軟煤層工作面煤塵分布規(guī)律及防治技術(shù)

景 霞

（山西大同同煤集團(tuán) 同家梁礦，山西 大同037025）

綜采工作面粉塵災(zāi)害問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外煤礦普遍具有的通病，尤其是隨著近年來(lái)開采機(jī)械化水平的提高，工作面粉塵災(zāi)害有愈發(fā)嚴(yán)重之勢(shì)。理論研究和開采實(shí)踐表明，綜采工作面煤塵對(duì)工作面正?；夭删哂休^大的影響，其因自身物理化學(xué)特性，在具有爆炸危險(xiǎn)性的同時(shí)，還會(huì)降低設(shè)備精度、壽命和作業(yè)空間可見度，此外若防護(hù)不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致作業(yè)人員患上塵肺病。對(duì)于大采高軟煤層工作面而言，煤質(zhì)松軟易碎，節(jié)理裂隙發(fā)育較高，在采煤過(guò)程中次生裂隙較多，且在地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和開采擾動(dòng)作用下，軟煤層綜采工作面煤塵濃度往往較普通工作面高，這樣會(huì)給煤塵治理工作帶來(lái)更大的困難。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，煤礦作業(yè)場(chǎng)所煤塵最高上限為10mg／m3，但是實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在開采大采高軟煤層工作面時(shí)煤塵濃度可達(dá)到2500mg／m3以上，特別是在拉架時(shí)甚至可達(dá)到7000mg／m3以上。因此，如何治理工作面煤塵是保障大采高軟煤層綜采工作面安全、高效的關(guān)鍵，現(xiàn)以某礦21031綜采工作面為例，進(jìn)行大采高軟煤層工作面降塵試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)工作面概況

21031工作面位于該礦井二水平下山采區(qū)，為該采區(qū)首采工作面，該工作面東部和北部為未開采的實(shí)體煤，南鄰DF23斷層，西接該下山采區(qū)回風(fēng)下山。該工作面所采煤層為山西組二1煤層，煤層厚度為3.2～4.8m，平均為3.6 m，煤層傾角為5°～18°，平均為7.5°，煤層可采系數(shù)為1，屬于穩(wěn)定可采厚煤層。21031工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)度和傾斜長(zhǎng)度分別為1203m和129m，煤層圍巖結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，巖性整體表現(xiàn)軟弱易碎，其中基本頂為均厚6.4m的砂質(zhì)泥巖－粗粒砂巖，直接頂為均厚3.2m的炭質(zhì)泥巖－砂質(zhì)泥巖，直接底為均厚2.1m的炭質(zhì)泥巖－泥巖。該工作面采用U型通風(fēng)方式，即由進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷回風(fēng)，兩回采巷道均采用U型鋼支護(hù)，切眼上、下端頭采用單體液壓支柱配合鉸接梁支護(hù)。根據(jù)工作面回采要求，工作面共安裝ZY4000－17／37型支架86臺(tái)，該型支架額定初撐力為3090kN，額定工作阻力為4000kN。

2 工作面煤塵分類和產(chǎn)塵機(jī)理研究

2.1 工作面粉塵分類

目前，將綜采工作面煤塵分為原生煤塵和次生煤塵兩類。原生煤塵是指在煤炭回采前，煤炭在形成過(guò)程中或受到其它力的作用時(shí)造成內(nèi)部產(chǎn)生許多裂隙，裂隙周圍的煤體破碎成細(xì)屑狀并存于裂隙中，當(dāng)這些裂隙隨著回采暴露于回采空間時(shí)便會(huì)釋放出來(lái)，這些釋放出來(lái)的煤塵便稱為原生煤塵；次生煤塵是指在工作面回采過(guò)程中，隨著割煤、放頂、打眼、爆破、落煤、裝煤、運(yùn)煤等工序產(chǎn)生的煤塵，次生煤塵是工作面的主要煤塵，約占工作面總粉塵量的80%以上，故工作面煤塵治理應(yīng)注重控制次生煤塵的產(chǎn)量。

2.2 工作面產(chǎn)塵機(jī)理

21031綜采工作面煤體松軟易碎，頂?shù)装鍑鷰r節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，工作面在回采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵?，F(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為，該工作面的粉塵主要來(lái)源是采煤機(jī)滾筒割煤和移架，現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)割煤和移架過(guò)程中產(chǎn)塵機(jī)理進(jìn)行分析：

（1）采煤機(jī)在綜采工作面割煤巖體時(shí)，煤巖體與截齒的接觸點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)力增加，一直達(dá)到煤巖體的應(yīng)力極限，這樣在接觸點(diǎn)煤巖體破碎產(chǎn)生大量的粉塵。煤體在接受應(yīng)力的過(guò)程中積累了大量的彈性勢(shì)能，在應(yīng)力破壞的那一剎那得到釋放，煤粉崩出。理論研究和開采實(shí)踐表明，影響煤塵產(chǎn)生與采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)及煤巖的物理性質(zhì)有關(guān)，在采掘過(guò)程中煤巖越脆，機(jī)械強(qiáng)度越低，破碎性越強(qiáng)，產(chǎn)塵量就越大。

（2）隨著采煤機(jī)的割煤，工作面不斷向前推移，同時(shí)支架也會(huì)不斷移動(dòng)，由于支架支撐的是工作面上方煤巖體，在工作面生產(chǎn)過(guò)程中，上部煤巖體已經(jīng)破碎，支架移動(dòng)會(huì)促使這一部分煤巖體進(jìn)一步破碎和拋落，從而產(chǎn)生大量的粉塵。同時(shí)，鑒于工作面圍巖質(zhì)軟易碎，在回采過(guò)程中偽頂和直接頂在采空區(qū)隨采隨冒，這樣造成大量的微細(xì)顆粒從支架間隙竄入到工作面回采作業(yè)空間，增大作業(yè)空間的粉塵濃度。

（3）21031工作面所采煤層強(qiáng)度較低，煤體堅(jiān)固性系數(shù)f＝0.3～0.8，且頂?shù)装鍨槟鄮r、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖，巖體質(zhì)弱易碎。這樣在采煤機(jī)回采和拉移支架過(guò)程中會(huì)致使煤壁煤體片落和端頭處冒落現(xiàn)象，冒落的煤體在砸向采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的微細(xì)粉塵。

（4）研究表明，硬度較低的煤，由于地質(zhì)運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生錯(cuò)位、斷裂，使得裂隙中存在大量的原生煤塵，這部分煤塵會(huì)在采煤機(jī)截割過(guò)程中和拉移支架時(shí)隨風(fēng)飛揚(yáng)，導(dǎo)致工作面粉塵濃度增大。

3 工作面粉塵分布特征

根據(jù)綜采工作面粉塵測(cè)定相關(guān)規(guī)定，確定21031工作面的粉塵采樣點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)該工作面粉塵濃度進(jìn)行測(cè)定。工作面測(cè)定條件的確定：21031工作面平均凈高為3.5m，風(fēng)速為2.4 m／s，通風(fēng)斷面為11.5m2，通風(fēng)量為1320m3／min，平均溫度為24.5℃。工作面粉塵測(cè)定方案的確定：根據(jù)21031工作面實(shí)際情況，在該工作面共布置7個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中1＃測(cè)站位于采煤機(jī)后滾筒－5m處，2＃測(cè)站位于采煤機(jī)司機(jī)處，3＃、4＃、5＃、6＃和7＃測(cè)站分別位于采煤機(jī)前滾筒＋10m、＋15m、＋25m、＋50m和＋80m處；其中1＃和3＃測(cè)點(diǎn)位于采煤機(jī)機(jī)道距離底板1.5m和0.5m處，2＃和4＃測(cè)點(diǎn)在行人道距離底板1.5m和0.5m處。

采用加權(quán)平均的方法測(cè)量工作面各測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度情況，具體見圖1、圖2。

圖1 工作面順風(fēng)噴霧呼吸性粉塵和全塵沿程濃度分布情況

圖2 工作面逆風(fēng)噴霧呼吸性粉塵和全塵沿程濃度分布情況

由圖1和圖2可知，工作面煤機(jī)在順風(fēng)割煤時(shí)，粉塵濃度由煤機(jī)后滾筒處隨著沿程的增加呈現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)，具體為在采煤機(jī)后滾筒－5m處至采煤機(jī)司機(jī)處逐漸降低，由采煤機(jī)司機(jī)處至前滾筒＋15m處逐漸升高，然后隨著沿程的增加逐漸降低直至趨于穩(wěn)定，在此過(guò)程中粉塵濃度在采煤機(jī)司機(jī)處出現(xiàn)一個(gè)低谷，在前滾筒＋15m處出現(xiàn)一個(gè)峰值；工作面在逆風(fēng)割煤時(shí)，粉塵濃度出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，具體為粉塵濃度由后滾筒－5m處至前滾筒＋10m處逐漸升高，并在此達(dá)到峰值，隨著沿程的增加，粉塵濃度呈降低趨勢(shì)，并逐漸趨于穩(wěn)定。

4 工作面粉塵治理實(shí)踐

21031綜采工作面所采煤層賦存穩(wěn)定性較差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤質(zhì)松軟易碎，該工作面頂?shù)装鍘r性復(fù)雜，主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖組成，工作面整體巖性強(qiáng)度較低。在受到煤巖體物理特性影響的基礎(chǔ)上，受到工程擾動(dòng)作用，該工作面在回采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。針對(duì)此問(wèn)題，礦井通過(guò)優(yōu)化通風(fēng)、加強(qiáng)煤層注水等傳統(tǒng)措施來(lái)治理粉塵，但效果并不明顯?？紤]到當(dāng)前粉塵治理技術(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)展，在借鑒兄弟礦井治理粉塵的基礎(chǔ)上，決定引用KHCG500型塵源跟蹤自動(dòng)灑水噴霧降塵系統(tǒng)對(duì)21031工作面進(jìn)行粉塵治理。

KHCG500型塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)治理粉塵應(yīng)用效果見表1，由表1可知，割煤處的全塵濃度由原來(lái)的659.6 mg／m3降低到62.1mg／m3，降塵效率達(dá)90.60%，呼吸性粉塵濃度由原來(lái)的586.3mg／m3降低到35.9mg／m3，降塵效率達(dá)93.88%。而整個(gè)工作面的全塵降塵效率大約在76%～91%之間，呼吸性粉塵降塵效率大約在69%～94%之間。可知，塵源跟蹤自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)的應(yīng)用可大幅度降低工作面的粉塵濃度，有效改善工作面的作業(yè)環(huán)境。

表1 綜采面逆風(fēng)割煤粉塵濃度、降塵效率測(cè)定結(jié)果單位：mg／m3

5 結(jié)語(yǔ)

煤塵是影響軟煤層綜采工作面安全、高效開采的重要因素，在采取措施治理工作面粉塵前應(yīng)根據(jù)工作面實(shí)際情況掌握產(chǎn)塵機(jī)理、影響降塵的主要因素和工作面粉塵分布規(guī)律，只有這樣才能有針對(duì)性的治理工作面粉塵。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，要認(rèn)識(shí)到新科技成果的重要性，要敢于利用新技術(shù)來(lái)進(jìn)行粉塵治理實(shí)踐，同時(shí)，還要注重煤層注水、安裝擋風(fēng)簾、加強(qiáng)噴霧、優(yōu)化通風(fēng)等傳統(tǒng)治理粉塵措施，只有采取綜合措施來(lái)治理粉塵，才能將軟煤層綜采工作面粉塵濃度控制到最佳水平。

〔1〕孫平勇，李洪彪.塵源跟蹤自動(dòng)灑水噴霧降塵系統(tǒng)在梨園礦的應(yīng)用〔J〕.煤炭技術(shù)，2014，33（4）：156－157.

〔2〕時(shí)訓(xùn)先，蔣仲安，周姝嫣，等.綜采工作面粉塵分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究〔J〕.煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（10）：1117－1121.

〔3〕王玉峰，崔子強(qiáng)，王向楠.三軟煤層工作面綜合防塵技術(shù)應(yīng)用〔J〕.中州煤炭，2013，（2）：66－68.

〔4〕許晉斌.大采高綜采工作面粉塵分布規(guī)律研究〔J〕.煤炭與化工，2013，36（8）：9－11.