。

針對現(xiàn)有降塵理論方面的不足，聶文等通過對現(xiàn)場實驗進行分析對比，分別提出了掘進面旋流氣幕理論與封閉降塵理論，補全了降塵理論方面的短板，并通過實驗得出結論，呼吸性粉塵的降塵效率為90%左右，而對于全塵的除塵效率則高于呼吸性粉塵，可達到90%～95%。其中，對于接塵受影響最為嚴重的司機處的降塵率也可以達到90%以上。

2.2 噴霧降塵

目前最有效的最廣泛使用的濕式除塵方法，粉塵微粒與水霧顆粒碰撞、攔截產生重力沉降等來捕集粉塵。但掘進機內噴霧的噴嘴易發(fā)生堵塞，實現(xiàn)降塵和維護都比較困難，外噴霧水流量大，不僅銹蝕機器，還會導致煤的含水量增大，掘進機噴霧系統(tǒng)還存在電機冷卻水的低壓和噴霧水的高壓之間的矛盾。國內許多研究者還相繼研究了預荷電噴霧、磁水噴霧、聲波霧化噴霧等新技術，由于使用條件的要求過于嚴格限制了相關技術。

噴霧降塵是濕式降塵方式之一，是我國煤礦井下綜掘工作面降低粉塵濃度普遍采用的一種降塵方式，經過實踐證明，該方式為綜掘工作面降塵最為有效的方式。噴霧降塵的原理是利用噴霧箱將高壓水以射流的方式排出，在噴霧箱出口處形成粒徑較小的霧滴，此時的霧滴具有較高的速度，當與煤塵發(fā)生碰撞時，煤塵顆粒將會被霧滴顆粒所捕獲，兩個顆粒經過潤濕和凝聚后，其質量增加，無法繼續(xù)在空中漂浮，因重力作用而發(fā)生沉降。噴霧降塵影響因素較多，其中，起主要作用的為水的分散度、水的潤濕特性、煤塵的濕潤性以及霧滴與煤塵的相對運動速度，通過現(xiàn)場實測得出結論，霧滴粒徑為10～15 μm時，降塵效果達到最優(yōu)。

綜掘機目前具有內外噴淋功能，外噴霧主要用于去除空氣中的粉塵擴散，內噴頭主要用于抑制綜采機采煤過程中與煤壁接觸產生粉塵。良好的內外噴淋設計可以有效降低綜采區(qū)粉塵濃度。

2.3 泡沫降塵

我國的泡沫降塵技術研究始于20世紀80年代。煤科院上海研究所針對泡沫降塵機理開展了理論研究與實驗分析，但并未廣泛應用于實踐。20世紀90年代后期，北京科技大學蔣仲安教授利用泡沫在膠帶轉載點及鑿巖區(qū)域進行了降塵實驗，發(fā)現(xiàn)泡沫相對于噴霧的降塵效果有顯著提高，并且對呼吸性粉塵的抑制能力特別突出。

21世紀，中國礦業(yè)大學王德明教授研究了泡沫降塵理論與工程應用，呼吸性粉塵除塵效率達83.75%。經過多年發(fā)展，掘進工作面泡沫降塵系統(tǒng)的核心部件為發(fā)泡劑添加裝置、泡沫發(fā)生裝置、泡沫噴射裝置3個部分。其中發(fā)泡劑添加裝置中壓力損失最大，其次是發(fā)泡器。現(xiàn)有泡沫噴頭由于存在結構缺陷，泡沫量損失較大，射流形態(tài)難以控制。

3 結論

通過以上不同研究者針對綜掘工作面產塵成因、粉塵擴散運移規(guī)律以及掘進工作面除塵技術措施研究內容的分析與總結，噴霧降塵與通風除塵相結合是井下綜掘面最廣泛使用的除塵手段，但也同樣存在許多不足。

(1)壓入式通風排塵作為當前掘進工作面使用最廣泛的除塵手段，有諸多優(yōu)點：操作簡單，使用方便，成本相對較低。但由于受掘進面斷面和風速控制的影響，工作面的粉塵濃度不能嚴格控制在礦山安全衛(wèi)生標準范圍內，導致掘進面整體除塵效率相較于其他工作面低，并由于其作業(yè)特點極易造成小范圍二次污染。抽出式通風同樣存在諸多問題，工作面送來的污風必須經過局部風機及其輔助設施。 如果不具備防爆功能或功能故障，則非常危險。

(2)目前除塵風機抽風量小，工作面排風時間長、速度慢，易導致瓦斯大的煤礦綜采工作面瓦斯局部聚集；排氣管是負壓的，為了承受壓力，必須做成剛性的或可伸縮的帶剛性框架排氣管，質量大，安裝、拆卸不方便等。

(3)泡沫除塵措施，其設備復雜、化學試劑成本高，在掘進巷道的應用有非常大的局限性，很少應用于采掘工作面。而泡沫除塵器除塵技術由于降塵設備體積大、機動性弱等原因，這些降塵技術暫時難以廣泛使用。

(4)針對目前煤礦掘進工作面除塵技術存在諸多問題，為進一步改善綜采工作面工人的工作環(huán)境，降低粉塵濃度，針對掘進機駕駛員和轉運點的粉塵污染問題，長壓短抽混合通風技術是一種新的技術創(chuàng)新研究與探索思路。