粉塵動態發散規律與防治對策

張 飛

(國能神東煤炭集團有限責任公司教育培訓中心，陜西 榆林 719315)

0 引言

粉塵災害作為煤礦五大災害之一，嚴重威脅著煤礦的安全生產。近年來，雖然由粉塵引發的燃燒、爆炸事故較少發生，但因粉塵而導致的塵肺病、矽肺病等職業病例卻呈明顯的增長趨勢，嚴重威脅著煤礦職工的身體健康和生命安全。如何采取有效的防塵措施，保護工人的身體健康，維護職工的合法權益，是礦山企業和行業主管部門面臨的一大課題。因此，研究粉塵動態發散規律，采取相應的防治對策是非常必要的。

1 粉塵的來源

粉塵主要來源于采掘活動，巷道風力作用以及一些零星的礦務工程也能導致礦井空氣中粉塵濃度的增大。由粉塵引發的職業病與煤礦事故死亡人數如圖1所示。

圖1 煤礦職業病報告病例與煤礦事故死亡人數曲線Fig.1 Curve between reported cases of coal mine occupational diseases and deaths in coal mine accidents

1.1 采掘活動

隨著煤礦的機械化程度越來越高，機械設備在煤炭采掘過程中發揮著越來越重要的作用。連續不斷的采掘活動，導致巷道中粉塵濃度持續增大。特別是在工作面遇到堅硬的巖石時，巖體難以破落，與機器截割部分長時間研磨，能夠產生大量的粉塵，濃度高時能夠達到1 000～2 000 mg/m3。

1.2 礦務工程

礦務工程一般比較分散，產塵量不大，不易引起重視，從而逐漸對作業人員造成較大傷害。支護過程中使用煤電鉆或風鉆打眼，巷道起底、清渣、掏槽等，都會產生煤塵；構筑密閉、擋風墻時使用水泥，則會產生一些水泥粉塵。

1.3 二次揚塵

由于系統配風不合理，導致在巷道配風較低時，粉塵容易沉積，一旦通風系統發生改變，很容易引起二次揚塵；而巷道風速過高時，部分沉積在巷道中的粉塵，受到風力的作用，又會重新懸浮到巷道空氣中。此外，煤機采動、炸藥爆破、輔助運輸等活動，也會造成沉積的粉塵重新懸浮到空氣中。

2 粉塵動態發散規律

不同的地點，粉塵動態發散規律不一樣。產塵較大的生產現場，粉塵發散距離較遠，產塵較小的其他巷道，粉塵發散距離較近。根據現場檢測的數據，研究人員初步總結出井下主要生產作業地點的粉塵動態發散規律如下。

2.1 綜采工作面

綜采工作面的粉塵主要來源于煤機采煤過程中的破煤、落煤、裝煤、運煤等工序，推移支架的過程中也會產生大量的粉塵。根據所采取的綜合防塵措施，綜采工作面粉塵的發散規律如圖2所示。

圖2 綜采工作面粉塵動態發散規律Fig.2 Dynamic dispersion law of dust in fully mechanized mining face

煤機截割煤壁時，產塵量較大，在全風壓風流的作用下，在煤機后方形成第1個濃度峰值，這個峰值基本位于采煤機機身后方3～5 m處，推移支架時，大量的粉塵疊加在采煤機逐漸衰減的粉塵中，又形成第2個峰值，這個峰值基本位于正在推移支架的后方3～5 m處。

經過架間噴霧的作用以及回風巷道中的防塵濾網的過濾后，綜采工作面的粉塵濃度迅速下降，巷道空氣中的粉塵濃度慢慢接近漸進極值，達到一個比較穩定的狀態。

2.2 掘進工作面

掘進工作面的粉塵主要來源于掘進巷道、支護作業時產生的粉塵。根據所采取的綜合防塵措施，生產過程中掘進工作面粉塵動態發散規律如圖3所示。

圖3 掘進工作面粉塵動態發散規律Fig.3 Dynamic dispersion law of dust in tunneling face

掘進機掘進巷道時，產塵量較大，局部通風機供給的新鮮風流將粉塵吹散，形成第1個濃度峰值，這個峰值基本位于掘進機機身范圍內。隨著大顆粒粉塵的迅速沉降以及破碎滾筒的作用，很快又形成第2個濃度峰值，這個峰值基本位于破碎機后方1～2 m處。

經過工作面后方的防塵濾網后，粉塵濃度迅速下降，巷道空氣中的粉塵濃度慢慢接近漸進極值，達到一個比較穩定的狀態。

2.3 皮帶搭接處

皮帶搭接處的粉塵主要來源于煤塊破碎、掉落形成的粉塵飛揚、擴散以及細微煤粒、沉降的粉塵在動能、勢能的作用下形成的二次揚塵。其發散規律如圖4所示。

圖4 皮帶搭接處粉塵動態發散規律Fig.4 Dynamic dispersion law of dust at belt lap joint

皮帶運轉時，煤塊從一部皮帶運轉至另一部皮帶，往往會產生大量的粉塵。粉塵濃度的峰值一般位于皮帶搭接處2 m范圍內。而皮帶搭接處設置的噴霧，噴出大量的水汽附著在粉塵上，讓粉塵濕潤，增加粉塵的重量，使粉塵迅速沉降。粉塵濃度的漸進極值往往處于皮帶搭接后方10～15 m處。

2.4 回風巷道

回風巷道的主要粉塵來源包括采掘活動回風流粉塵、礦務工程施工產生的粉塵以及風力作用下的二次揚塵。其發散規律如圖5所示。

圖5 回風巷道粉塵動態發散規律Fig.5 Dynamic dispersion law of dust in return air roadway

回風巷道的粉塵濃度較為穩定，不同來源的粉塵在較大風力的作用下，疊加效果不是很強，微小的粉塵親水性較差，在噴霧的作用下粉塵濃度降低得也不明顯。粉塵濃度的漸進極值往往處于降塵噴霧后30～50 m。

3 粉塵防治對策

通過對粉塵發散動態規律的分析研究，當前粉塵防治工作的重點是如何把粉塵的總體濃度降低，如何縮短粉塵漸進極值的發散距離。對此，研究人員提出了強化源頭治理，推進過程管控，突出環境達標，嚴抓個體防護的粉塵防治思路。具體通過以下防塵措施來實現。

3.1 制定措施

完善管理制度：成立了專門的綜合防塵領導小組，以礦長為主要負責人，總工程師為分管領導的綜合防塵管理機構，全面負責礦井綜合防塵管理工作。組織機構成員按職責層層把關，分區域包片管理，形成了“齊抓共管，全員參與”的長效化管理機制，做到綜合防塵工作無死角、無遺漏。

加強監督考核：領導小組定期、不定期開展作業現場綜合防塵情況的檢查，重點檢查作業場所防塵裝備設施使用、維護情況，降塵效果及個體防護用品的佩戴，對于檢查出的問題，形成隱患整改清單，定期復查。

3.2 通風系統

合理配置風量：工作面風量配置過小，煤機截割時產生的大量粉塵發散較慢，甚至在工作面形成較多積塵，不利于粉塵的排出；而風量配置過大，則會引起部分沉積的粉塵二次揚起，增加了巷道中粉塵的濃度。研究證明，綜采工作面配置的最優排塵風速為1.5～2.5 m/s。巷道風速在此區間時，既能實現迅速排塵，又能有效減少二次揚塵。

利用設備調節風量：對于掘進巷道，在風機處設置分風器裝置，當巷道掘進較短時，利用分風器對工作面風量進行調節，通過合理的風量配置，有效地消除空氣中的部分浮塵；使用長壓短抽除塵的工作面，可以在壓入式風機的風筒出風口處設置旋流器，在向工作面正常供風的情況下，確保除塵風機完全發揮作用，工作面的粉塵不會被壓入的風流帶出。

3.3 調整工藝

確保設備達標：采煤機必須安裝內外噴霧裝置，其中內噴霧工作壓力不得小于2 MPa，外噴霧工作壓力不得小于4 MPa。實際工作中，有些煤機不是缺少噴霧就是工作壓力達不到要求，或是噴頭堵塞，霧化效果差，對于這類問題要及時整改，確保噴霧降塵效果。

優化進刀方式：粉塵的產生與巷道掘進高度、煤層回采高度、煤炭性質都有著直接的聯系。通過對粉塵懸浮規律的研究，得出高度越高產塵量越大，矸石越多產塵量越大的結論。因此，在截割過程中，提倡上部推進慢，下部推進快，遇到巖石、夾矸淺進慢推的截割方式，能夠有效減少粉塵的產生。

調整生產工藝：在回采煤炭時，對于厚度變窄的煤層，應合理調整采高，盡量避免割頂割底，減少巖塵的產生。對于構造帶或沖刷帶較長的工作面，應根據情況，重開切眼，實行跳采，避免大量割巖。對于孔隙率大于4%的煤層，可采取煤層注泡沫或注水的方式，減少開采時產生的粉塵。

3.4 機械除塵

綜采工作面：對于綜采工作面采煤機割煤產生的粉塵，推移支架時產生的粉塵，可利用高壓噴霧系統或者虹吸式噴霧除塵系統進行除塵，細化的水霧對粉塵形成包裹，讓粉塵更快沉降，縮短了粉塵的發散距離；在回風流安設帶噴霧捕塵網，能夠有效地降低粉塵濃度。

掘進工作面：對于掘進工作面配置干式或濕式除塵風機，采用“長壓短抽”的通風除塵方式，能夠極大地降低粉塵濃度，特別是在掘進迎頭采用擋簾，對工作面實行封閉作業時，降塵率一般會達到70%甚至更高。但使用的抽出式風筒必須為金屬骨架風筒或金屬材質風筒，后配套設備使用聯運系統時，實際應用效果更好。

膠帶機轉載點：對于膠帶機轉載點除了要進行封閉管理，減少二次揚塵和粉塵擴散外，還可結合使用噴霧進行降塵；另外，可配合使用小型除塵風機進行除塵，封閉的空間對于負壓抽塵效果較好。

3.5 監控設備

人工測定：工作人員要定期對井下作業場所的全塵、呼塵、粉塵分散度、粉塵中游離二氧化硅含量進行測定。采用直讀式粉塵濃度測定儀，能夠快速、準確地測出待測地點的粉塵濃度，將粉塵測定結果公布在作業場所的醒目位置；采用采樣檢測時要及時出具檢測報告，便于職工及時了解危害情況，采取適當的防護措施。

安設粉塵傳感器：粉塵傳感器能夠融入煤礦安全監控系統，做到實時監測作業場所的粉塵濃度。無論是作業現場還是調度指揮中心，都能夠隨時了解作業場所粉塵濃度情況，一旦粉塵濃度超標，能夠及時采取措施進行處理。對于產塵濃度較大的場所，特別是采掘工作面，高濃度的粉塵會對傳感器造成較大的損害，進而導致粉塵濃度數值誤差較大。因此，在傳感器的選擇上，應優先選擇受粉塵影響較小的紅外式傳感器或激光式傳感器。

3.6 降塵設施

目前，使用比較廣泛的降塵設施為噴霧，噴霧按照開啟形式分為手動噴霧和自動噴霧。在采掘工作面，應優先選擇與生產設備聯動開啟的自動噴霧；在回風流巷道中，應安設捕塵網，并設置全斷面噴霧。在噴頭的選擇上，宜選擇霧化效果好、不易堵塞的噴頭。生產過程中，應保持噴霧的持續開啟，發揮噴霧的降塵作用。

此外，還有靜電除塵、云霧抑塵等技術及相關設施，礦井單位應根據自身條件配備適宜的降塵設施。

3.7 沖洗巷道

按照巷道的使用性質進行分類，根據不同的分類確定巷道的沖洗頻次。建立巷道沖洗臺賬，將巷道沖洗任務落實到個人，定期對巷道進行沖洗除塵。除人工沖洗巷道外，對于較長的大巷，也可安排灑水車配合沖洗巷道。及時清除巷道積塵，能夠有效地避免粉塵事故和風力作用引起的二次揚塵。

3.8 個體防護

個體防護是粉塵防治的最后一道關口。在個體防塵設備的選用上，盡可能地使用防護性能更好的設備，特別是對于煤機司機、支護工這樣接塵量較大的崗位，可采用主動送風的正壓防塵口罩代替被動式的負壓口罩。

此外，作業人員需進行定期體檢，檢查身體健康狀況，用人單位需要為職工建立職業健康檔案，實時監護職工的身體狀況，一旦發現疑似塵肺情況，應及時調離崗位。

4 結論

通過對不同場所生產期間粉塵濃度的測定和分析，可以得出如下結論。

(1)在采掘工作面，粉塵濃度在隨距離的推進過程中，會形成2次濃度高峰，在皮帶搭接處和回風巷道中，粉塵濃度基本只會形成一次高峰，隨著粉塵的進一步發散，粉塵濃度在場所后方逐漸達到一個平衡狀態，即漸進極值及之后的距離。

(2)通過對粉塵動態發散規律的把握，能夠采取更有針對性的措施，來縮短粉塵漸進極值的發散距離，降低粉塵濃度，凈化礦井空氣，從而打造低塵化礦井、無塵化礦井，進而保障煤礦職工的身體健康與生命安全，實現煤炭的綠色開采。