柴家沟井42222工作面粉尘运移规律实测研究

司俊鸿，邵意添，郑凯凯，王乙桥，卢 云，李 林

(1. 华北科技学院 应急技术与管理学院，北京 东燕郊 065201；2. 陕西陕煤铜川矿业有限公司玉华煤矿，陕西 铜川 727000)

0 引言

根据中华人民共和国国家卫生健康委员会公布的全国职业病报告显示，尘肺病目前仍是我国最主要的职业病，其中煤工尘肺和矽肺仍是尘肺病的主要呈现[1]。此外，煤尘还具有爆炸性，会降低工作现场的能见度、增加机械的磨损率、降低现场设备的使用寿命[2]。因此，研究综采工作面粉尘运移规律，可以帮助企业有效的选择粉尘防治技术，从而降低工作现场的粉尘浓度，对于保证井下工人身心健康及矿井安全高效生产具有现实意义。

近年来对于综采工作面粉尘运移规律的研究，主要是借助Fluent数值模拟软件，建立工作面模型进行模拟研究，以及结合现场实测进行研究，王建国[3]基于Fluent并建立了气-固两相流的粉尘运移数学和物理模型，研究了风流运动和粉尘运移规律，发现了粉尘浓度最大处为前后滚筒附近及后滚筒下风向10 m左右靠近煤壁一侧区域；宋淑郑[4]依据气固两相流理论，运用Fluent对粉尘浓度逸散规律做出了研究，得到了粉尘质量浓度在移架产尘点下风侧12 m附近达到最大的结论；蒋仲安[5]通过分析风速对综采工作面粉尘运移规律的影响，发现在一定风速范围内,随着风速的增大,综采工作面的平均粉尘质量浓度会逐渐减小；马威[6]通过分析采煤机割煤产尘特点，建立离散相数学模型模拟研究不同风速下逆风割煤时前滚筒垮落产尘时粉尘浓度的分布，得到高风速综采面采煤机产尘的运移规律；谭聪[7]研究了影响综采面粉尘质量浓度分布的重要因素，如工作面风速、采煤机滚筒转速、溜子速度以及壁面条件；王明[8]根据气固两相流运动方程及相似原理，结合现场研究发现工作面平均风速在1.5～2.5 m/s时，最有利于粉尘的排除和沉降，并且工作面粉尘浓度会随着采煤高度的增加而增加。秦翥[9]通过分析煤在转载点运输过程中形成的诱导气流、剪切气流和牵引气流对粉尘析出的影响，得到了转载点出口处粉尘浓度随转载点倾角的变大而增加，随转载点截面积的变大而降低的结论。聂百胜[10]通过对煤矿综采工作面PM2.5粉尘浓度分布规律的研究，发现了工作面PM10和PM2.5粉尘占全尘比例较高且变化波动较大，主要是由于风流剧烈的变化和不同的设施设备的影响。雷猛[11]根据工作面在不同时间尺度和空间的结合下，探究了综采面粉尘运移规律，发现随着产尘从20 s延长至80 s后，前滚筒截割尘流涌入人行道及架前的距离缩短至6.2 m、2.1 m；后滚筒截割尘流基本覆盖架前全断面空间。为了更直接有效的研究柴家沟井42222综采工作面的粉尘分布状况及运移规律，运用粉尘质量浓度测试方法对采煤机在顺风、逆风两种状态下的粉尘浓度进行测定，分析得出42222综采工作面采煤机在工作时的粉尘运移规律，为柴家沟井42222综采工作面粉尘防治技术的选择提供依据。

1 工作面概况

选取陕西陕煤铜川矿业有限公司玉华煤矿柴家沟井42222综采工作面作为研究对象。该工作面为U型通风方式，倾向长度165 m，回风顺槽长1688 m，巷道为矩形断面，高2.9 m，宽4.6 m，断面积13.34 m2。运输顺槽长1687 m，巷道为矩形断面，高2.9 m，宽5.0 m，断面积14.5m2。采用倾斜长壁后退式综采放顶煤方法开采，全部垮落法管理顶板。煤层厚度3.6～13.6 m，平均厚8.3 m，工作面采用端部斜切进刀，双向割煤。

2 粉尘浓度测定方法

本次研究测定方法选用质量法，采用AKFC-92A型粉尘浓度采样器，针对全尘(总粉尘)的测定，配套使用全尘式预捕集器(全尘采样头)；针对呼吸性粉尘，配套使用冲击式预捕集器(呼尘采样头)，在进入矿井工作面实际测试前，已在呼吸性粉尘采样头的前端均匀涂抹硅油，以防止大颗粒粉尘进入滤膜干扰测试结果。其中，全尘指的是可以进入整个呼吸道，包括鼻、咽、喉、胸腔支气管、细支气管和肺泡的大粉尘。呼吸性粉尘指的是可以通过呼吸直接进入肺部且粒径小于7微米的细微粉尘，能长期沉积于肺泡，对人体危害极大。具体计算如公式(1)所示。

(1)

式中，C为粉尘浓度，mg/m3；m1为采样前滤膜质量，g；m2为采样前滤膜质量，g；Q为采样流量，L/min；T为采样时间，min。

2.1 测点布置

为了更好地了解柴家沟井42222综采工作面在生产过程中的粉尘运移规律，根据GB5748—85《作业场所空气中粉尘测定方法》和MT79-84《粉尘浓度和分散度测定方法》等技术规范对工作面粉尘浓度分布情况进行测定。

根据工作面双向割煤的回采工艺，需要把粉尘测定分为两种情况，即测定采煤机在顺风割煤时的粉尘浓度以及采煤机在逆风割煤时的粉尘浓度。

在采煤机顺风割煤时设置8个测点，测点高度在呼吸带高度附近(1.5 m左右)，测点布置图如图1所示。1号测点为采煤机后滚筒距进风巷10 m处，2号测点为采煤机后滚筒附近，3号测点为采煤机后滚筒靠近司机处，4号测点为采煤机司机处，5号测点为采煤机前滚筒靠近司机处，6号测点为采煤机前滚筒附近，7号测点为采煤机前滚筒10 m处，8号测点为采煤机前滚筒30 m处。

在采煤机逆风割煤时，柴家沟井42222综采工作面粉尘测点布置位置与顺风割煤时测点布置位置相同，仅是采煤机前后滚筒位置发生了互换，如图2所示。

图1 采煤机顺风割煤时测点布置

图2 采煤机逆风割煤时测点布置

2.2 测定方法

将准备好的一定数量的直径分别为40 mm和75 mm的滤膜干燥后并称重，记作m1，做好标记，带到井下42222综采工作面指定地点，将粉尘采样器高度控制在1.5 m左右的位置，使采样头对准风流吹来的方向，将采样时间预设为2 min，流量为20 mL/min，在采煤机工作一段时间，等巷道内粉尘分布均匀，达到正常工作时巷道内的粉尘浓度时，再开启粉尘采样器，进行粉尘采样。采样完毕后，需将滤膜保存好带回实验室干燥并称重，记为m2。根据公式(1)计算出采煤机在顺风、逆风割煤时的粉尘浓度，研究粉尘运移规律。

为了能够得到井下更准确的粉尘浓度数据，对各个测点分别在不同时间段内进行了三次采样，最后取平均值，得到粉尘浓度。

3 粉尘浓度现场实测结果分析

3.1 顺风割煤时粉尘浓度及分析

当采煤机顺风割煤时，测得的各点粉尘浓度如表1所示。

根据表1，将1号测点作为坐标原点，风流方向(顺风)为x轴正方向，得到42222综采工作面采煤机顺风割煤时粉尘浓度分布图，如图3所示。

表1 采煤机顺风割煤时滚筒区域附近粉尘浓度

由图3可知采煤机在顺风割煤时粉尘浓度规律如下：

(1) 全尘和呼尘刚开始浓度相对不大，说明受综采工作面风流场的影响，粉尘在此处的扩散运移较慢。

(2) 沿着顺风方向，至采煤机后滚筒靠近司机处，随着风流扩散的作用和采煤机割煤时所产生的大量粉尘，粉尘浓度明显逐渐上升，全尘浓度达到442.3 mg/m3，呼尘浓度达到123 mg/m3。

(3) 在采煤机司机处，粉尘浓度相较于两侧滚筒来说是最低的，这是因为采煤机割煤产生的粉尘还没有完全扩散至1.5 m高度处。当过了司机处后粉尘浓度快速升高，直到采煤机前滚筒10 m处的位置粉尘浓度达到最高，全尘可达到579.4 mg/m3，呼尘达到了148.9 mg/m3，这是因为在工作面风流场和采煤机滚筒转动的共同作用下，割煤产生的粉尘不断扩散，导致采煤机下风侧粉尘浓度迅速升高。

(4) 在达到最高值后，因为粉尘的扩散和沉降，全尘和呼尘的粉尘浓度会开始下降。

(5) 采煤机顺风割煤时，前滚筒附近的粉尘浓度高于后滚筒附近对应点的粉尘浓度，这是因为后滚筒割煤所产生的粉尘会随着风流扩散到前滚筒，再加上前滚筒产生的粉尘，导致粉尘浓度会更高。

3.2 逆风割煤时粉尘浓度及分析

当采煤机逆风割煤时，测得的各点粉尘浓度如表2所示。

根据表2，将1号测点作为坐标原点，风流方向(逆风)为x轴正方向，得到柴家沟井42222综采工作面采煤机逆风割煤时粉尘浓度分布图，如图4所示。

图4 采煤机逆风割煤时粉尘浓度分布图

由图4可知采煤机在逆风割煤时粉尘浓度规律如下：

(1) 采煤机在逆风割煤时，测点的粉尘浓度分布状况与顺风割煤时大致相同。

(2) 逆风割煤时，全尘和呼尘浓度由前滚筒处向下风侧逐渐升高，到达采煤机前滚筒靠近司机处位置时开始平缓下降，说明粉尘扩散下降，受到工作面风流场影响。

(3) 在采煤机后滚筒靠近司机处粉尘浓度开始上升，到采煤机后滚筒10 m处粉尘浓度达到最大，全尘最大为615.6 mg/m3，呼尘最大为178.4 mg/m3。之后粉尘浓度迅速下降。

由上述结果分析可知，采煤机无论是顺风割煤还是逆风割煤，采煤机下风侧都是粉尘浓度最高的区域。它大致在下风侧10 m处。在工作面风流场的影响下与采煤机距离的增加，全尘和呼尘的粉尘浓度都有所下降。因此，在井下采煤机割煤时下风侧是产尘的主要区域。

4 结论

(1) 经过对综采工作面粉尘浓度现场实测得出，粉尘浓度的最高点是在采煤机下风侧的滚筒10 m处位置，全尘和呼尘的粉尘浓度分别在采煤机顺风割煤时达到了579.4 mg/m3和148.9 mg/m3；逆风割煤时达到了615.6 mg/m3和178.4 mg/m3。由此可以发现，逆风割煤时后滚筒的粉尘浓度要大于顺风割煤时前滚筒的粉尘浓度。

(2) 通过测点的粉尘浓度分析，得到由进风到回风综采工作面的粉尘浓度分布趋势是进风巷道粉尘量比较小，总体粉尘浓度低。在进入采煤机附近区域时，由于采煤机割煤时产尘比较大，粉尘浓度急剧升高。由于粉尘没能完全扩散至1.5 m高度，在采煤机中心附近粉尘浓度有一定降低。在进入采煤机下风侧滚筒区域粉尘浓度又有所升高，最后呈现下降趋势，这对采煤机截割部采取粉尘防治措施具有指导意义。

(3) 经分析得出，采煤机滚筒处是主要尘源，工作面全尘和呼尘的粉尘浓度远超国家标准，急需防治。本文的研究为柴家沟井42222综采工作面的粉尘防治提供了理论基础。在采煤机滚筒周围采取降尘措施，配合抑尘剂能够达到较好的降尘效果。