司俊鴻，邵意添，鄭凱凱，王乙橋，盧 云，李 林

(1. 華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司玉華煤礦，陜西 銅川 727000)

0 引言

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)公布的全國(guó)職業(yè)病報(bào)告顯示，塵肺病目前仍是我國(guó)最主要的職業(yè)病，其中煤工塵肺和矽肺仍是塵肺病的主要呈現(xiàn)[1]。此外，煤塵還具有爆炸性，會(huì)降低工作現(xiàn)場(chǎng)的能見(jiàn)度、增加機(jī)械的磨損率、降低現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用壽命[2]。因此，研究綜采工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律，可以幫助企業(yè)有效的選擇粉塵防治技術(shù)，從而降低工作現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度，對(duì)于保證井下工人身心健康及礦井安全高效生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)對(duì)于綜采工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律的研究，主要是借助Fluent數(shù)值模擬軟件，建立工作面模型進(jìn)行模擬研究，以及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行研究，王建國(guó)[3]基于Fluent并建立了氣-固兩相流的粉塵運(yùn)移數(shù)學(xué)和物理模型，研究了風(fēng)流運(yùn)動(dòng)和粉塵運(yùn)移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了粉塵濃度最大處為前后滾筒附近及后滾筒下風(fēng)向10 m左右靠近煤壁一側(cè)區(qū)域；宋淑鄭[4]依據(jù)氣固兩相流理論，運(yùn)用Fluent對(duì)粉塵濃度逸散規(guī)律做出了研究，得到了粉塵質(zhì)量濃度在移架產(chǎn)塵點(diǎn)下風(fēng)側(cè)12 m附近達(dá)到最大的結(jié)論；蔣仲安[5]通過(guò)分析風(fēng)速對(duì)綜采工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)在一定風(fēng)速范圍內(nèi),隨著風(fēng)速的增大,綜采工作面的平均粉塵質(zhì)量濃度會(huì)逐漸減?。获R威[6]通過(guò)分析采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵特點(diǎn)，建立離散相數(shù)學(xué)模型模擬研究不同風(fēng)速下逆風(fēng)割煤時(shí)前滾筒垮落產(chǎn)塵時(shí)粉塵濃度的分布，得到高風(fēng)速綜采面采煤機(jī)產(chǎn)塵的運(yùn)移規(guī)律；譚聰[7]研究了影響綜采面粉塵質(zhì)量濃度分布的重要因素，如工作面風(fēng)速、采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速、溜子速度以及壁面條件；王明[8]根據(jù)氣固兩相流運(yùn)動(dòng)方程及相似原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)工作面平均風(fēng)速在1.5～2.5 m/s時(shí)，最有利于粉塵的排除和沉降，并且工作面粉塵濃度會(huì)隨著采煤高度的增加而增加。秦翥[9]通過(guò)分析煤在轉(zhuǎn)載點(diǎn)運(yùn)輸過(guò)程中形成的誘導(dǎo)氣流、剪切氣流和牽引氣流對(duì)粉塵析出的影響，得到了轉(zhuǎn)載點(diǎn)出口處粉塵濃度隨轉(zhuǎn)載點(diǎn)傾角的變大而增加，隨轉(zhuǎn)載點(diǎn)截面積的變大而降低的結(jié)論。聶百勝[10]通過(guò)對(duì)煤礦綜采工作面PM2.5粉塵濃度分布規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)了工作面PM10和PM2.5粉塵占全塵比例較高且變化波動(dòng)較大，主要是由于風(fēng)流劇烈的變化和不同的設(shè)施設(shè)備的影響。雷猛[11]根據(jù)工作面在不同時(shí)間尺度和空間的結(jié)合下，探究了綜采面粉塵運(yùn)移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著產(chǎn)塵從20 s延長(zhǎng)至80 s后，前滾筒截割塵流涌入人行道及架前的距離縮短至6.2 m、2.1 m；后滾筒截割塵流基本覆蓋架前全斷面空間。為了更直接有效的研究柴家溝井42222綜采工作面的粉塵分布狀況及運(yùn)移規(guī)律，運(yùn)用粉塵質(zhì)量濃度測(cè)試方法對(duì)采煤機(jī)在順風(fēng)、逆風(fēng)兩種狀態(tài)下的粉塵濃度進(jìn)行測(cè)定，分析得出42222綜采工作面采煤機(jī)在工作時(shí)的粉塵運(yùn)移規(guī)律，為柴家溝井42222綜采工作面粉塵防治技術(shù)的選擇提供依據(jù)。

1 工作面概況

選取陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司玉華煤礦柴家溝井42222綜采工作面作為研究對(duì)象。該工作面為U型通風(fēng)方式，傾向長(zhǎng)度165 m，回風(fēng)順槽長(zhǎng)1688 m，巷道為矩形斷面，高2.9 m，寬4.6 m，斷面積13.34 m2。運(yùn)輸順槽長(zhǎng)1687 m，巷道為矩形斷面，高2.9 m，寬5.0 m，斷面積14.5m2。采用傾斜長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤方法開(kāi)采，全部垮落法管理頂板。煤層厚度3.6～13.6 m，平均厚8.3 m，工作面采用端部斜切進(jìn)刀，雙向割煤。

2 粉塵濃度測(cè)定方法

本次研究測(cè)定方法選用質(zhì)量法，采用AKFC-92A型粉塵濃度采樣器，針對(duì)全塵(總粉塵)的測(cè)定，配套使用全塵式預(yù)捕集器(全塵采樣頭)；針對(duì)呼吸性粉塵，配套使用沖擊式預(yù)捕集器(呼塵采樣頭)，在進(jìn)入礦井工作面實(shí)際測(cè)試前，已在呼吸性粉塵采樣頭的前端均勻涂抹硅油，以防止大顆粒粉塵進(jìn)入濾膜干擾測(cè)試結(jié)果。其中，全塵指的是可以進(jìn)入整個(gè)呼吸道，包括鼻、咽、喉、胸腔支氣管、細(xì)支氣管和肺泡的大粉塵。呼吸性粉塵指的是可以通過(guò)呼吸直接進(jìn)入肺部且粒徑小于7微米的細(xì)微粉塵，能長(zhǎng)期沉積于肺泡，對(duì)人體危害極大。具體計(jì)算如公式(1)所示。

(1)

式中，C為粉塵濃度，mg/m3；m1為采樣前濾膜質(zhì)量，g；m2為采樣前濾膜質(zhì)量，g；Q為采樣流量，L/min；T為采樣時(shí)間，min。

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

為了更好地了解柴家溝井42222綜采工作面在生產(chǎn)過(guò)程中的粉塵運(yùn)移規(guī)律，根據(jù)GB5748—85《作業(yè)場(chǎng)所空氣中粉塵測(cè)定方法》和MT79-84《粉塵濃度和分散度測(cè)定方法》等技術(shù)規(guī)范對(duì)工作面粉塵濃度分布情況進(jìn)行測(cè)定。

根據(jù)工作面雙向割煤的回采工藝，需要把粉塵測(cè)定分為兩種情況，即測(cè)定采煤機(jī)在順風(fēng)割煤時(shí)的粉塵濃度以及采煤機(jī)在逆風(fēng)割煤時(shí)的粉塵濃度。

在采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)設(shè)置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)高度在呼吸帶高度附近(1.5 m左右)，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖1所示。1號(hào)測(cè)點(diǎn)為采煤機(jī)后滾筒距進(jìn)風(fēng)巷10 m處，2號(hào)測(cè)點(diǎn)為采煤機(jī)后滾筒附近，3號(hào)測(cè)點(diǎn)為采煤機(jī)后滾筒靠近司機(jī)處，4號(hào)測(cè)點(diǎn)為采煤機(jī)司機(jī)處，5號(hào)測(cè)點(diǎn)為采煤機(jī)前滾筒靠近司機(jī)處，6號(hào)測(cè)點(diǎn)為采煤機(jī)前滾筒附近，7號(hào)測(cè)點(diǎn)為采煤機(jī)前滾筒10 m處，8號(hào)測(cè)點(diǎn)為采煤機(jī)前滾筒30 m處。

在采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)，柴家溝井42222綜采工作面粉塵測(cè)點(diǎn)布置位置與順風(fēng)割煤時(shí)測(cè)點(diǎn)布置位置相同，僅是采煤機(jī)前后滾筒位置發(fā)生了互換，如圖2所示。

圖1 采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)測(cè)點(diǎn)布置

圖2 采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 測(cè)定方法

將準(zhǔn)備好的一定數(shù)量的直徑分別為40 mm和75 mm的濾膜干燥后并稱重，記作m1，做好標(biāo)記，帶到井下42222綜采工作面指定地點(diǎn)，將粉塵采樣器高度控制在1.5 m左右的位置，使采樣頭對(duì)準(zhǔn)風(fēng)流吹來(lái)的方向，將采樣時(shí)間預(yù)設(shè)為2 min，流量為20 mL/min，在采煤機(jī)工作一段時(shí)間，等巷道內(nèi)粉塵分布均勻，達(dá)到正常工作時(shí)巷道內(nèi)的粉塵濃度時(shí)，再開(kāi)啟粉塵采樣器，進(jìn)行粉塵采樣。采樣完畢后，需將濾膜保存好帶回實(shí)驗(yàn)室干燥并稱重，記為m2。根據(jù)公式(1)計(jì)算出采煤機(jī)在順風(fēng)、逆風(fēng)割煤時(shí)的粉塵濃度，研究粉塵運(yùn)移規(guī)律。

為了能夠得到井下更準(zhǔn)確的粉塵濃度數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)分別在不同時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行了三次采樣，最后取平均值，得到粉塵濃度。

3 粉塵濃度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.1 順風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度及分析

當(dāng)采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)，測(cè)得的各點(diǎn)粉塵濃度如表1所示。

根據(jù)表1，將1號(hào)測(cè)點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，風(fēng)流方向(順風(fēng))為x軸正方向，得到42222綜采工作面采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度分布圖，如圖3所示。

表1 采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)滾筒區(qū)域附近粉塵濃度

由圖3可知采煤機(jī)在順風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度規(guī)律如下：

(1) 全塵和呼塵剛開(kāi)始濃度相對(duì)不大，說(shuō)明受綜采工作面風(fēng)流場(chǎng)的影響，粉塵在此處的擴(kuò)散運(yùn)移較慢。

(2) 沿著順風(fēng)方向，至采煤機(jī)后滾筒靠近司機(jī)處，隨著風(fēng)流擴(kuò)散的作用和采煤機(jī)割煤時(shí)所產(chǎn)生的大量粉塵，粉塵濃度明顯逐漸上升，全塵濃度達(dá)到442.3 mg/m3，呼塵濃度達(dá)到123 mg/m3。

(3) 在采煤機(jī)司機(jī)處，粉塵濃度相較于兩側(cè)滾筒來(lái)說(shuō)是最低的，這是因?yàn)椴擅簷C(jī)割煤產(chǎn)生的粉塵還沒(méi)有完全擴(kuò)散至1.5 m高度處。當(dāng)過(guò)了司機(jī)處后粉塵濃度快速升高，直到采煤機(jī)前滾筒10 m處的位置粉塵濃度達(dá)到最高，全塵可達(dá)到579.4 mg/m3，呼塵達(dá)到了148.9 mg/m3，這是因?yàn)樵诠ぷ髅骘L(fēng)流場(chǎng)和采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的共同作用下，割煤產(chǎn)生的粉塵不斷擴(kuò)散，導(dǎo)致采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)粉塵濃度迅速升高。

(4) 在達(dá)到最高值后，因?yàn)榉蹓m的擴(kuò)散和沉降，全塵和呼塵的粉塵濃度會(huì)開(kāi)始下降。

(5) 采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)，前滾筒附近的粉塵濃度高于后滾筒附近對(duì)應(yīng)點(diǎn)的粉塵濃度，這是因?yàn)楹鬂L筒割煤所產(chǎn)生的粉塵會(huì)隨著風(fēng)流擴(kuò)散到前滾筒，再加上前滾筒產(chǎn)生的粉塵，導(dǎo)致粉塵濃度會(huì)更高。

3.2 逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度及分析

當(dāng)采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)，測(cè)得的各點(diǎn)粉塵濃度如表2所示。

根據(jù)表2，將1號(hào)測(cè)點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，風(fēng)流方向(逆風(fēng))為x軸正方向，得到柴家溝井42222綜采工作面采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度分布圖，如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度分布圖

由圖4可知采煤機(jī)在逆風(fēng)割煤時(shí)粉塵濃度規(guī)律如下：

(1) 采煤機(jī)在逆風(fēng)割煤時(shí)，測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度分布狀況與順風(fēng)割煤時(shí)大致相同。

(2) 逆風(fēng)割煤時(shí)，全塵和呼塵濃度由前滾筒處向下風(fēng)側(cè)逐漸升高，到達(dá)采煤機(jī)前滾筒靠近司機(jī)處位置時(shí)開(kāi)始平緩下降，說(shuō)明粉塵擴(kuò)散下降，受到工作面風(fēng)流場(chǎng)影響。

(3) 在采煤機(jī)后滾筒靠近司機(jī)處粉塵濃度開(kāi)始上升，到采煤機(jī)后滾筒10 m處粉塵濃度達(dá)到最大，全塵最大為615.6 mg/m3，呼塵最大為178.4 mg/m3。之后粉塵濃度迅速下降。

由上述結(jié)果分析可知，采煤機(jī)無(wú)論是順風(fēng)割煤還是逆風(fēng)割煤，采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)都是粉塵濃度最高的區(qū)域。它大致在下風(fēng)側(cè)10 m處。在工作面風(fēng)流場(chǎng)的影響下與采煤機(jī)距離的增加，全塵和呼塵的粉塵濃度都有所下降。因此，在井下采煤機(jī)割煤時(shí)下風(fēng)側(cè)是產(chǎn)塵的主要區(qū)域。

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)過(guò)對(duì)綜采工作面粉塵濃度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出，粉塵濃度的最高點(diǎn)是在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)的滾筒10 m處位置，全塵和呼塵的粉塵濃度分別在采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)達(dá)到了579.4 mg/m3和148.9 mg/m3；逆風(fēng)割煤時(shí)達(dá)到了615.6 mg/m3和178.4 mg/m3。由此可以發(fā)現(xiàn)，逆風(fēng)割煤時(shí)后滾筒的粉塵濃度要大于順風(fēng)割煤時(shí)前滾筒的粉塵濃度。

(2) 通過(guò)測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度分析，得到由進(jìn)風(fēng)到回風(fēng)綜采工作面的粉塵濃度分布趨勢(shì)是進(jìn)風(fēng)巷道粉塵量比較小，總體粉塵濃度低。在進(jìn)入采煤機(jī)附近區(qū)域時(shí)，由于采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)塵比較大，粉塵濃度急劇升高。由于粉塵沒(méi)能完全擴(kuò)散至1.5 m高度，在采煤機(jī)中心附近粉塵濃度有一定降低。在進(jìn)入采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)滾筒區(qū)域粉塵濃度又有所升高，最后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這對(duì)采煤機(jī)截割部采取粉塵防治措施具有指導(dǎo)意義。

(3) 經(jīng)分析得出，采煤機(jī)滾筒處是主要塵源，工作面全塵和呼塵的粉塵濃度遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，急需防治。本文的研究為柴家溝井42222綜采工作面的粉塵防治提供了理論基礎(chǔ)。在采煤機(jī)滾筒周圍采取降塵措施，配合抑塵劑能夠達(dá)到較好的降塵效果。