煤矿综采工作面粉尘分布及运移规律研究＊

许满贵，刘欣凯，文新强，何鹏程，朱兆伟

（1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.陕西斯达煤矿装备有限公司，陕西 西安 710018）

0 引言

煤矿粉尘是煤矿开采的伴生物，是煤矿的五大灾害之一，也是矿井“一通三防”工作的重点防治对象。中国95%以上的煤矿为地下开采，在煤矿生产过程中的各个环节，均可产生大量粉尘。随着采煤机械化水平及开采强度的不断提高，井下工作面的粉尘浓度越来越大，其中采煤工作面的产尘量占井下总产尘量的60%［1－2］。在没有防尘措施的情况下，综采工作面的粉尘浓度可达2500～3000 mg/m3，有些煤矿甚至高达8000～10000 mg/m3以上。即使采取措施，多数工作面的工作条件也相当恶劣，采煤机下风向粉尘浓度最大可达1000 mg/m3以上，超过国家职业卫生标准数十倍甚至上百倍［3－4］。

煤矿粉尘不仅影响煤矿的生产安全，而且严重威胁矿工的身体健康。矿工长期在高浓度煤尘环境中生产工作，易患尘肺病，一大批工人因此丧失劳动能力［5］。据卫生部统计，自上世纪50年代到2010年底，中国累计报告职业病例749970例，其中累计报告尘肺病例676541例，占90.2%。在2010年23812例尘肺病新病例中，94.21%的病例为煤工尘肺和矽肺，分别为12564例和9870例［6－7］。因此，研究煤矿综采工作面粉尘分布规律从而采取针对性的控制措施降低粉尘浓度，对促进煤矿安全生产、保障劳动者健康具有重大意义。

为了提高综采工作面的除尘效果，对董家河煤矿22518综采工作面进行了粉尘浓度现场实测，以掌握综采工作面的粉尘的产生和运动规律。

1 综采工作面主要产尘源

综采工作面主要产尘源有:进风流的污染，采煤机的切割，周期性移架，运输机的载运和转载以及工作面片帮和顶底板冒落等。其中，采煤机作业(包括割煤和清底)是最主要的产尘工序。工作面移架尽管发生的时间短，但移架随采煤机的推进而周期性进行，故其产尘量居第二位［8－9］。

1.1 采煤机割煤时产生的粉尘

滚筒采煤机割煤时，粉尘的形成是由各种因素造成的。具体如下

1)采煤机滚筒在旋转过程中，截齿以一定的速度截煤割煤，由于截齿向前运动产生挤压作用，使煤产生拉力和应变，截齿刀尖前的煤被压成压固核，当接触应力增加到极限时，压固核破碎产生煤尘。一般来说，压固核越大，形成的粉尘也越多［10］；

2)截齿对煤体的冲击、截割和被滚筒抛出的煤相互碰撞及滚筒螺旋叶片装煤时二次破碎产生煤尘。此外，煤体或煤块受到强烈振动，可使原来的裂隙增加与变大，有的变为更小的煤块，有的成为煤尘；

3)滚筒采煤机运行一段时间后，如不及时更换磨钝的截齿，则在截煤时截齿与煤体的接触由切割变成研磨，会导致细微粉尘的大量产生。

1.2 液压支架移架时产生的粉尘

液压支架移架时，影响粉尘产生的因素也比较多［11］。

1)液压支架降柱时，顶梁脱离顶板，大量碎矸掉下产生粉尘，且大部分进入风流；

2)液压支架前移时，顶板冒落或碎矸移动，在支架后部也会扬起大量的粉尘；

3)液压支架前移过程中，顶梁和掩护梁上的碎矸会从架间缝隙中掉下，使粉尘进入风流中，引起工作面风流严重污染。

1.3 影响综采工作面粉尘浓度的主要因素

综采工作面粉尘产生量的多少主要取决于如下因素［12－15］:地质构造及煤层赋存条件，煤岩的物理性质，环境的温度和湿度，采煤方法，产尘点的通风状况以及采掘机械化程度和生产强度。

图1 移架时的浮游粉尘浓度Fig.1 Floating dust concentration at the time of advancing support

据长期粉尘实测资料的统计分析表明:煤体水分越高，粉尘浓度越低；工作面环境相对湿度高，则截割时粉尘浓度相对低；采煤机截深增大、截割速度降低时，空气中呼吸性粉尘浓度降低；当风速小于临界速度时，机组割煤时粉尘浓度随着风速的递减而呈递增趋势，超过这一临界风速时，粉尘浓度又随风速增加而相应升高；下行通风较上行通风粉尘浓度低［16］。

移架产尘量的大小受多种因素影响，但最主要的是直接顶板的条件［17－18］。如图1所示，移架产尘量的多少与顶板强度成反比，与工作面所在盘曲的上覆顶板岩层厚度成正比。

2 综采工作面粉尘分布及运移规律的研究

粉尘的浓度不仅与产尘量有关，而且与空气流动状态有关。粉尘在风流中的扩散运动属于气固两相流，它不仅受到气体流动状态的影响，同时与粉尘本身的扩散有关［19－20］。本次研究主要是通过在现场布置测尘点进行测定，通过测定各点的粉尘浓度得出其分布规律。

以GB/T192.1－2007《工作场中粉尘测定第一部分:总粉尘浓度》和GBZ/T192.2－2007《工作场所中粉尘测定第二部分:呼吸性粉尘浓度》为指导，为了真实反映井下综采工作面的粉尘沿程分布及运移规律，以董家河矿22518综采工作面实测数据为依据，得出规律性分析。

综采工作面粉尘分布规律所需数据在董家河矿22518综采工作面测定取得，在进回风巷、工作面和回风巷布点测尘，测点高度在高1.5 m左右的工人呼吸带处。

董家河矿22518综采工作面煤属低磷、低硫、中灰、高发热量之贫瘦煤，动力用煤。工作面倾向长143 m，走向长720 m，斜面积102960 m2，煤层厚度为2.8 ～4.8 m，平均3.8 m，容量为1.4 t/m3，回采率95%，可采储量520360 t.

22518工作面配备有MG250/600－WD型双滚筒采煤机，ZY4600/18/42型双伸缩型液压支架，SGZ－730/500可弯曲刮板机，SZZ730/110桥式转载机，主要除尘措施有采煤机内外喷雾系统、液压支架移架喷雾系统。

采样点粉尘浓度见表1，表2，表3和表4.

2.1 进、回风巷粉尘浓度分布

22518综采工作面进风巷粉尘浓度测定数据见表1.

由表1可见，工作面进风巷道粉尘浓度分布有以下特征。

1)进风巷道主要为新鲜风流，所以粉尘浓度整体上比较低；

2)不采煤时，全尘和呼尘浓度都非常低，说明巷道的粉尘浓度主要是工作面采煤时的扬尘和产尘，风流带来的扬尘不是产生粉尘的主要因素；

3)采煤时，距离工作面越近，粉尘浓度越高。主要原因有:一是此处其他设备较多，在距离工作面5 m处有皮带转载机头，占据一定空间；二是巷道本来就较其他处偏小。这样就导致此处的风速较大，使得皮带转载处的落煤引起更多的扬尘，导致此处浓度迅速增加；

4)同不采煤时比较，采煤时粉尘浓度下降，这说明工作面通风状况良好。不采煤时，巷道漂浮的是由通风引起的扬尘，而采煤时防尘水幕等设施开启，使得测得的粉尘浓度偏小；

5)进风巷道内采煤和不采煤时的粉尘浓度，均低于《煤矿安全规程》、《煤矿作业场所职业病危害防治规定(试行)》等规定的作业场所空气中粉尘(总粉尘、呼吸性粉尘)浓度的规定。

22518综采工作面回风巷粉尘浓度测定数据见表2.

表1 进风巷道的粉尘浓度测定表Tab.1 Dust concentration measurement table of intake airflow roadway

表2 回风巷道的粉尘浓度测定表Tab.2 Dust concentration measurement table of return airway

由表2可见，工作面回风巷道粉尘浓度有以下特征。

1)由于回风巷道的风流主要是通过工作面的风流，所以采煤时粉尘浓度整体上较进风巷道高。采煤时工作面回风巷道10 m范围内呼尘几乎都在20 mg/m3左右，而全尘浓度都在70 mg/m3以上，比进风巷浓度大得多；

2)随着工作面的距离越来越远，粉尘浓度整体上呈现逐渐降低的趋势，在前20 m粉尘浓度下降得不是很明显，在100 m后粉尘浓度急剧下降。

3)不采煤时粉尘浓度(全尘)非常低(大约在10 mg/m3左右)。说明回风巷道的粉尘主要是工作面上割煤时产生的，风流带来的扬尘并不是产生粉尘的主要影响因素。

图2 进、回风巷粉尘浓度沿程分布Fig.2 Inlet and return air roadway dust concentration along the distribution

22518综采工作面进回风巷的粉尘沿程分布如图2所示，可以很直观的看出工作面进、回风巷中粉尘分布的规律:离工作面越近，粉尘浓度越高；离工作面越远，粉尘浓度呈下降趋势。而在不采煤时，粉尘浓度很低，并且呈稳定趋势。采煤时，回风巷的粉尘浓度是不采煤时的2倍以上。

2.2 综采工作面割煤时粉尘浓度分布

22518工作面共有支架96架，采样点布置平均遵循平均分布原则。采样时采煤机在机尾40～60组架处采煤，为逆风割煤。采样数据见表3.

图3是工作面的粉尘浓度沿程分布图。

由表3和图2可知，工作面粉尘浓度分布有以下特征。

1)因为采煤机在40～60架处逆风割煤，所以粉尘浓度在割煤机司机位处开始，在40架后下风侧的粉尘浓度急剧升高，以直线规律迅速增大，在下风向10 m附近(53#支架左右)粉尘浓度达到最高值，然后继续往下风侧风向粉尘浓度迅速下降，到下风侧50 m后(90#支架左右)变化趋于稳定。随着距离的增大，降低趋势不再明显。所以采煤机割煤时需要重点防治的是下风向10～50 m空间的粉尘；

表3 工作面粉尘浓度测定Tab.3 Dust concentration measurement of working face

图3 工作面粉尘浓度沿程分布Fig.3 Working face dust concentration along the distribution

2)粉尘是从产尘的滚筒处向下风向扩散的，向上风侧扩散较难，所以在割煤机操作员处粉尘浓度相对较小；

3)在割煤机下风侧呼吸性粉尘浓度较大，可达56 mg/m3，远远超过国家标准，但是在全尘中所占的比例却不是很高，说明割煤时也是产生呼吸性粉尘的主要环节。距离割煤机越远，呼吸性粉尘浓度下降明显，这是因为非呼吸性粉尘中颗粒较大的沉降较快，而颗粒较小的粉尘的沉降则需要较大的距离和较长的时间。

2.3 移架产尘

移架时产尘浓度采样数据见表4.

表4 移架粉尘浓度测定Tab.4 Dust concentration measurement of moving frame

图4是移架时粉尘浓度沿程分布图。

图4 移架粉尘浓度沿程分布Fig.4 Moving frame dust concentration along the distribution

从表4和图4可知

1)移架产生的粉尘从支架的缝隙和前沿落下，随风流在巷道中运动，并不断扩散；

2)移架时的最大粉尘浓度出现在尘源附近；

3)移架时粉尘浓度从上风5 m开始至移架处浓度迅速增大到最高，然后很快降低，在下风侧20 m处粉尘浓度趋于稳定并缓慢下降；

4)移架产生的大颗粒粉尘较多，此后沉降快，下风5 m以后巷道中漂浮的主要是呼吸性粉尘。

3 结论

1)综采工作面产尘强度大、环节多，采煤机作业(包括割煤和清底)是最主要尘源。工作面移架尽管发生在一个短时间内，但由于移架是随采煤机的推进而周期性进行，并且产生粉尘的浓度值有较大的差距，故其产尘量居第二位(特别是当工作面顶板破碎时更是如此)。因此，配备双滚筒采煤机的机采工作面粉尘的控制应以采煤机为中心；

2)割煤、移架时产生粉尘的运动趋势是一致的，都是先迅速增大，达到最大值后再迅速减小，最后达到稳定；

3)进、回风巷都是距离工作面越近，粉尘浓度越高；距离工作面越远，粉尘浓度呈下降趋势。而在不采煤时，粉尘浓度很低，并且呈稳定趋势。采煤时，回风巷的粉尘浓度较不采煤时大很多。

4)根据测尘点及测尘工序不同，呼吸性粉尘所占比重整体来说在20% ～60%之间波动，但没有固定趋势。

综采工作面的粉尘分布规律有其自己的特点，根据粉尘分布情况，通过采取煤层注水和喷雾降尘等防尘措施，建立井下防尘系统，能有效降低粉尘浓度，使工作面环境得到明显改善，有利于职工的身体健康，达到以人为本、安全生产的目标，获取更多的收益。

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