井下煤塵產(chǎn)生機理分析

李潔瑩

(中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

煤塵是煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤粉懸浮在井下巷道中，是礦井的主要災(zāi)害之一。煤塵的存在一方面嚴(yán)重污染井下工作環(huán)境，威脅工人的身心健康。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵，特別是呼吸性粉塵對工人的健康有極大危害。據(jù)不完全統(tǒng)計，至2002年底，我國煤炭行業(yè)累計患塵肺病人數(shù)達25萬以上，該年度因塵肺病死亡人數(shù)是因事故死亡人數(shù)的兩倍［1，2］。另一方面我國煤礦具有煤塵爆炸性危害的礦井普遍存在，煤塵懸浮于巷道中的空氣里，遇到引火源容易導(dǎo)致煤塵爆炸。自2000年以來，全國發(fā)生特大煤塵爆炸事故有12起，造成782人死亡。在井下生產(chǎn)過程中每個作業(yè)過程基本上都會產(chǎn)生大量煤塵。例如：開采、掘進、皮帶運煤、轉(zhuǎn)運、支架挪移等均可產(chǎn)生大量煤塵，特別是綜采技術(shù)的廣泛運用，礦井產(chǎn)煤量變大，使井下作業(yè)點的煤塵擴散到空氣中，煤塵濃度達到很高，綜采放頂煤工作面煤塵濃度可達1 400mg/m3。高濃度的粉塵極易導(dǎo)致煤塵爆炸。為了減少煤塵，采取了煤塵注水、噴霧、除塵器除塵等技術(shù)手段。這些技術(shù)手段都有效地降低了井下煤塵濃度。本文主要分析煤礦井下綜采工作面和轉(zhuǎn)載點的煤塵產(chǎn)生機理，為設(shè)計降塵工藝提供理論依據(jù)。

1 煤礦井下煤塵來源

井下煤塵產(chǎn)生于：打眼、放炮、開采、落煤、掘進、運輸、轉(zhuǎn)運、和支架移架等。主要的塵源是工作面、掘進工作面和轉(zhuǎn)載點。綜采工作面的煤塵主要是由割煤、運煤、移架、放煤口放煤，工作面入口處煤的轉(zhuǎn)載產(chǎn)生的［3］。掘進工作面粉塵主要是：煤巖破碎產(chǎn)生的粉塵，占采掘工作面粉塵的80%以上;煤塊坍塌后與地面碰撞，與擋煤板、運輸溜子轉(zhuǎn)載摩擦破碎造成的粉塵;由于地質(zhì)運動、導(dǎo)致煤層錯位、斷裂，導(dǎo)致局部煤塵粉碎，在采掘過程中塌落下來形成粉塵;放頂煤工作面的煤塵主要是移架和落煤時產(chǎn)生的煤塵。轉(zhuǎn)載點煤塵主要是在煤從皮帶落到另一皮帶和煤倉中產(chǎn)生的煤塵。另外，在錨噴作業(yè)打鉆過程中，從鉆孔中流出的煤粉隨風(fēng)擴散，導(dǎo)致巷道粉塵濃度升高。

井下煤塵主要產(chǎn)生于采掘工作面和轉(zhuǎn)載點，研究主要作業(yè)點煤塵產(chǎn)生機理才能有效設(shè)計除塵工藝，提高除塵效率。

2 采掘工作面截割產(chǎn)塵機理

截齒割煤巖時，煤體與截齒的接觸點處會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動，應(yīng)力增加，一直達到煤巖的應(yīng)力極限，這樣在接觸點煤巖破碎產(chǎn)生粉塵。煤體在接受應(yīng)力的過程中積累了大量彈性勢能，在應(yīng)力破壞的一霎那得到釋放，煤粉崩出。這個過程發(fā)生在很小區(qū)域內(nèi)，破碎顆粒相對較小。隨著截齒繼續(xù)前移，這部分破碎的煤再次遭到破碎，直到擠壓形成密實的壓固核，此時截齒的能量通過這個密實的核傳遞到周圍的煤巖。由于煤體本身存在紋理和大量的裂隙，隨著截割力的加大，某些部位的裂隙開始發(fā)育，并且失穩(wěn)擴散到更遠的地方。在截齒的載荷達到臨界值時，裂紋開始失穩(wěn)擴散，迅速達到自由面，同時釋放能量，使得碎塊沿截齒運動的方向崩出。壓實核也解除了束縛狀態(tài)，其積聚的彈性勢能突然釋放，使煤塵揚起。

在截割煤巖過程中，大部分能量消耗在壓實核的形成上，當(dāng)截獲的塊度越大，消耗的機械功就越小，產(chǎn)塵量也就少。影響煤塵產(chǎn)生與采掘機械參數(shù)及煤巖的物理性質(zhì)有關(guān)。在采掘過程中煤巖越脆，機械強度越低，破碎性越強，產(chǎn)塵量就越大。并且硬度較低的煤，由于地質(zhì)運動會發(fā)生錯位、斷裂。使得裂隙中存在原生煤塵，這部分煤塵在截割過程或是移架落煤過程會隨風(fēng)飛揚，導(dǎo)致粉塵濃度增大。水分含量大的煤由于水分的存在，小粒度的煤粉吸附在大塊煤表面，不易隨風(fēng)揚起。

3 轉(zhuǎn)載點煤塵產(chǎn)生機理

3．1 轉(zhuǎn)載點煤的運動狀況

皮帶運煤過程中，在轉(zhuǎn)載點處產(chǎn)生大量煤塵。煤與皮帶保持相對靜止的狀態(tài)，與皮帶一起勻速運動，到達轉(zhuǎn)載點時，由于煤流有一定水平初速度，在下落過程中受重力作用，煤流做類平拋運動。當(dāng)煤流下落至下一皮帶或者煤倉時，煤流與皮帶或煤倉發(fā)生撞擊，有相對運動，煤流落到下層皮帶時，由于皮帶和煤之間存在著摩擦力，摩擦力對煤做功，使煤與皮帶一起向前運動。煤流在上下皮帶間下落時主要受重力和空氣阻力作用，空氣阻力的作用使得周圍空氣發(fā)生擾動，造成煤中細小煤塵的懸浮，然后隨風(fēng)流揚到巷道空間;另外，煤流與皮帶的碰撞，皮帶自身的彈力，將煤流彈起，細小煤塵拋起形成懸浮煤塵。這些細小煤塵懸浮于空氣中，如果不采取降塵措施，將長期停留在巷道空間，造成巷道粉塵濃度超標(biāo)。

3．2 轉(zhuǎn)載點粉塵的析出

在皮帶轉(zhuǎn)載點，帶有細小煤塵的煤流在下落至煤倉或底層皮帶時形成大量煤塵飛揚，煤流下落過程中空氣阻力導(dǎo)致的氣流紊亂，使得吸附在大塊煤表面的煤粉卷吸脫離，擴散到巷道空間，是主要塵源之一。轉(zhuǎn)載點處的煤塵產(chǎn)生與空氣流動有關(guān)，氣流導(dǎo)致煤塵擴散。轉(zhuǎn)載點處的氣流主要有皮帶牽引流、落煤誘導(dǎo)空氣流和剪切壓縮氣流，就是這些氣流的共同作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)載點處大量煤塵產(chǎn)生。

3．2．1 落煤誘導(dǎo)氣流及塵化作用

塊狀、顆粒狀物體在空氣中高速運動時，能帶動周圍空氣隨其流動，這部分因物體與空氣的相對運動導(dǎo)致空氣的流動稱為誘導(dǎo)氣流。轉(zhuǎn)載點煤流的下落，隨著重力的作用，速度越來越大，也會產(chǎn)生大量誘導(dǎo)氣流，這部分空氣稱為誘導(dǎo)空氣。誘導(dǎo)空氣促使大塊煤表面的細煤隨其流動造成煤流的塵化。煤流下落過程中，運動速度遵循自由落體運動規(guī)律，隨著下落煤流中的顆粒狀煤會由于速度差，導(dǎo)致相對運動而分離，破壞了原先的堆積結(jié)構(gòu)，這樣煤流就因此形成不連續(xù)、不規(guī)則的運動［4］。并且空氣受到煤流的沖擊力和摩擦力作用，會隨煤流一起運動，顆粒的側(cè)面和后部的空氣壓力降低，造成周圍空氣被拽引，至煤粒表層和煤流中，并隨煤流進入密閉罩中。

3．2．2 皮帶牽引流及其塵化作用

皮帶在運轉(zhuǎn)時皮帶兩側(cè)的氣流在其運動作用下會隨著煤流運動形成牽引風(fēng)流。由于空氣黏滯力的存在，煤流與牽引風(fēng)流存在相對運動，吸附在煤塊表面上的煤粉在摩擦力作用下，與煤表面分離，在皮帶上方形成一定量粉塵。特別是在皮帶機頭和機尾處由于離心力作用，使該處牽引風(fēng)流速度最大，攜帶的煤塵量也大，因此，此處煤塵濃度最大。

3．2．3 剪切壓縮氣流及其塵化作用

煤下落到下層皮帶進行轉(zhuǎn)載時，在下落過程的滾動、跳動，致使煤粒變的松散，內(nèi)部會存在空氣。在煤流下落撞擊下層皮帶時，松散的煤流受到下層皮帶的擠壓作用，壓縮堆積，此時煤流中夾帶的空氣會被擠壓出來，形成四周向上的剪切氣流，這些氣流向外高速運動時，由于氣流對粉塵的剪切壓縮作用，帶動細小煤塵逸出。

3．2．4 綜合塵化作用

皮帶運輸機運輸?shù)拿簭母咛幭侣鋾r，由于氣流和煤塵的剪切作用，被煤流擠壓出來的高速氣流會攜帶煤塵向四周飛濺。此外煤在下落時，由于剪切和誘導(dǎo)氣流的綜合作用，高速氣流會使部分煤塵飛揚。加之煤塊之間也存在碰撞，碰撞導(dǎo)致的震動也會使吸附在煤表面的煤粉剝離，并隨剪切和誘導(dǎo)氣流一起運動。

4 結(jié)論

通過分析井下煤塵主要產(chǎn)塵點的煤塵產(chǎn)生機理，可知采掘工作面的煤塵主要是與截割方法、速度、割煤深度、煤的破碎程度、原生煤塵含量、工作面風(fēng)流大小、煤巖硬度和濕度有關(guān)。目前，除塵多使用水霧和泡沫，要有效地防治煤塵擴散，必須使粉塵擴散的初期得到抑制，即在煤塵變成懸浮狀態(tài)前將水霧或泡沫噴灑在產(chǎn)塵位置。噴頭噴出的水霧或泡沫可覆蓋塵源附近可能向外擴散煤塵的區(qū)域。因此，也要考慮水霧和泡沫對煤塵的捕捉吸附及噴頭的流量、位置、噴頭的幾何形狀等。轉(zhuǎn)載點的煤塵主要是受誘導(dǎo)氣流、牽引流和剪切氣流影響導(dǎo)致煤塵逸出。轉(zhuǎn)載點煤塵治理主要是密閉點源、減少落差、減少風(fēng)流紊亂、噴霧灑水、減小皮帶運輸速度、使用泡沫降塵等。

［1］ 李華煒．煤礦呼吸性粉塵及其綜合控制［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報，2005，15(7)：68－69．

［2］ 辛廠龍，王鐵根．我國煤礦塵肺病現(xiàn)狀和對策［J］．中國煤炭，2005，31(2)：62－64．

［3］ 張 維．綜放工作面粉塵產(chǎn)生及分布規(guī)律研究［J］．華北礦業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2000，2(1)：3－6．

［4］ 王曉峰，陳彩云．轉(zhuǎn)載點粉塵析出機理及綜合治理［J］．煤炭技術(shù)，2007，27(1)：124－125．