井下煤尘产生机理分析

李洁莹

(中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221008)

煤尘是煤矿生产过程中产生的煤粉悬浮在井下巷道中，是矿井的主要灾害之一。煤尘的存在一方面严重污染井下工作环境，威胁工人的身心健康。生产过程中产生的粉尘，特别是呼吸性粉尘对工人的健康有极大危害。据不完全统计，至2002年底，我国煤炭行业累计患尘肺病人数达25万以上，该年度因尘肺病死亡人数是因事故死亡人数的两倍［1，2］。另一方面我国煤矿具有煤尘爆炸性危害的矿井普遍存在，煤尘悬浮于巷道中的空气里，遇到引火源容易导致煤尘爆炸。自2000年以来，全国发生特大煤尘爆炸事故有12起，造成782人死亡。在井下生产过程中每个作业过程基本上都会产生大量煤尘。例如：开采、掘进、皮带运煤、转运、支架挪移等均可产生大量煤尘，特别是综采技术的广泛运用，矿井产煤量变大，使井下作业点的煤尘扩散到空气中，煤尘浓度达到很高，综采放顶煤工作面煤尘浓度可达1 400mg/m3。高浓度的粉尘极易导致煤尘爆炸。为了减少煤尘，采取了煤尘注水、喷雾、除尘器除尘等技术手段。这些技术手段都有效地降低了井下煤尘浓度。本文主要分析煤矿井下综采工作面和转载点的煤尘产生机理，为设计降尘工艺提供理论依据。

1 煤矿井下煤尘来源

井下煤尘产生于：打眼、放炮、开采、落煤、掘进、运输、转运、和支架移架等。主要的尘源是工作面、掘进工作面和转载点。综采工作面的煤尘主要是由割煤、运煤、移架、放煤口放煤，工作面入口处煤的转载产生的［3］。掘进工作面粉尘主要是：煤岩破碎产生的粉尘，占采掘工作面粉尘的80%以上;煤块坍塌后与地面碰撞，与挡煤板、运输溜子转载摩擦破碎造成的粉尘;由于地质运动、导致煤层错位、断裂，导致局部煤尘粉碎，在采掘过程中塌落下来形成粉尘;放顶煤工作面的煤尘主要是移架和落煤时产生的煤尘。转载点煤尘主要是在煤从皮带落到另一皮带和煤仓中产生的煤尘。另外，在锚喷作业打钻过程中，从钻孔中流出的煤粉随风扩散，导致巷道粉尘浓度升高。

井下煤尘主要产生于采掘工作面和转载点，研究主要作业点煤尘产生机理才能有效设计除尘工艺，提高除尘效率。

2 采掘工作面截割产尘机理

截齿割煤岩时，煤体与截齿的接触点处会产生很大的应力，随着滚筒的转动，应力增加，一直达到煤岩的应力极限，这样在接触点煤岩破碎产生粉尘。煤体在接受应力的过程中积累了大量弹性势能，在应力破坏的一霎那得到释放，煤粉崩出。这个过程发生在很小区域内，破碎颗粒相对较小。随着截齿继续前移，这部分破碎的煤再次遭到破碎，直到挤压形成密实的压固核，此时截齿的能量通过这个密实的核传递到周围的煤岩。由于煤体本身存在纹理和大量的裂隙，随着截割力的加大，某些部位的裂隙开始发育，并且失稳扩散到更远的地方。在截齿的载荷达到临界值时，裂纹开始失稳扩散，迅速达到自由面，同时释放能量，使得碎块沿截齿运动的方向崩出。压实核也解除了束缚状态，其积聚的弹性势能突然释放，使煤尘扬起。

在截割煤岩过程中，大部分能量消耗在压实核的形成上，当截获的块度越大，消耗的机械功就越小，产尘量也就少。影响煤尘产生与采掘机械参数及煤岩的物理性质有关。在采掘过程中煤岩越脆，机械强度越低，破碎性越强，产尘量就越大。并且硬度较低的煤，由于地质运动会发生错位、断裂。使得裂隙中存在原生煤尘，这部分煤尘在截割过程或是移架落煤过程会随风飞扬，导致粉尘浓度增大。水分含量大的煤由于水分的存在，小粒度的煤粉吸附在大块煤表面，不易随风扬起。

3 转载点煤尘产生机理

3．1 转载点煤的运动状况

皮带运煤过程中，在转载点处产生大量煤尘。煤与皮带保持相对静止的状态，与皮带一起匀速运动，到达转载点时，由于煤流有一定水平初速度，在下落过程中受重力作用，煤流做类平抛运动。当煤流下落至下一皮带或者煤仓时，煤流与皮带或煤仓发生撞击，有相对运动，煤流落到下层皮带时，由于皮带和煤之间存在着摩擦力，摩擦力对煤做功，使煤与皮带一起向前运动。煤流在上下皮带间下落时主要受重力和空气阻力作用，空气阻力的作用使得周围空气发生扰动，造成煤中细小煤尘的悬浮，然后随风流扬到巷道空间;另外，煤流与皮带的碰撞，皮带自身的弹力，将煤流弹起，细小煤尘抛起形成悬浮煤尘。这些细小煤尘悬浮于空气中，如果不采取降尘措施，将长期停留在巷道空间，造成巷道粉尘浓度超标。

3．2 转载点粉尘的析出

在皮带转载点，带有细小煤尘的煤流在下落至煤仓或底层皮带时形成大量煤尘飞扬，煤流下落过程中空气阻力导致的气流紊乱，使得吸附在大块煤表面的煤粉卷吸脱离，扩散到巷道空间，是主要尘源之一。转载点处的煤尘产生与空气流动有关，气流导致煤尘扩散。转载点处的气流主要有皮带牵引流、落煤诱导空气流和剪切压缩气流，就是这些气流的共同作用，导致转载点处大量煤尘产生。

3．2．1 落煤诱导气流及尘化作用

块状、颗粒状物体在空气中高速运动时，能带动周围空气随其流动，这部分因物体与空气的相对运动导致空气的流动称为诱导气流。转载点煤流的下落，随着重力的作用，速度越来越大，也会产生大量诱导气流，这部分空气称为诱导空气。诱导空气促使大块煤表面的细煤随其流动造成煤流的尘化。煤流下落过程中，运动速度遵循自由落体运动规律，随着下落煤流中的颗粒状煤会由于速度差，导致相对运动而分离，破坏了原先的堆积结构，这样煤流就因此形成不连续、不规则的运动［4］。并且空气受到煤流的冲击力和摩擦力作用，会随煤流一起运动，颗粒的侧面和后部的空气压力降低，造成周围空气被拽引，至煤粒表层和煤流中，并随煤流进入密闭罩中。

3．2．2 皮带牵引流及其尘化作用

皮带在运转时皮带两侧的气流在其运动作用下会随着煤流运动形成牵引风流。由于空气黏滞力的存在，煤流与牵引风流存在相对运动，吸附在煤块表面上的煤粉在摩擦力作用下，与煤表面分离，在皮带上方形成一定量粉尘。特别是在皮带机头和机尾处由于离心力作用，使该处牵引风流速度最大，携带的煤尘量也大，因此，此处煤尘浓度最大。

3．2．3 剪切压缩气流及其尘化作用

煤下落到下层皮带进行转载时，在下落过程的滚动、跳动，致使煤粒变的松散，内部会存在空气。在煤流下落撞击下层皮带时，松散的煤流受到下层皮带的挤压作用，压缩堆积，此时煤流中夹带的空气会被挤压出来，形成四周向上的剪切气流，这些气流向外高速运动时，由于气流对粉尘的剪切压缩作用，带动细小煤尘逸出。

3．2．4 综合尘化作用

皮带运输机运输的煤从高处下落时，由于气流和煤尘的剪切作用，被煤流挤压出来的高速气流会携带煤尘向四周飞溅。此外煤在下落时，由于剪切和诱导气流的综合作用，高速气流会使部分煤尘飞扬。加之煤块之间也存在碰撞，碰撞导致的震动也会使吸附在煤表面的煤粉剥离，并随剪切和诱导气流一起运动。

4 结论

通过分析井下煤尘主要产尘点的煤尘产生机理，可知采掘工作面的煤尘主要是与截割方法、速度、割煤深度、煤的破碎程度、原生煤尘含量、工作面风流大小、煤岩硬度和湿度有关。目前，除尘多使用水雾和泡沫，要有效地防治煤尘扩散，必须使粉尘扩散的初期得到抑制，即在煤尘变成悬浮状态前将水雾或泡沫喷洒在产尘位置。喷头喷出的水雾或泡沫可覆盖尘源附近可能向外扩散煤尘的区域。因此，也要考虑水雾和泡沫对煤尘的捕捉吸附及喷头的流量、位置、喷头的几何形状等。转载点的煤尘主要是受诱导气流、牵引流和剪切气流影响导致煤尘逸出。转载点煤尘治理主要是密闭点源、减少落差、减少风流紊乱、喷雾洒水、减小皮带运输速度、使用泡沫降尘等。

［1］ 李华炜．煤矿呼吸性粉尘及其综合控制［J］．中国安全科学学报，2005，15(7)：68－69．

［2］ 辛厂龙，王铁根．我国煤矿尘肺病现状和对策［J］．中国煤炭，2005，31(2)：62－64．

［3］ 张 维．综放工作面粉尘产生及分布规律研究［J］．华北矿业高等专科学校学报，2000，2(1)：3－6．

［4］ 王晓峰，陈彩云．转载点粉尘析出机理及综合治理［J］．煤炭技术，2007，27(1)：124－125．