综掘工作面粉尘防治理论与技术研究进展

贺艳军，王 帅，张 昊，葛少成，王 林，黄 云，赵 茂，王永峰

(1.神华包头能源有限责任公司 李家壕煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024)

近几十年来，我国能源消费结构主要以煤为主，这主要由于石油与天然气国内资源匮乏、多依赖进口。我国能源中对于煤的消费结构可分为3个阶段：①2000—2011年的煤高消耗的粗放发展阶段，其中煤炭能源消费占比自2000年的68.5%上升至2011年的70.2%；②我国自2012年步入工业化后期到2018年我国能源消费也开始转向高质量发展阶段，其中重要指标为煤炭，占比降到59%；③第三能源结构变化阶段即高质量常态化发展阶段[1]。2020年，我国进入到社会主义现代化国家建设的新征程，在工业能源消费方面，我国也将转变为高质量。2012—2018年，我国的能源消费总体呈上升趋势，尽管新能源的投入与国家政策的调整使我国的能源消费有一定范围的波动，但总体煤炭消费仍占能源消费总量的60%左右[2]。煤炭作为我国的能源消耗的最大大主体，将会在未来几十年持续发挥巨大作用。随着煤炭生产增长的同时，安全生产事故也层出不穷，现有事故死亡率已有很大下降，但距离欧洲许多国家的安全生产水平仍有很大差距[3-6]。

煤矿的掘进工作面粉尘含量由于掘进机械化、自动化以及煤炭产量的要求提升而急剧提高。由于掘进工作面通风条件的特殊性，掘进巷道的通风状态是一个端口封闭、一端开口的独头巷道。当风流由风机运至掘进面时，风流受阻折返，带有大量的煤尘并逐渐扩散到整个掘进工作面的其他作业空间，尤其在掘进机的司机处。粉尘扩散浓度很大时，整体能见度很低，严重影响掘进工作面的安全生产[7-9]。

根据《煤矿安全规程》要求，井下的掘进面粉尘浓度应低于10 mg/m3，但是通常掘进工作面掘进机掘进施工时的粉尘浓度可达500～1 400 mg/m3，最高超标100多倍。因此，尘肺病发病率最高的人群是掘进工作面尤其是掘进机司机以及支护人员。除了瓦斯爆炸外，煤尘可爆炸性也是井下发生爆炸的一大重要危险因素，且煤尘爆炸发生率仅低于瓦斯爆炸，爆炸的影响与破坏程度较大，井下除尘刻不容缓。煤尘爆炸是指当某个封闭空间内的粉尘颗粒大小为0.7～1.0 mm时，煤尘浓度处于爆炸极限浓度范围内，且氧气浓度达到临界点时，便会发生爆炸现象。

煤矿掘进工作面相较于其他工作面最为特殊的是：当掘进工作面通风时，巷道一端进风、另一端封闭的通风方式，决定了其通风的特殊性，通过压风机吹进巷道的风流在巷道封闭处将会折回，这就导致了风流裹挟高浓度的粉尘流向掘进机尤其掘进机司机处，致使掘进机作业空间内的粉尘浓度远高于其他地方，对掘进机司机及掘进工作面内的矿井工作人员造成职业危害，加大了尘肺病发生的可能性，同时掘进以及支护设备受高浓度的粉尘腐蚀磨损的危害。煤矿井下高浓度的煤尘会致使作业环境能见度降低，作业效率降低，进而影响工作面的正常生产情况。由于掘进工作面的通风困难性，对工作人员造成影响的同时，也会对掘进机等设备产生影响，增大损耗。因此，针对掘进工作面特殊的通风及生产情况，积极采取有效合理的降尘措施，以期在保证矿井安全生产的前提下，最大限度保障工作面作业人员的健康与安全。

1 综掘工作面粉尘防治理论研究现状

综掘工作面粉尘防治理论研究主要包括：掘进过程中粉尘的产生与粉尘特性、粉尘在掘进巷道风流中的扩散及分布规律、润湿性和爆炸性以及粉尘沉降规律的分析。

1.1 产尘方面

综掘工作面掘进过程中，支护、凿岩、机械材料装卸、爆破以及片帮冒顶等过程产生大量粉尘，尤其凿岩机作业打炮眼以及爆破时更易产生高浓度粉尘。根据统计数据显示，尘肺病患者中大多从事煤矿井下一线生产工作多年，且煤矿岩石综掘工作面工作人员患病率远高于其他工作地点，原因在于，综掘面的粉尘量为煤矿井下粉尘浓度最高的地点[10-11]。

煤矿井下综掘工作面掘进过程中产尘量大的原因在于：煤壁未受到外界压力时，各个方向受力不变，而当综掘机的截割头与煤壁接触时，破坏了原有的受力平衡，在截割头与煤壁的接触点产生了1个三向的应力状态，受力不平衡，导致煤壁挤压变形，进而产生破碎；综掘机截割头继续向前，压缩接触点煤块，产生密实核，密实核应力大于四周煤块应力，煤块将会被进一步挤压粉碎，截割头后撤时，接触点应力急剧减小，伴随有细小的煤块破碎并下落，此时便有大量的煤尘产生[12]。

20世纪90年代初，刘建荣等通过现场测定矿井煤尘的产尘量，确定了掘进后煤岩被采煤机破碎后的粉尘产尘量达到22.8×103g/J，同时不同煤种破碎所产生的煤尘粒径均符合Rosin-Rammlar分布。李晓豁等为研究掘进机掘进过程中的产尘规律，通过建立数学模型，分析并确定了不同工艺参数的权重。掘进过程中还受其他各方面因素的影响，如煤岩性质、综掘机参数等，都可以使产尘量减小。

1.2 粉尘运移理论方面

20世纪初期，David Stokes[12]通过现场试验分析球状微粒的受力情况，并得到球形粉尘颗粒运动公式。Fuchs M等[13]将气溶胶力学原理应用到粉尘颗粒在大气中的迁移与扩散规律研究。20世纪70年代到90年代，Soo S L等[14]提出一种流体相与颗粒群连续的互相渗透、互相耦合的“连续介质”即为“两相流”，使得该模型更全面考虑两相的各种影响因素的耦合，以及把颗粒作为离散项并将其在拉格朗日坐标系下求解轨迹方程，流体相作为连续项求解流体的运动轨迹方程的离散颗粒模型。这样方便跟踪每一个颗粒的运动轨迹，但对于大体积颗粒数巨大的模型计算难度加大，难以收敛[15]；同时多相流模型不仅只局限于热量、温度的变化更加完善了相与相之间的质量、动量、能量的相互影响与传递[16]。流模型不仅只局限于热量、温度的变化，更加完善了相与相之间的质量、动量、能量的相互影响与传递[16]。

栾昌才等[17]通过实验分析掘进机掘进凿岩有局部通风以及无局部通风条件下的产尘情况与粉尘扩散分布。刘建等[18]基于掘进机掘进割煤导致掘进工作面粉尘大量扩散，建立了掘进机工作参数与产尘量的数学模型，结合构建神经网络模型，检测掘进巷道呼吸性粉尘的浓度。蒋仲安等[19]依据空气粉尘颗粒耦合模型运动方程，推导掘进巷道的准则系数，并分析了射流区、回流区、涡流区的呼吸性粉尘扩散流动情况。

2 综掘工作面粉尘防治技术研究现状

目前，世界各大产煤国为保障安全生产，改善井下各工作面的作业条件，采取了相应的降尘除尘技术措施。在综掘工作面粉尘防治方面主要采用通风以及水雾降尘：主要利用矿井通风设计将掘进过程产生的粉尘排出，辅之以水雾或化学试剂泡沫化捕捉粉尘使其沉降。矿井下常用的除尘技术有：泡沫降尘、通风降尘、除尘器降尘、喷雾降尘等。

2.1 通风降尘

矿井通风按照通风工作方式可分为压入式通风、抽出式通风与混合式通风3种。其中，压入式通风适用于掘进工作面，主要特点在于通过局部通风机作为矿井通风的动力风筒，利用动力风筒进行导风，我国掘进工作面大都采用这种通风方式。在掘进巷道出风口的进风侧外大约10 m的位置布置局部通风机，局部通风机将新鲜风流通过风筒送至掘进面，同时将掘进工作面产生的含尘气流排出掘进工作面，采用将风机布置在通风巷道中的方式，通风的安全性得以提高。此外，与抽出式通风相比，压入式通风风流射流强度高，风流有效射程远，能够稀释和排出更多体积的含尘气体，通风效率高，工作面粉尘浓度降低速率快[20]。由于采用压入式通风，风筒出口的风速较大，综掘工作面掘进过程中产生的粉尘能够及时排出，安全性增加，这样可以起到预防瓦斯聚集的作用，降低瓦斯带来的危害；同时，由于通风风速较大，对于掘进工作面的降温也能起到一定的促进作用，压入式通风所采用的风筒为方便安装、质量较轻且成本相对廉价的柔性风筒。压入式通风方式也有其缺点：当含尘的污风气流沿着巷道排出时，由于采用压入式通风，在风筒出口处会形成射流区，射流区射流会导致周围形成涡流区域，含尘气流进入涡流区域内，粉尘聚集于涡流区域，致使该区域内的粉尘浓度上升，而掘进面的工作人员又大多正好处于该涡流区域内，对其身体健康影响较大；同时，随着掘进工作面不断向前开采，排出污风所需时间逐渐增加。煤矿井下多采用串联通风系统，当掘进工作面通风与其他工作面相联通时，可能会导致掘进工作面的污风扩散到其他工作面，导致粉尘污染更加严重。

与压入式通风不同的是，抽出式通风的局部通风机安装在距巷道出风口回风侧的10 m处，通风机工作时会产生负压，掘进巷道内产生的污风及开采过程中涌出的瓦斯被吸出巷道。因此，结合2种通风方式优点的混合式通风具有更加独特的优势[21-22]。

秦跃平等[23]通过数值模拟，对压风分流通风除尘方法的除尘效果进行了分析与对比，结果表明采用这种方法能够在一定范围内降低综掘工作面的粉尘浓度，并且对于沿着风流的粉尘扩散距离的减小也有促进作用。王海桥等[24]采用流体力学射流理论与渗流力学理论，对比分析了掘进工作面采用不同的通风方式时风流场的不同，总结得出风流场主要包括射流区与回流区两大流场区域。并以此为基础建立了相应的物理模型：射流区速度分布模型与回流区平均速度作用距离计算模型，为综掘面通风以及粉尘污染治理提供了新的理论依据。

为比较压入式通风与抽出式混合通风除尘效果，在古树煤矿9221掘进主巷道分别采用2种通风方式进行对比分析，结果显示除尘效果最佳的通风方式为长压短抽式，除尘效率明显提升。为比较压入式通风与抽出式混合通风除尘效果，王明等[25-26]使用CFD-DPM建立掘进主巷道风流模型，分别采用2种通风方式进行对比分析，结果显示除尘效果最佳的通风方式为长压短抽式，除尘效率明显提升。刘雅俊等[27]通过建立短路流场数学模型，研制出了适用于水平运输大巷掘进工作面的综掘面风幕除尘风机，并通过现场实验验证了该模型与该装置的可行性，表明该装置对于扼制呼吸性粉尘的扩散能起到极大的作用。此后，李雨成[28]在该装置的基础上进行了完善与改进，使得降尘效果再次提升。冯琪[29]通过改进现有的混合式通风方式，即长压短抽混合式通风方式，进行了优化与调整，除尘效率提升明显，综掘工作面粉尘浓度直线下降。其中，处于掘进机司机处的降尘效果达到最优，但相比较之下，改进后的通风除尘方式对于呼吸性粉尘的降尘率不如原有的长压短抽式降尘方式。

针对现有降尘理论方面的不足，聂文等通过对现场实验进行分析对比，分别提出了掘进面旋流气幕理论与封闭降尘理论，补全了降尘理论方面的短板，并通过实验得出结论，呼吸性粉尘的降尘效率为90%左右，而对于全尘的除尘效率则高于呼吸性粉尘，可达到90%～95%。其中，对于接尘受影响最为严重的司机处的降尘率也可以达到90%以上。

2.2 喷雾降尘

目前最有效的最广泛使用的湿式除尘方法，粉尘微粒与水雾颗粒碰撞、拦截产生重力沉降等来捕集粉尘。但掘进机内喷雾的喷嘴易发生堵塞，实现降尘和维护都比较困难，外喷雾水流量大，不仅锈蚀机器，还会导致煤的含水量增大，掘进机喷雾系统还存在电机冷却水的低压和喷雾水的高压之间的矛盾。国内许多研究者还相继研究了预荷电喷雾、磁水喷雾、声波雾化喷雾等新技术，由于使用条件的要求过于严格限制了相关技术。

喷雾降尘是湿式降尘方式之一，是我国煤矿井下综掘工作面降低粉尘浓度普遍采用的一种降尘方式，经过实践证明，该方式为综掘工作面降尘最为有效的方式。喷雾降尘的原理是利用喷雾箱将高压水以射流的方式排出，在喷雾箱出口处形成粒径较小的雾滴，此时的雾滴具有较高的速度，当与煤尘发生碰撞时，煤尘颗粒将会被雾滴颗粒所捕获，两个颗粒经过润湿和凝聚后，其质量增加，无法继续在空中漂浮，因重力作用而发生沉降。喷雾降尘影响因素较多，其中，起主要作用的为水的分散度、水的润湿特性、煤尘的湿润性以及雾滴与煤尘的相对运动速度，通过现场实测得出结论，雾滴粒径为10～15 μm时，降尘效果达到最优。

综掘机目前具有内外喷淋功能，外喷雾主要用于去除空气中的粉尘扩散，内喷头主要用于抑制综采机采煤过程中与煤壁接触产生粉尘。良好的内外喷淋设计可以有效降低综采区粉尘浓度。

2.3 泡沫降尘

我国的泡沫降尘技术研究始于20世纪80年代。煤科院上海研究所针对泡沫降尘机理开展了理论研究与实验分析，但并未广泛应用于实践。20世纪90年代后期，北京科技大学蒋仲安教授利用泡沫在胶带转载点及凿岩区域进行了降尘实验，发现泡沫相对于喷雾的降尘效果有显著提高，并且对呼吸性粉尘的抑制能力特别突出。

21世纪，中国矿业大学王德明教授研究了泡沫降尘理论与工程应用，呼吸性粉尘除尘效率达83.75%。经过多年发展，掘进工作面泡沫降尘系统的核心部件为发泡剂添加装置、泡沫发生装置、泡沫喷射装置3个部分。其中发泡剂添加装置中压力损失最大，其次是发泡器。现有泡沫喷头由于存在结构缺陷，泡沫量损失较大，射流形态难以控制。

3 结论

通过以上不同研究者针对综掘工作面产尘成因、粉尘扩散运移规律以及掘进工作面除尘技术措施研究内容的分析与总结，喷雾降尘与通风除尘相结合是井下综掘面最广泛使用的除尘手段，但也同样存在许多不足。

(1)压入式通风排尘作为当前掘进工作面使用最广泛的除尘手段，有诸多优点：操作简单，使用方便，成本相对较低。但由于受掘进面断面和风速控制的影响，工作面的粉尘浓度不能严格控制在矿山安全卫生标准范围内，导致掘进面整体除尘效率相较于其他工作面低，并由于其作业特点极易造成小范围二次污染。抽出式通风同样存在诸多问题，工作面送来的污风必须经过局部风机及其辅助设施。 如果不具备防爆功能或功能故障，则非常危险。

(2)目前除尘风机抽风量小，工作面排风时间长、速度慢，易导致瓦斯大的煤矿综采工作面瓦斯局部聚集；排气管是负压的，为了承受压力，必须做成刚性的或可伸缩的带刚性框架排气管，质量大，安装、拆卸不方便等。

(3)泡沫除尘措施，其设备复杂、化学试剂成本高，在掘进巷道的应用有非常大的局限性，很少应用于采掘工作面。而泡沫除尘器除尘技术由于降尘设备体积大、机动性弱等原因，这些降尘技术暂时难以广泛使用。

(4)针对目前煤矿掘进工作面除尘技术存在诸多问题，为进一步改善综采工作面工人的工作环境，降低粉尘浓度，针对掘进机驾驶员和转运点的粉尘污染问题，长压短抽混合通风技术是一种新的技术创新研究与探索思路。