經坊煤業3-605綜放工作面粉塵分布規律實測研究

王林沖

(山西省長治經坊煤業有限公司,山西 長治 047100)

1 工程概況

經坊煤業3-605工作面相對位置:西側鄰近3-607工作面(未掘),北側鄰近井田邊界,南側與六采區西翼軌道、回風巷相連通,工作面東側為3-603工作面采空區。工作面開采3號煤層,均厚6.21 m.該工作面切眼沿傾向布置,兩巷沿走向布置,工作面沿走向方向推進,回采巷道均沿煤層底板掘進施工。3-605綜采工作面的服務年限為7個月。工作面煤層瓦斯含量2.65 m3/t,回采期間瓦斯絕對涌出量0.52 m3/min,煤塵具有爆炸性,屬于Ⅲ級不易自燃煤層,本工作面采用U型通風方式。根據《煤礦安全規程》第645條規定要求:孔隙率小于4%的煤層不需煤層注水;結合山西省煤炭工業廳綜合測試中心出具的煤層孔隙率檢測報告:3-605綜采工作面孔隙率為2.70%～3.62%(小于4%),不進行煤層注水。

3-605工作面防塵設施:①在回采工作面的各個轉載點和膠帶機頭應設置降塵噴霧設施。采煤機作業時,應使用內、外噴霧裝置和架間噴霧等構成的綜合防塵系統。采煤機內噴霧壓力不得低于2 MPa,外噴霧壓力不得低于4 MPa.液壓支架和放頂煤工作面的放煤口必須安裝噴霧裝置。在降柱、移架或放煤時,必須同步噴灑。此外,破碎機也必須安裝防塵罩。②巷道設有前后溜、轉載點和膠帶機頭共6處。在每個前后溜、轉載點和膠帶機頭上,需要安裝1套合金影射噴霧設施。③根據3-605回采地質說明書,該工作面兩巷道的巷道長度為1 765.2 m,輔巷長度為119.4 m,應設置38個三通灑水閥門。④3-605回采工作面距離運輸巷進風口、回風巷道回風口30～50 m處,需要安裝1道LKDPWZ-10型全斷面風水聯動凈化水幕。在距離工作面30 m內,需要安裝兩道LKDPWZ-10型全斷面風水聯動凈化水幕。這兩道水幕之間的間距不得大于10 m.⑤3-605回采工作面回風巷距離超前支護75 m范圍內,需要安裝1道防塵網。防塵網要求與巷道斷面一致。在防塵網往工作面方向2 m處,需要安裝1道噴霧設施。為了掌握經坊煤業綜放開采工作面粉塵分布規律,進行了3-605工作面的粉塵質量濃度實測研究。通過這項研究,得出了工作面風流分布和粉塵的基本運動規律,為設計粉塵的防治方案提供了可靠的依據。

2 工作面風流規律實測研究

為了研究煤塵在氣流場中的力學特性、運動特征和質量濃度分布,有必要準確把握工作面上氣流分布的規律。井下風流從綜采工作面進風段到工作面回風巷入口的流動過程會受到液壓支架、采煤機、刮板輸送機、人流等多種因素的影響。因此,氣流的狀態,包括它的方向和風速,可以有不同程度的變化,因此,根據各操作過程的具體情況布置風速測點是很重要的。為了解決這些問題,提出了兩個測點布局要求。首先,由于工作面氣流從進風口一側吹向回風道一側,且采煤機相對于進、出口,位于工作面中部,因此應布置在滾筒、采煤機、下風側的迎風側。其次,工作面上下區域會受到支撐盤、支撐底座、人流等因素的影響。因此,風速測點的布置應分為上下兩部分。上風向測點距底板1.8 m,下風向測點距底板1 m.根據這些要求,確定了采煤機迎風側(前滾筒附近10 m)、采煤機前滾筒、采煤機位置、采煤機后滾筒、采煤機下風側(后滾筒附近10 m)5個測點。此外,為了綜合分析綜采工作面氣流分布規律,在行人通道、中部槽和煤壁3個不同空間位置測量風速,測風點布置詳情如圖1(a)所示。本次實測采用JFY-2 型礦用本安型通風參數檢測儀[1]。

圖1 測風點布置及測試結果

通過對現場實測數據進行整理匯總,繪制出各測試位置風速實測值,如圖1(b)、(c)所示。根據實測數據和折線圖分析,可以得出經坊煤業3-605綜放工作面空氣流動分布的一般規律,當新鮮空氣流入采煤工作面時,由于工作面空間的限制、液壓支架和采煤機等障礙物的存在,空氣流動在其他區域被阻塞,導致工作面內空氣流動呈現大致的“單峰”形狀分布,此外,由于采煤機滾筒截割會產生螺旋流場,因此導致采煤機機身處的風速最大,向兩側逐漸減小。在空間位置上,液壓支架人行通道處的風速達到最大,其次是中部槽和靠近煤壁的位置。當風流通過采煤機下風側10 m后,風速基本穩定。

3 工作面粉塵分散度分析

主要工序劃分法測塵主要是為了了解綜采工作面各主要作業工序的產塵規律及質量濃度分布,為后面的降塵研究提供理論基礎,并且為粉塵顆粒群的分散度分布提供了現場數據支持[2-3]。設計測點布置詳情如圖2(a)所示。針對煤礦工作面的粉塵分散度研究實際是粉塵顆粒及顆粒群的粒徑粒度研究。粉塵的分散度表示粉塵的破碎程度,主要是一定粒徑內的粉塵含量與粉塵總量的比值。煤礦工作面粉塵分散的研究實際上是對粉塵顆粒和顆粒群粒度分布的研究。一般來說,塵埃顆粒的形狀不規則,需要特殊的測量值來表示它們的直徑。本實驗采用Stokes公式計算和表示粒徑,在高倍顯微鏡下觀察濾膜載玻片上的粉塵顆粒。Rise-3022職業衛生粉塵分散測試儀將傳統的顯微觀察方法與現代數字自動成像技術相結合。采用Rise-3022型職業衛生粉塵分散測試儀對3-605工作面主要工序粉塵分散進行了測量,測試結果見圖2(b)。

圖2 粉塵分散度測試方法及結果

由經坊煤業3-605工作面原始粉塵質量濃度數據及折線圖可知,5 μm以下粉塵(可呼吸性粉塵)的累積分布順序為:裝載機區(72.33%)>回風巷道(72.07%)>落煤區(69.12%)>破碎區(67.12%)>移煤區(66.51%)>多工序區(66.33%)>采煤機操作區(66.04%)>前揚塵區(64.77%)。粒徑小于5 μm的粉塵占68.03%,說明綜采工作面工作空間一半以上的粉塵為可呼吸性粉塵,可被人體呼吸系統主動吸入,并可能進入肺部,對工人造成生理和心理上的雙重傷害。從累積呼吸性粉塵量來看,對裝車、落煤等產生呼吸性粉塵量較大的工序,應采取有針對性的降塵防治措施。

4 工作面粉塵分布規律研究

4.1 工作面原始粉塵質量濃度實測研究

根據相關規范要求并查閱相關文獻資料[4],從測試結果準確性、測點方法經濟合理性等多個角度綜合考慮后,選擇濾膜稱重法來測量經坊煤業3-605工作面的粉塵質量濃度。使用AKFC-92A 型粉塵采樣器采樣,使用精度為萬分之一的電子分析天平進行濾膜粉塵質量的測定。

采用距離劃分法測量綜采工作面粉塵質量濃度,可掌握采煤機下風側粉塵質量濃度的變化情況,為降塵措施的優化提供現場數據支撐,其具體的測點布置情況如圖3(a)、(b)所示。根據現場實測數據繪制圖3(c)、(d),綜合分析可得到工作面粉塵運移規律。

圖3 工作面作業空間粉塵質量濃度實測結果

1) 順風、逆風割煤條件下,采煤機上風側5 m處粉塵質量濃度相對較低,在風流作用下,采煤機產生的粉塵主要向下風側彌散,上風側粉塵主要為進風流攜帶的粉塵,質量濃度為30 mg/m3左右。

2) 滾筒割煤、落煤時產生大量粉塵,隨風流快速彌散至人行道和刮板輸送機道,在下風側10 m左右達到峰值,順風割煤時峰值為364.9 mg/m3,逆風割煤時峰值為355.8 mg/m3,粉塵質量濃度峰值無明顯差異。

3) 在采煤機下風側10～20 m期間粉塵質量濃度快速減小,在下風側40 m以上位置粉塵質量濃度基本保持恒定,刮板輸送機道內粉塵質量濃度略高于人行道內,順風割煤與逆風割煤條件下無明顯差異。

4.2 降塵措施開啟后工作面粉塵質量濃度實測

為考察經坊煤業3-506工作面綜合降塵措施的除塵效果,在工作面降塵方式全部開啟的情況下進行粉塵質量濃度測試,通過現場測試得到降塵措施開啟前后各工序處粉塵質量濃度及降塵效率曲線,如圖4所示。根據圖4(a)可知,在無降塵措施條件下,采煤機司機處粉塵質量濃度最高,全塵質量濃度達236.4 mg/m3,呼塵質量濃度達到204.1 mg/m3;在全部降塵措施開啟情況下,各測點處的粉塵質量濃度均顯著降低。根據圖4(b)可知,采煤機落煤處降塵效率最高,全塵降塵率達到89.05%,呼塵降塵率達到89.05%,破碎機及轉載機處降塵效率最低;司機處全塵和呼塵的質量濃度相對最大,呼塵質量濃度29.8 mg/m3,全塵質量濃度為50.9 mg/m3,總體而言,綜合降塵措施除塵效果整體良好。

圖4 降塵措施開啟前后粉塵實測結果

5 結 語

本文以經坊煤業3-605綜放工作面為工程背景,開展工作面風流、粉塵運移規律研究,主要結論如下:

1) 采煤機影響下工作面內空氣流動大致呈的“單峰”形狀分布,采煤機上部風速較大,最大達到1.9 m/s.

2) 采用多工序法進行測點布置設計,進行工作面粉塵分散度分析,研究表明,工作面粉塵粒徑在2～5 μm的最多,粒徑小于5 μm的占粉塵總量的68.03%,說明綜采工作面工作空間一半以上的粉塵為可呼吸性粉塵,嚴重威脅工人的身心健康。

3) 逆風割煤、順風割煤條件下,工作面原始粉塵質量濃度差異不大,采煤機下風側10 m處粉塵質量濃度達到峰值,全部降塵措施開啟后,總體除塵效率在80%以上,除塵效果較好。