回收大巷保安煤柱綜采面粉塵擴(kuò)散特性研究

那喜雙

(山西省孝義市應(yīng)急管理局 ， 山西 孝義 032300)

煤炭是我國(guó)最主要的能源之一，由于我國(guó)多煤、貧油、少氣的能源賦存特性，煤炭將長(zhǎng)期處于能源消耗量的首位。但是我國(guó)煤炭約90%產(chǎn)自地下井工礦，采煤面開(kāi)采過(guò)程中粉塵產(chǎn)生量巨大，有些礦井采煤面總粉塵濃度可能達(dá)3 000 mg/m3.長(zhǎng)期在高濃度粉塵條件下工作可能會(huì)引發(fā)塵肺病。塵肺病是我國(guó)最嚴(yán)重的職業(yè)病，目前尚無(wú)有效治愈方法，每年新增塵肺病患者約1.5萬(wàn)人，因此需要對(duì)綜采面產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行高效治理。雖然近年來(lái)粉塵防治技術(shù)得到了大力發(fā)展，但治理后的粉塵殘余濃度仍難以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這和研究者重視降塵技術(shù)研發(fā)輕視粉塵產(chǎn)生擴(kuò)散特性的現(xiàn)狀是分不開(kāi)的。災(zāi)害的高效防治首先需要明確災(zāi)害的產(chǎn)生和發(fā)展特性。因此本文以某礦大巷保安煤柱綜采面為例，研究了采煤機(jī)割煤時(shí)的粉塵產(chǎn)生特性和擴(kuò)散規(guī)律，為高效降塵技術(shù)的針對(duì)性研發(fā)和應(yīng)用提供參考[1-2].

1 工作面概況

山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣某礦距臨汾市36 km，隸屬于山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t?；厥沾笙锉０裁褐挥?號(hào)煤層，該煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含0～2層夾矸，厚度約2.8～3.38 m，平均為3 m，煤層孔隙率小于4%.煤柱位于井田中部，其西部、南部和北部均為采空區(qū)，由于三面皆為采空區(qū)，工作面煤體受頂板高強(qiáng)度壓力，內(nèi)部裂隙較為發(fā)育。工作面走向長(zhǎng)度700 m，傾向長(zhǎng)度100 m，面積70 000 m2，平均傾角為5°，煤種為焦煤，可采儲(chǔ)量為26.93萬(wàn)t，煤質(zhì)情況如表1所示。

工作面利用MWG250/600-WDK型雙滾筒采煤機(jī)走向長(zhǎng)壁采煤，采煤機(jī)截深為600 mm，一次性采全高。采煤的總體流程由工作面兩端斜切進(jìn)刀開(kāi)始，包含采煤機(jī)滾筒割煤、底板刮板輸送機(jī)運(yùn)送煤體碎塊、膠帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)碎煤、支架跟隨采煤機(jī)前移、清理浮煤等。工作面為U型通風(fēng)方式，供風(fēng)量為837 m3/min.采用SGZ-764/500型中雙鏈可彎曲刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，PLM-1000破碎機(jī)破煤，運(yùn)輸巷采用SZZ-764/160型轉(zhuǎn)載機(jī)和一部DSJ-100/63型帶式輸送機(jī)運(yùn)煤。

表1 煤質(zhì)情況

該工作面采煤作業(yè)過(guò)程中能見(jiàn)度很低，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，工作面粉塵濃度常高達(dá)900 mg/m3.產(chǎn)塵量較高，降塵措施的粉塵治理效果較差，僅有采煤機(jī)自帶內(nèi)外噴霧降塵措施。由于內(nèi)噴霧噴頭固定在采煤機(jī)滾筒截齒下方，長(zhǎng)期采煤過(guò)程中噴頭直接和煤體接觸，造成噴嘴堵塞、損壞等問(wèn)題，導(dǎo)致內(nèi)噴霧霧化及噴射效果較差，無(wú)法及時(shí)潤(rùn)濕煤體抑制粉塵產(chǎn)生。外噴霧為兩組擴(kuò)散角為60°的實(shí)心錐噴頭，每組有5個(gè)噴頭，固定在搖臂和采煤機(jī)機(jī)身連接處，可以隨搖臂上下擺動(dòng)，霧滴能夠覆蓋滾筒周圍。但由于工作面供風(fēng)量較高，霧滴容易被風(fēng)吹至下風(fēng)側(cè)，逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度明顯較高。

2 采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵運(yùn)移特征

2.1 測(cè)塵方法和裝置

為了準(zhǔn)確地分析采煤面粉塵運(yùn)移特性，根據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在采煤面布置了多個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。測(cè)點(diǎn)布置遵循以下原則：①測(cè)塵點(diǎn)主要應(yīng)布置在產(chǎn)塵點(diǎn)的下風(fēng)向或者回風(fēng)側(cè)粉塵分布相對(duì)均勻的地點(diǎn)；②工人經(jīng)常工作或停留的位置；③工人偶爾但集中工作的地點(diǎn)。

圖1 測(cè)塵點(diǎn)布置

測(cè)塵裝置選用CCZ-1000直讀式測(cè)塵儀，能夠快速得出粉塵濃度實(shí)測(cè)值。由于測(cè)點(diǎn)布置較多，利用粉塵采樣器將增加后續(xù)操作流程且后期測(cè)定過(guò)程容易出現(xiàn)誤操作。在每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)定時(shí)，同時(shí)采用兩個(gè)測(cè)塵儀測(cè)定呼吸性粉塵和總粉塵濃度，測(cè)塵儀固定高度距地面1.5 m(工人呼吸帶高度)。

2.2 順風(fēng)割煤粉塵擴(kuò)散規(guī)律

1) 后滾筒附近粉塵擴(kuò)散特征。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，后滾筒順風(fēng)割煤產(chǎn)生的粉塵隨工作面風(fēng)流向下風(fēng)測(cè)運(yùn)移，越靠近煤壁的地方能見(jiàn)度越低，僅在距離后滾筒超過(guò)5 m處的距離才會(huì)有部分粉塵擴(kuò)散至人行道處。這說(shuō)明順風(fēng)割煤時(shí)，后滾筒產(chǎn)生的粉塵向下風(fēng)側(cè)運(yùn)移主要受工作面供風(fēng)作用，滾筒旋轉(zhuǎn)造成的風(fēng)流紊亂對(duì)此路徑上的擴(kuò)散影響較小，同時(shí)由于后滾筒位于下方，距底板較近，粉塵產(chǎn)生后快速沉降到地面，對(duì)空氣污染較小。從工作面橫截面上來(lái)看，在機(jī)身下方四分之一處濃度最大，并且在橫向上往支架人行道處成遞減趨勢(shì)，這里主要受到滾筒旋轉(zhuǎn)引發(fā)的漩渦風(fēng)流作用，使得粉塵在剛產(chǎn)生時(shí)就受風(fēng)流影響向遠(yuǎn)處擴(kuò)散。但需要注意的是，能見(jiàn)度最低的區(qū)域并不在滾筒上，也就是說(shuō)粉塵產(chǎn)生后就受到工作面供風(fēng)影響向后方運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受漩渦風(fēng)流作用，兩種風(fēng)流場(chǎng)相互耦合造成粉塵在遠(yuǎn)端出現(xiàn)濃度極值，還要注意的是，粉塵向下風(fēng)側(cè)擴(kuò)散速度快，向人行道處擴(kuò)散速度明顯較慢。

2) 前滾筒附近粉塵擴(kuò)散特征。根據(jù)雙滾筒采煤機(jī)割煤作業(yè)工藝，前滾筒截割上方煤體，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明粉塵濃度最大的位置位于前滾筒的后方下半部分。這說(shuō)明旋轉(zhuǎn)截割產(chǎn)生的粉塵受漩渦氣流影響在滾筒附近聚集，同時(shí)受到工作面供風(fēng)作用整體向后方移動(dòng)。能見(jiàn)度從前滾筒向下風(fēng)側(cè)先降低后增加，也就是粉塵濃度先增加后減小，這是由于粉塵移動(dòng)過(guò)程中受風(fēng)流影響向周圍擴(kuò)散，逐漸向人行道處彌散污染整個(gè)工作面。從工作面橫向可以看出，高濃度粉塵團(tuán)在重力影響下向下方緩慢移動(dòng)，并且在搖臂附近濃度最高，說(shuō)明該部分粉塵主要受到滾筒附近漩渦風(fēng)流影響，工作面供風(fēng)的作用不夠明顯，沒(méi)有將粉塵快速吹散。另外，前滾筒后方靠近煤壁處粉塵濃度較大，人行道司機(jī)處粉塵濃度逐漸減小且呈現(xiàn)出較明顯的向下風(fēng)測(cè)運(yùn)移的趨勢(shì)，說(shuō)明粉塵橫向擴(kuò)散遠(yuǎn)離采煤機(jī)機(jī)身后就主要受工作面供風(fēng)影響向工作面下風(fēng)側(cè)擴(kuò)散。整體上來(lái)看，前滾筒順風(fēng)割煤產(chǎn)生的粉塵在搖臂附近濃度最大，受滾筒旋轉(zhuǎn)引發(fā)的漩渦氣流影響向人行道處橫向彌散，然后受工作面供風(fēng)作用向下風(fēng)測(cè)擴(kuò)散。

結(jié)合圖1，根據(jù)圖2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在順風(fēng)割煤時(shí)采煤機(jī)產(chǎn)塵濃度最高的位置為第5個(gè)測(cè)點(diǎn)所在位置，全塵濃度最高可達(dá)900 mg/m3，呼塵濃度超過(guò)600 mg/m3.采煤機(jī)左滾筒(測(cè)點(diǎn)2處)的粉塵濃度最低，這是由于順風(fēng)割煤時(shí)左滾筒截割下半部分煤壁，產(chǎn)生的粉塵在較低位置直接被工作面風(fēng)流吹至下風(fēng)側(cè)，對(duì)工人呼吸帶高度處影響較小。而測(cè)點(diǎn)5所在位置為右滾筒后方，此時(shí)右滾筒截割上半部分煤體，產(chǎn)塵量大，且破碎煤塊掉落后還會(huì)發(fā)生二次揚(yáng)塵，因此粉塵濃度最高，此后粉塵濃度遞減并最終趨于穩(wěn)定降低。

圖2 測(cè)點(diǎn)處粉塵濃度值

2.3 逆風(fēng)割煤粉塵擴(kuò)散規(guī)律

1) 后滾筒附近粉塵擴(kuò)散特征。逆風(fēng)割煤條件下，粉塵受風(fēng)流影響表現(xiàn)出與順風(fēng)割煤不同的分布特點(diǎn)。后滾筒割煤時(shí)，在溜槽上方粉塵濃度相對(duì)較高，而濃度最高值則出現(xiàn)在溜槽上部的下風(fēng)側(cè)，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)該點(diǎn)粉塵平均濃度為440 mg/m3.這說(shuō)明逆風(fēng)割煤條件下，粉塵同時(shí)受到工作面供風(fēng)和滾筒附近漩渦風(fēng)流影響，粉塵擴(kuò)散速度和強(qiáng)度與順風(fēng)割煤時(shí)相比均有增加，對(duì)采煤機(jī)附近空氣污染更加嚴(yán)重。粉塵從割煤過(guò)程中產(chǎn)生后向溜槽落煤階段濃度仍相對(duì)較高，約為200 mg/m3，而后在工作面供風(fēng)作用下向下風(fēng)側(cè)擴(kuò)散。在正對(duì)著后滾筒的方向上，粉塵在下風(fēng)側(cè)濃度更大，并向支架人行道處緩慢擴(kuò)散，這和順風(fēng)割煤條件近似，粉塵首先受漩渦風(fēng)流影響積聚在滾筒附近，再受工作面供風(fēng)影響整體向下風(fēng)側(cè)移動(dòng)。

2) 前滾筒附近粉塵擴(kuò)散特征。逆風(fēng)割煤時(shí)，前滾筒截割產(chǎn)生的粉塵濃度最大值出現(xiàn)在搖臂和采煤機(jī)機(jī)身附近，與滾筒同一高度的下風(fēng)側(cè)粉塵濃度相比相對(duì)較小。這是由于粉塵產(chǎn)生后受重力作用緩慢下沉，同時(shí)受滾筒漩渦氣流影響積聚在滾筒附近，兩種作用耦合影響下粉塵整體向滾筒下后方移動(dòng)。當(dāng)粉塵向人行道處擴(kuò)散時(shí)，開(kāi)始受工作面壓風(fēng)影響。此外，由于前滾筒截割上部煤體，破碎的煤體碎塊從高處掉落至底板造成二次揚(yáng)塵，同時(shí)產(chǎn)生的沖擊加劇了粉塵擴(kuò)散。此外，滾筒和搖臂的下風(fēng)側(cè)一面在工作面供風(fēng)條件下容易形成局部回旋風(fēng)，造成粉塵積聚，當(dāng)采煤機(jī)繼續(xù)向前推進(jìn)后粉塵被釋放出去造成大范圍污染。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，該區(qū)域呼吸性粉塵濃度最高可達(dá)550 mg/m3.

根據(jù)圖3中的粉塵測(cè)定結(jié)果，逆風(fēng)割煤時(shí)采煤機(jī)右滾筒處粉塵濃度同樣是最高的，全塵濃度超過(guò)800 mg/m3，呼塵濃度則超過(guò)500 mg/m3.在采煤機(jī)后方，全塵濃度依然有小幅增加，這主要是由于采煤機(jī)后方支架移架過(guò)程導(dǎo)致的粉塵掉落，增加了工作面粉塵濃度。

圖3 測(cè)點(diǎn)處粉塵濃度值

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)上述分析可以看出，雖然某礦回收大巷保安煤柱采煤面走向長(zhǎng)100 m，但依然屬于受限空間，這種條件下工作面供風(fēng)和滾筒漩渦風(fēng)流都會(huì)對(duì)粉塵擴(kuò)散產(chǎn)生較大影響。順風(fēng)割煤條件下，前后滾筒割煤造成的粉塵濃度較高區(qū)域均分布在滾筒下四分之一處以及靠近采煤機(jī)機(jī)身的位置；逆風(fēng)割煤條件下，搖臂及采煤機(jī)機(jī)身附近的粉塵濃度相對(duì)較高。順風(fēng)和逆風(fēng)割煤時(shí)，右滾筒附近粉塵濃度均為最高處，此處應(yīng)該為降塵的重點(diǎn)區(qū)域。