高智军

（晋能控股煤业集团同发东周窑煤业有限公司，山西 左云 037100）

煤矿井下粉尘问题是威胁工人健康和企业安全生产的重要危险源之一[1]。长期在高浓度粉尘条件下工作会引发尘肺病，高浓度煤尘还可能导致煤尘、煤尘瓦斯爆炸。采煤工作面是煤矿井下主要产尘点之一，有些矿井的采煤工作面粉尘浓度最高可达3 000 mg/m3。由于采煤机两个滚筒分别截割上下部分煤体，其产尘状况比较复杂，粉尘治理难度也较大，因此需要通过对其产尘特性进行分析梳理，再提出相应的粉尘治理措施。

以晋能集团东周窑煤矿8206综采工作面为工程背景，重点分析采煤机顺风和逆风割煤条件下的粉尘运移、浓度扩散特性，拟定采用新式泡沫降尘和支架间负压二次喷雾降尘技术。从应用实际来看，粉尘治理取得了较好效果。

晋能集团东周窑煤矿位于山西大同市东周窑村，年产量10.00 Mt。8206工作面位于煤矿第5号煤层，采煤面煤层平均可采厚度为10.85 m，供风量1 780 m3/min，采用EickhoffSL500型双滚筒采煤机割煤。采煤机滚筒直径2.3 m、转速23 r/min、截深0.8 m。工作面倾向长231 m、走向长1 181 m。煤种为长焰煤。

综采工作面粉尘产生的主要源头是采煤机滚筒割煤。采煤机滚筒上安装有多个截齿，每个截齿碰撞到煤体上时会使煤体发生破碎，如图1所示，具体分为3个步骤[2]：①截齿齿尖和煤体接触，截齿施加的力被存储进煤体内部，以截齿接触部分发生的弹性形变存储起来。②截齿持续向煤体内部侵入，当截割力足够大时弹性形变区发生破碎形成密实的粉化核，同时截割力通过粉化核向煤体内部传递，在粉化核与煤体接触的边界处形成细微裂纹。③截齿持续侵入煤体，截割力和位移继续增加，粉化核边界与煤体接触的位置应力增加超过煤体的强度极限，煤体产生宏观裂纹发生破碎，大碎块煤体掉落后，粉化核释放崩出形成粉尘。

图1 截齿与煤体碰撞产生粉化核的过程

采煤工作面产尘的另一个源头是采煤机割煤后煤块掉落时产生的。如图2所示，图中采煤机滚筒向右移动割煤，主要依靠滚筒右半部分的截齿与煤壁相互作用使其破碎，因此滚筒截割产尘主要集中在右半部分，碎煤块和粉尘将从滚筒右侧和下侧（受重力作用）剥离开煤壁。当碎煤块掉落至底板时会发生碰撞再次产生粉尘，同时还会使得底板上的沉积粉尘再次飞扬起来。因此底板部位也是粉尘产生的主要源头，但该部分产生的粉尘主要因截割产尘没有被完全治理所致。

图2 采煤机截割产尘位置

粉尘产生后在空中运移主要受到工作面供风影响，而采煤面上的采煤机、液压支架等大型机械外形并不规整，容易使风流方向发生改变。为了明确风流场，对采煤机上风侧20 m及10 m、采煤机机身、下风侧10 m及20 m范围内的风速进行了测定，风流从采煤机机身到上风侧20 m处的风速相对比较均匀，平均风速为1.5 m/s；
从机身上风侧到机身下风侧之间风流受采煤机机身影响，风速逐渐增大，平均风速为2 m/s；
采煤机下风侧10～20 m范围内风速开始减小，直到20 m处风速与上风侧风速基本相同。可以看出，采煤机机身附近风速相对较快且比较紊乱，使得粉尘运移速度加快，会大量扩散至人行道采煤机司机处，因此需要对该段空气中存在的粉尘重点防治。

采煤机在工作面往返移动割煤时，会出现顺风割煤和逆风割煤两种运行方向。由于采煤机滚筒、摇臂、机身等形状不规整，两种条件下粉尘随风流的运动规律不尽相同，如图3所示。顺风割煤时，采煤机移动方向和风流方向相同，前滚筒位于下风向、后滚筒位于上风向，竖直位置上前滚筒位于上方后滚筒位于下方，因此前滚筒截割顶部煤体时产生的碎块和粉尘将直接随风流向下风侧运移；
后滚筒截割底板附近的煤体，产尘量较小，采煤机司机处的粉尘多数来自于液压支架移动过程中从顶板掉落的粉尘。逆风割煤时，前滚筒位于上风侧，截割顶部煤体破碎后产生的大量粉尘随风流向后方移动，但在运移过程中受滚筒和摇臂、机身等影响，部分粉尘将向司机处移动，污染人行道；
后滚筒位于下风侧，产生的粉尘直接随风流飘散到下风侧，对人行道处影响较小。

图3 粉尘随气流运移

为了分析采煤面粉尘扩散规律，采用CCZ-1000直读式测尘仪进行粉尘浓度测定。在司机顺风割煤和逆风割煤的条件下分别测定了采煤机机身处、距离采煤机上风侧10 m和20 m处、采煤机下风侧10 m、20 m、30 m和40 m处的粉尘浓度值，如图4所示。图中横坐标中0点为采煤机所在位置，负值表示采煤机上风向，正值表示采煤机下风向。从图4可以看出，当逆风割煤时采煤机机身下风侧5 m附近粉尘浓度最高达1 582 mg/m3，采煤机上风侧5 m处依然能够检测到较多粉尘存在，大部分来自前滚筒截割时向前抛撒的碎煤块、粉尘；
此外，前滚筒前方煤体垮落严重，破碎煤体掉落至底板后还会产生扬尘。顺风割煤时粉尘浓度最高达1 595.2 mg/m3，与逆风割煤状态差异并不明显，采煤机上风侧粉尘浓度很低，检测到的粉尘浓度多数来自巷道风流中自带的悬浮颗粒，粉尘大都分布在采煤机机身下风侧。在采煤机下风侧15 m以后顺风和逆风割煤时粉尘浓度比较近似。

图4 采煤面粉尘浓度分布

1）防尘措施。为了高效治理采煤机割煤产生的粉尘，拟定采用新式泡沫除尘技术。所采用的泡沫润湿性高、粘附性好、对滚筒包裹性强，因此对粉尘的治理效果优于喷雾除尘[3]。

泡沫除尘装备在采煤面上的应用如图5所示。由于采煤面条件限制，无法向采煤机机身上再额外安装压风管路，因此将发泡器放置于进风巷中，在进风巷完成发泡后利用管路直接将泡沫运送至采煤机上的喷头中。如图6所示，将喷头固定在滚筒摇臂上，由于采煤机顺风、逆风割煤时滚筒上下位置会发生改变，因此固定在摇臂上喷头的可以随之摆动，能够始终将泡沫直接喷射到滚筒周围，实现源头降尘。

图5 采煤机泡沫降尘装置布置

图6 泡沫喷头安装

根据上述分析，粉尘可能会随着风流扩散至人行道司机处，因此在液压支架前侧安装负压二次喷雾降尘装置，如图7所示。雾滴向采煤面方向喷射，用于治理从煤壁飘散向人行道处的粉尘，负压吸尘装置开口朝向人行道处，可以引射含尘气流，使粉尘颗粒与喷雾碰撞润湿，进而实现再次降尘的效果。负压二次喷雾降尘装置每隔两台支架安装一个，开启和关闭与采煤机所在位置相联动，采煤机前后两台支架处的喷雾装置为开启状态，远处的喷雾装置自动关闭。

图7 支架间负压二次喷雾降尘装置

2）治理效果。在采煤机下风侧5 m处和采煤面与回风巷的交界处布置两个测尘点，采用CCZ-1000直读式测尘仪测定粉尘浓度，每次测定时利用两台测尘仪分别测量全尘和呼尘浓度。降尘效率根据下列公式计算[4]。

式中：μ为降尘效率，%；
c0为粉尘在未采用任何降尘手段条件下的浓度，mg/m3；
c1为使用了降尘技术以后的粉尘浓度，mg/m3。

根据表1中的测尘数据可以看出，采煤机下风侧5 m处原始总粉尘平均浓度高达1 595 mg/m3，呼吸性粉尘平均浓度高达656 mg/m3。使用泡沫降尘技术治理后，全尘的平均浓度降低到155 mg/m3，呼尘被降低至61 mg/m3，降尘率均达到了90%以上。采用泡沫降尘后，采煤面与回风巷交界处全尘平均浓度从614 mg/m3降到了 58 mg/m3，降尘率达到90%；
呼尘平均浓度从308 mg/m3降低至30.3 mg/m3，降尘率同样达到了90%。

表1 顺风割煤时各测尘点粉尘浓度

1）8206综采工作面风流从采煤机机身到上风侧20 m处的风速比较均匀，从机身上风侧到机身下风侧之间风速逐渐增大，采煤机下风侧10～20 m范围内风速开始减小。

2）逆风割煤时采煤机机身下风侧5 m附近粉尘浓度最高达1 582 mg/m3，顺风割煤时粉尘浓度最高达1 595.2 mg/m3。

3）采用泡沫降尘和支架间负压二次喷雾降尘技术后，呼吸性粉尘和全尘的降尘率均达到了90%以上。

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