采煤机割煤减尘分析

许文忠

（晋能控股煤业集团朔州朔煤王坪煤电公司， 山西 朔州 038300）

引言

煤矿开采过程中会产生大量的煤尘，细微尘粒会随着风流在巷道内漂浮，当工人吸入大量的细微尘粒后会导致工人产生尘肺病的呼吸道感染疾病[1]。除健康问题外，大量煤尘会引起煤尘爆炸，煤尘爆炸会给煤矿及社会带来极大的伤亡损失，所以需要对煤尘的产生进行研究[2]。掘进机作为主要的掘进设备，需要对掘进机的镐型截齿截割煤时的状态进行研究。

1 镐型截齿割煤破碎产尘过程

1）压碎区形成。截齿的齿尖部分由于采用特殊材料会有较强的硬度，当齿尖接触到煤体时，会产生挤压力，由于齿尖部分接触面积小会产生较大的应力，并通过煤体向内部传递，随着传递距离的增加，应力逐渐减小。煤的脆性决定了当齿尖侵入时会发生弹性形变[3]。当压应力大于煤的抗压极限时，煤体就会发生塑性形变，变成压碎区。

2）粉化核形成。压碎区形成后，由于镐型截齿还需要不断向煤体内部施压，已经破碎的煤此时无法被及时排出到外部，就会造成压碎区的煤体在持续压应力作用下，形成高度粉化核。粉化核在继续传递能量过程中会使其粉化核体积逐渐增大。粉化核是截割过程中粉尘的首要来源。

3）裂纹萌生与扩展。截齿的逐渐深入会使粉化核的煤体积蓄应力和能量，当达到煤体自身的应力极限时，微裂纹会与粉化核周围未发生变化的煤体一块形成微小的裂纹，裂纹逐渐发展及合并就会形成宏观裂纹。煤体内部的裂纹发展速度很快，所以宏观裂纹的扩展也是一个快速的过程。

4）新自由面形成。当空气与由宏观裂纹形成的贯通裂隙相结合后，会形成新的自由面。

5）粉化核应力解除。新自由面的形成，煤体上会有很多煤块开始掉落，此时，粉化核的应力状态会被解除，细小颗粒会随着煤块掉落，细微颗粒会在空中漂浮，形成煤尘。

2 采煤机截齿与粉尘产生的关系研究

通过对镐型截齿破煤过程的分析，可以发现粉化核是产尘的主要位置。文中通过计算该区域的体积来体现对产尘数量的评价。假设煤块的初始状态无外加应力作用（如围压等），弹-塑性区交界面的位置与齿尖和煤体的接触半径相关，塑性区体积变化包括侵入的截齿以及其他非弹性体积变化而替代的煤岩体积[4]。塑性区屈服准则服从F（σij）=0，以摩尔-库伦准则以及塑性势能为基础：

式 中 ：σr为 径 向 应 力 ，MPa；Kp为 被 动 系 数 ，Kp=（1+sinφ）/（1-sinφ）；φ 为内摩擦角，（°）。σθ为环向应力，MPa。σc为单轴抗压强度，MPa。

结合镐形截齿割煤产尘过程，当镐形截齿对煤施加应力时，煤自身达到的塑性屈服极限时，煤的形变能和损伤能会以动能、表面能等能量形式进行释放。通过对镐形截齿破煤过程受到的应力分析得到，当镐形截齿施加一定的应力时，弹性形变能的存储在齿尖下方会形成弹性形变区，压碎区和粉化核的形成可以看作是塑性变形的能量释放，再到产生裂纹及最终形成自由面与粉化核的解除对应着动能及表面能的能量释放。分析镐形截齿对破煤过程的应力变化及能量转化过程，能够充分了解到粉尘的产生源头及产生原因，能够从根本上为减尘降尘提供理论基础。

3 减尘改造措施

煤尘的产生可以从外因和内因两方面进行改造。以朔州煤矿使用的三一EBZ160 掘进机为例，截割臂直径550 mm，截割头为1.02 m×0.94 m 的圆锥台、转速23 r/min，相应截割功率为160/100 kW，所用截齿齿尖锥角为117°。当齿尖的锥角越大时，截齿与煤体接触时产生的粉化核会越大，粉化核越大产生的粉尘越多。掘进机的齿尖锥角由117°改为83°，会相对于原先有很好的降尘作用。通过改进后，对总粉尘浓度和呼尘浓度进行检测，结果如表1所示。

表1 不同截割条件下的粉尘浓度 mg/m3

4 结论

当截齿的锥角由117°换为83°时，产生的总粉尘较原先降低了19.2%，呼吸性粉尘降低了23.3%。所以使用较小锥角的截齿能够有效地降低粉尘浓度，极大地降低了粉尘的危害程度。