成庄矿综掘工作面可吸入煤尘粒径大小研究

任大鹏

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司成庄矿，山西 晋城 048000）

井下生产过程中产生大量的煤尘,煤尘不仅对矿井本身安全产生巨大威胁,而且对井下工作人员身体产生直接危害，会产生尘肺病，尤其是在综掘工作面，悬浮的煤尘浓度可达2000～5000mg/m3（最高时可达到8000mg/m3）[1-2]。因此，研究综掘工作面煤尘产生的机理以及确定可吸入煤尘粒径大小，对预防煤尘事故、保障职工身体健康具有重要意义。

成庄矿位于沁水煤田南翼,始建于1997年，设计生产能力4.0Mt/a，于2000年达产，该矿井为综合机械化采煤的现代化矿井。成庄矿23231综采工作面的煤层赋存情况为：开采煤层厚度5.9～6.3m，煤层平均厚度6.0m，倾角小于3°，为近水平煤层，煤质以镜煤为主，玻璃光泽，形状为条带状，该工作面的直接顶板以泥岩为主，平均厚度4.22m，深灰色，裂隙较为发育，老顶以中粒砂岩为主，平均厚度为11.30m，斜层理发育，老顶上部存在粉砂岩及细砂岩，底板以泥岩及砂质泥岩互层为主，平均厚度为9.58m，中部夹杂细砂岩。

1 煤尘产生机理

1.1 煤尘产生的力学分析

成庄矿23231综掘工作面生产过程中，随着掘进工作面的推进，由于截齿与煤体不断的作用，与截齿相接触的煤体发生破碎，周围的煤体发生破裂，产生裂隙，当煤体裂隙扩散到一定程度（超过极限应力平衡状态）垮落时，能量瞬间得到释放，产生更多粒径较小的煤体，并悬浮在空中。

1.2 煤尘浓度影响因素

结合该工作面的实际地质条件，可分析得出影响该工作面煤尘浓度的主要因素有：工作面的地质构造，工作面生产工序，通过工作面风流大小，另外还有工作面煤体岩石力学性质、水文特征等等。

对于煤体岩石力学小的，如强度低、脆性大的煤体以及受地质构造的区域的构造煤，一般来说产生的煤尘浓度较大，对于存在含水层附近的煤体由于水分子的吸附作用，会大大抑制煤尘的产生[3]。影响煤尘浓度的主要的一个因素是风流，新鲜风流对煤尘有一定的稀释作用，正常来讲，风流越大，稀释煤尘的能力越强，煤尘随风流方向移动，在割煤过程中，产生的煤尘浓度最高，随着自身重力和风流作用，煤尘浓度逐渐降低到一定的数值，但风流也不宜过大，否则过大的风流可将落在设备上、巷道上和其他物体上的煤尘扬起，增大空气中煤尘浓度。

1.3 煤尘的运动规律

煤尘在空中受到自重和风流两个力的共同作用，虽然自重力为一定的、规律的，可由于风流产生的力不稳定，规律难寻，故空中的煤尘运动也是不规则的。在23231综掘工作面，经过现场观测可简单总结煤尘运动的规律，即距离工作面越近的地方（因距压风筒出口近）煤尘流动越紊乱，各种粒径的煤尘相互混合，随着距离增加，时间推移，这种现象逐渐减弱，当距离工作面50m时稳定下来，（此段区域风流相对比较稳定，风流的雷诺数Re为5×105），此时一定粒径范围的煤尘会悬浮在整个巷道空间，虽然煤尘浓度下降，但此时煤尘大多数为可呼吸性煤尘。

2 可呼吸性煤尘粒径界限的确定

为研究23231工作面可呼吸性煤尘粒径大小，以23231工作面为工程背景，合理选择研究地点，即为距工作面掘进头50m处（因为50m以内的煤尘运动极不稳定），该区域的煤尘运动稳定，雷诺数为5×105，介于104～106之间，属于湍流（紊流），微细煤尘悬浮在巷道内运动可简化不可压缩流体的定常湍流气固两相流动[4]。

2.1 数学模型的建立

据现场统计，该工作面工作人员都使用鼻腔进行呼吸，使用鼻腔呼吸会使空气中的煤尘经过鼻腔、咽部、喉部、气管到达肺部。根据研究工作面可呼吸性煤尘粒径大小的方法，建立数学模型，该模型以鼻入口面为中心，半径0.5m范围内流场为研究对象，分析不同呼吸强度下可吸入煤尘粒径与呼吸强度关系。不同的呼吸强度有15L/min（休息时）、30L/min（轻微劳动）和60L/min（中度劳动）三种，而不同呼吸强度下鼻腔入口压力与流速的关系可根据有关文献[5]得到，如表1所示。该模型的建立和计算需要满足一些假设：（1）煤尘微细颗粒为稀相，相互间不碰撞；（2）风量稳定，颗粒流动为定常流动，浓度不发生变化；（3）颗粒假设为球形；（4）研究区域为恒温，忽略热交换；（5）忽略颗粒质量力的影响。

表1 不同呼吸强度下鼻腔入口压力与流速

2.2 控制方程及计算结果

连续性方程：ρA·U=C（常数）

吸气时通过鼻腔流体流量：

式中：

pn-表面力函数；

F-质量力函数；

S1-控制面面积；

S2-鼻入口面积；

ρ-流体平均密度；

Δp-鼻入口压力，Δp=p2-p1；

u-鼻入口流体平均流速；

v-外界流体平均流速；

Cd-煤尘颗粒阻力系数；

dp-颗粒直径；

ρ0-煤尘颗粒密度。

联合以上公式可得：

通过数学模型最终计算公式，可将粒径与呼吸强度关系表示出来，从公式上可得出可吸入煤尘颗粒粒径最大临界值是可变化的，是随着人体的呼吸强度的变化而变化，且随着呼吸强度的增加，最大临界值也随着增加，粒径与呼吸强度关系图如图1所示，根据公式可计算出在不同呼吸强度下可吸入煤尘颗粒粒径最大临界值。在23231工作面，工人的呼吸强度一般为Q=30L/min，则根据所得到公式可计算出可吸入煤尘颗粒粒径最大临界值为12μm，也就是说该工作面正常呼吸强度为30L/min时，工作面可吸入煤尘颗粒应小于12μm，实验室所测的该工作面可吸入煤尘颗粒为10μm，两者结果相近，结果可信。

图1 粒径与呼吸强度关系图

3 防治煤尘的建议措施

（1）喷雾降尘

可在掘进机上安装远程喷雾装置，在作业过程中进行喷雾，利用煤尘吸湿性，巷道中悬浮的煤尘与水结合后重量增加，迅速沉降，可达到降尘的作用，根据大量的现场实践表明，该方法投入小，效益高，可将煤尘浓度下降到 300～400mg/m3。

（2）煤层注水降尘

掘进面在作业之前，可提前对煤层进行注水作业，煤层湿润后，煤尘产生量大幅度减少[6]。具体操作可利用矿上现有的YT-24型风钻配Φ42mm钻头进行湿式打眼，钻孔深度不低于2.0m，利用封孔器封孔，对钻孔进行注水作业，时间不低于20min，或迎头煤壁出现渗水时方可停止，每个钻孔注水量不低于120L。通过煤层注水的方法，可提前对煤体进行湿润，掘进时空中悬浮的煤尘大幅降低，最好效果时，掘进工作面的煤尘浓度只有70mg/m3, 降尘效果显著。

（3）除尘机除尘

可利用除尘器设备，在掘进面进行作业时，将风流中的煤尘捕集下来加以清除，净化回风风流中空气，达到降尘的目的。结合本矿实际情况，可选择ZZJC- 2型湿式振弦除尘风机进行除尘，该设备风机功率为11kW, 排风量为 80m3,可满足需要。实践表明：在掘进机作业时, 部分时间段掘进工作面的煤尘平均浓度为80.53mg/m3,经过除尘装置处理后，回风风流中空气的煤尘浓度平均为60.87mg/m3,除尘风机的降尘率为 24.41%，效果显著。

4 结语

本文以成庄矿23231综掘工作面为工程实践背景，通过分析煤尘产生的机理，分析影响成庄矿23231工作面煤尘的因素。结合该矿实际情况，通过建立数值模型，推导出粒径与呼吸强度的计算公式，得到粒径与呼吸强度的关系，即为随着人体的呼吸强度的变化而变化，且随着呼吸强度的增加，最大临界值也随着增加。且计算出了该工作面呼吸强度为30L/min时，工作面可吸入煤尘颗粒应小于12μm。通过探索在生产过程中煤尘产生的机理以及确定可吸入煤尘粒径大小，进而可提供引发尘肺病煤尘粒径定量数据，为有效降低工作面煤尘含量提供科学依据。结合所研究成果提出了喷雾降尘、煤层注水降尘及除尘机除尘等降尘措施，最大限度降低因煤尘而引发的尘肺病问题，保证工人的健康。