王存飛

(神華神東煤炭集團有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

當前我國煤礦安全生產(chǎn)狀況明顯好轉(zhuǎn)，但煤礦塵肺職業(yè)危害上升的趨勢未得到有效遏制，誘發(fā)的塵肺病報告病例數(shù)逐年增加；同時高濃度的粉塵造成了視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)采集困難、信號弱且圖像極不清晰等問題，影響了各類自動化系統(tǒng)監(jiān)測、傳輸及控制的可靠性和穩(wěn)定性[1-4]。煤礦綜采工作面粉塵危害主要表現(xiàn)為誘發(fā)塵肺病和降低綜采工作面可視化程度。目前大采高綜采技術(shù)是實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)向集約、高效、安全發(fā)展的必然趨勢[5]，已經(jīng)在我國神東、陜北等大型煤炭基地普遍推行，特別是8 m大采高綜采技術(shù)的應(yīng)用極大地提升了綜采工作面的機械化程度和開采強度，生產(chǎn)效率得到提升的同時也使綜采工作面的粉塵問題日益突出，亟待有效治理。目前國外沒有類似8 m大采高綜采工作面，無此類粉塵治理經(jīng)驗可循；國內(nèi)也是近幾年才出現(xiàn)，基礎(chǔ)理論研究較少，無相應(yīng)的理論與技術(shù)支撐，多數(shù)研究以風流分布規(guī)律[6-9]為主，粉塵治理缺乏針對性。針對該問題，筆者對8 m大采高綜采工作面作業(yè)區(qū)域的粉塵進行溯源研究，可為綜采工作面的粉塵有效治理提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 大采高綜采工作面工藝及產(chǎn)塵擴散特點

相較于一般的綜采工作面，大采高綜采工作面具有特有的工藝及產(chǎn)塵特點。以神東公司補連塔煤礦12513大采高綜采工作面為例，工作面最大采高8.0 m，采用傾斜長壁后退式一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)的綜合機械化采煤法，同時采用端頭斜切進刀、割煤、移架、推移刮板輸送機的作業(yè)方式，前滾筒割頂煤、后滾筒割底煤，雙向割煤，往返一次割2刀的循環(huán)方式，以及追機移架方式對頂板進行及時支護，滯后采煤機前滾筒2～3架拉架，如圖1(a)所示(實心箭頭為風流方向，空心箭頭為采煤機行走方向，兩方向相同時稱為順風，反之則稱為逆風)。而一般的綜采工作面雖然采煤方法和作業(yè)方式相同，采煤機僅在逆風行走時割頂煤，順風時掃底，往返一次割1刀煤，如圖1(b)所示。

(a)大采高綜采工作面生產(chǎn)工藝

除此之外，大采高綜采工作面的人員在液壓支架立柱內(nèi)側(cè)作業(yè)，而一般的綜采工作面人員多在液壓支架立柱外側(cè)作業(yè)，雖然人員作業(yè)區(qū)域的粉塵均是來自源于采煤機割煤和降柱移架兩個主要塵源，但粉塵擴散路徑存在較大差異。大采高綜采工作面人員作業(yè)區(qū)域的粉塵一部分是降柱移架時掩護梁處高位灑落的粉塵擴散而來，一部分是采煤機割煤產(chǎn)生的粉塵繞流支架立柱擴散而來，如圖2(a)所示；而一般綜采工作面人員作業(yè)區(qū)域的粉塵一部分是采煤機割煤產(chǎn)生的粉塵擴散而來，一部分是降柱移架產(chǎn)生粉塵繞流支架立柱擴散而來，如圖2(b)所示。粉塵擴散路徑的不同直接影響著作業(yè)區(qū)域的粉塵來源占比，決定了綜采工作面的治理難點與重點。現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，大采高綜采工作面人員作業(yè)區(qū)域的粉塵多來源于降柱移架，而一般綜采工作面人員作業(yè)區(qū)域的粉塵多來自采煤機割煤，但未具體量化。因此，開展8 m大采高綜采工作面人員作業(yè)區(qū)域的粉塵溯源研究，對其粉塵的針對性治理具有極其重要的指導(dǎo)意義。

圖2 大采高綜采工作面和一般綜采工作面人員作業(yè)區(qū)域粉塵擴散路徑

2 粉塵運移規(guī)律的數(shù)值模擬

2.1 簡化物理模型的建立及參數(shù)設(shè)置

基于補連塔煤礦12513大采高綜采工作面建立簡化物理模型，設(shè)置采煤機滾筒及降柱移架掩護梁位置為塵源點，模型及其參數(shù)如圖3和表1所示。設(shè)置入口邊界條件設(shè)為1.0 m/s，選取標準k-ε雙方程湍流模型和DPM離散相模型進行計算[8-11]，參數(shù)設(shè)置見表2。

(a)逆風割煤工況 (b)順風割煤工況

表1 模型參數(shù)

表2 DPM模型參數(shù)設(shè)置

2.2 單一塵源作用時人員作業(yè)區(qū)域呼吸塵分布

基于上述計算模型和參數(shù)設(shè)置，首先對采煤機割煤、降柱移架兩個主要塵源單獨作用時的粉塵濃度分布進行計算。采煤機順風割煤時，下風側(cè)滾筒割頂煤，上風側(cè)滾筒割底煤，而采煤機逆風割煤時，上風側(cè)滾筒割頂煤，下風側(cè)滾筒割底煤，工況差異性較大，在單一塵源作用條件下需分別計算。而降柱移架塵源一般在采煤機中部位置，順風和逆風割煤時擴散基本相同，僅計算順風割煤時降柱移架的粉塵運移情況，最終得到3種不同工況條件下平行于工作面底板方向的截面上的粉塵質(zhì)量濃度分布，如圖4 所示。

(a)采煤機逆風割煤時單一塵源

由圖4可知，順風和逆風割煤兩種工況條件下，采煤機滾筒割煤產(chǎn)生的粉塵絕大部分是在立柱前隨風流向下風側(cè)運移，小部分向人行道一側(cè)擴散；降柱移架產(chǎn)生的粉塵多是隨風流沿支架頂梁和掩護梁內(nèi)壁向下運移，單一作用時擴散影響范圍遠大于采煤機滾筒割煤的影響范圍[12-16]。此外，3種工況時，采煤機附近人員作業(yè)區(qū)域范圍內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度要遠低于采煤機下風側(cè)區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度。

采煤機附近人員作業(yè)區(qū)域呼吸帶(模型中y=10～50 m，x=2.5 m，z=2.85 m直線)粉塵質(zhì)量濃度分布如圖5所示。

圖5 單一塵源作用時采煤機附近人員作業(yè)區(qū)域呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度分布圖

由圖5可知，采煤機附近人員作業(yè)區(qū)域呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度均在150 mg/m3以下，采煤機逆風割煤時單一塵源產(chǎn)生的粉塵是從y=25 m位置逐漸向人行道擴散，擴散較慢；采煤機順風割煤時，單一塵源產(chǎn)生的粉塵是從y=30 m位置逐漸向人行道擴散，擴散相對較快，在y=40 m位置能達到130 mg/m3左右；而降柱移架單一塵源產(chǎn)生的粉塵質(zhì)量濃度則是在y=35 m位置達到最高值，約為90 mg/m3，有先下降后上升的變化趨勢。

2.3 兩個塵源共同作用時人員作業(yè)區(qū)域呼吸性粉塵分布

在上述計算的基礎(chǔ)上，對采煤機割煤、降柱移架兩個主要塵源共同作用時的粉塵質(zhì)量濃度分布進行計算，得到逆風、順風割煤兩種工況時平行于工作面底板方向的截面上的粉塵質(zhì)量濃度分布，如圖6 所示。

(a)逆風割煤工況

圖6中逆風、順風割煤兩種工況時，采煤機滾筒割煤產(chǎn)生的粉塵隨風流沿煤壁一側(cè)向下風側(cè)運移，降柱移架產(chǎn)生的粉塵隨風流沿支架一側(cè)向下風側(cè)運移，并在y=70 m位置匯合，進而彌漫在整個人行道作業(yè)區(qū)域，且逆風割煤兩個塵源產(chǎn)生的粉塵匯合后的影響范圍要明顯大于順風割煤。

采煤機附近人員作業(yè)區(qū)域呼吸帶(模型中y=10～50 m，x=2.5 m，z=2.85 m直線)粉塵質(zhì)量濃度分布如圖7所示。

圖7 兩個塵源共同作用時采煤機附近人員作業(yè)區(qū)域呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度分布圖

由圖7可知，在兩個塵源共同作用時，順風割煤和逆風割煤兩種工況條件下，采煤機附近人員作業(yè)區(qū)域內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度均從y=28 m位置開始急劇增大，并在y=35 m位置達到最高值。逆風、順風割煤兩種工況條件下的呼吸性粉塵質(zhì)量濃度最高分別為120.0、223.8 mg/m3左右。

3 粉塵運移規(guī)律的現(xiàn)場測試

為進一步掌握8 m大采高綜采工作面的粉塵運移規(guī)律，在補連塔煤礦12513大采高綜采工作面對人行道一側(cè)的呼吸性粉塵質(zhì)量濃度進行現(xiàn)場測試，測點布置如圖8所示。

(a)順風割煤

為得到更加準確的測試數(shù)據(jù)，首先安排采煤機暫停割煤作業(yè)，只進行降柱移架操作，并安排多人同時進行測塵得到降柱移架時人員作業(yè)區(qū)域呼吸帶高度處的呼吸性粉塵質(zhì)量濃度，再暫停降柱移架作業(yè)，多人同時測塵得到順風和逆風割煤兩種工況條件下人員作業(yè)區(qū)域呼吸帶高度處的呼吸性粉塵質(zhì)量濃度，測試結(jié)果見圖9。

(a)順風割煤

由圖9可以看出，液壓支架降柱移架單一塵源作用時，在降柱移架塵源點(采煤機中部，橫坐標 35 m 處)下風側(cè)5 m位置人員呼吸帶的粉塵質(zhì)量濃度(90.7 mg/m3)最大，經(jīng)過一段時間的沉降后在塵源點下風側(cè)40 m(橫坐標75 m處)降低至20 mg/m3，最終進入到回風巷。順風割煤時，采煤機割煤塵源單一作用時，擴散至人行道空間最高呼吸性粉塵質(zhì)量濃度為111.6 mg/m3，在機尾10 m處采煤機割煤和降柱移架兩個塵源共同作用時人行道最高呼吸性粉塵質(zhì)量濃度為203.8 mg/m3，在煤機中部位置。逆風割煤時，采煤機割煤塵源單獨作用時，擴散至人行道空間最高呼吸性粉塵質(zhì)量濃度為71.7 mg/m3，在采煤機中部位置，兩個塵源共同作用時人行道最高呼吸性粉塵質(zhì)量濃度為118.3 mg/m3。

4 人員作業(yè)區(qū)域粉塵來源占比分析

為進一步驗證數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)真實性，在采煤機割煤和降柱移架兩個塵源共同作用工況條件下，對采煤機附近人員作業(yè)區(qū)域呼吸帶高度上的粉塵質(zhì)量濃度進行對比，結(jié)果如圖10所示。

(a)順風割煤

由圖10可見，數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測得到的采煤機附近人員作業(yè)區(qū)域呼吸性粉塵質(zhì)量濃度基本相同，能夠較好地反映8 m大采高綜采工作面采煤機附近的粉塵污染情況。采煤機順風割煤時，人行道區(qū)域內(nèi)呼吸性粉塵質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在采煤機中部，為203.8 mg/m3，其中降柱移架產(chǎn)生的呼性性粉塵質(zhì)量濃度為90.7 mg/m3，占比約為44.50%；采煤機逆風割煤時，人行道區(qū)域內(nèi)呼吸性粉塵質(zhì)量濃度最高點也位于采煤機中部，為118.3 mg/m3，其中降柱移架產(chǎn)生的呼吸性粉塵質(zhì)量濃度為90.7 mg/m3，占比約為76.69%。

5 結(jié)論

1)由數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結(jié)果可知，8 m大采高綜采工作面順風割煤、逆風割煤兩種工況時，采煤機滾筒割煤產(chǎn)生的粉塵絕大部分是在立柱前隨風流向下運移，小部分逐漸向人行道一側(cè)擴散；降柱移架產(chǎn)生的粉塵多是隨風流沿人行道一側(cè)向下運移，并在采煤機下風側(cè)匯合，降柱移架塵源單一作用時擴散影響的范圍要遠大于采煤機割煤塵源單一作用時的影響范圍。

2)數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的結(jié)果基本相同，8 m大采高綜采工作面順風、逆風割煤兩種工況時，在兩個塵源共同作用下，人行道呼吸性粉塵最高質(zhì)量濃度出現(xiàn)在采煤機中部位置，分別為203.8、111.6 mg/m3，此處降柱移架產(chǎn)生的粉塵質(zhì)量濃度為90.7 mg/m3，占比分別為44.50%、76.69%，與一般采高綜采工作面具有顯著的不同。因此，在大采高綜采工作面粉塵防治時要重點開展對降柱移架塵源的治理。