成莊礦綜掘工作面可吸入煤塵粒徑大小研究

任大鵬

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司成莊礦，山西 晉城 048000）

井下生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的煤塵,煤塵不僅對礦井本身安全產(chǎn)生巨大威脅,而且對井下工作人員身體產(chǎn)生直接危害，會(huì)產(chǎn)生塵肺病，尤其是在綜掘工作面，懸浮的煤塵濃度可達(dá)2000～5000mg/m3（最高時(shí)可達(dá)到8000mg/m3）[1-2]。因此，研究綜掘工作面煤塵產(chǎn)生的機(jī)理以及確定可吸入煤塵粒徑大小，對預(yù)防煤塵事故、保障職工身體健康具有重要意義。

成莊礦位于沁水煤田南翼,始建于1997年，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0Mt/a，于2000年達(dá)產(chǎn)，該礦井為綜合機(jī)械化采煤的現(xiàn)代化礦井。成莊礦23231綜采工作面的煤層賦存情況為：開采煤層厚度5.9～6.3m，煤層平均厚度6.0m，傾角小于3°，為近水平煤層，煤質(zhì)以鏡煤為主，玻璃光澤，形狀為條帶狀，該工作面的直接頂板以泥巖為主，平均厚度4.22m，深灰色，裂隙較為發(fā)育，老頂以中粒砂巖為主，平均厚度為11.30m，斜層理發(fā)育，老頂上部存在粉砂巖及細(xì)砂巖，底板以泥巖及砂質(zhì)泥巖互層為主，平均厚度為9.58m，中部夾雜細(xì)砂巖。

1 煤塵產(chǎn)生機(jī)理

1.1 煤塵產(chǎn)生的力學(xué)分析

成莊礦23231綜掘工作面生產(chǎn)過程中，隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，由于截齒與煤體不斷的作用，與截齒相接觸的煤體發(fā)生破碎，周圍的煤體發(fā)生破裂，產(chǎn)生裂隙，當(dāng)煤體裂隙擴(kuò)散到一定程度（超過極限應(yīng)力平衡狀態(tài)）垮落時(shí)，能量瞬間得到釋放，產(chǎn)生更多粒徑較小的煤體，并懸浮在空中。

1.2 煤塵濃度影響因素

結(jié)合該工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，可分析得出影響該工作面煤塵濃度的主要因素有：工作面的地質(zhì)構(gòu)造，工作面生產(chǎn)工序，通過工作面風(fēng)流大小，另外還有工作面煤體巖石力學(xué)性質(zhì)、水文特征等等。

對于煤體巖石力學(xué)小的，如強(qiáng)度低、脆性大的煤體以及受地質(zhì)構(gòu)造的區(qū)域的構(gòu)造煤，一般來說產(chǎn)生的煤塵濃度較大，對于存在含水層附近的煤體由于水分子的吸附作用，會(huì)大大抑制煤塵的產(chǎn)生[3]。影響煤塵濃度的主要的一個(gè)因素是風(fēng)流，新鮮風(fēng)流對煤塵有一定的稀釋作用，正常來講，風(fēng)流越大，稀釋煤塵的能力越強(qiáng)，煤塵隨風(fēng)流方向移動(dòng)，在割煤過程中，產(chǎn)生的煤塵濃度最高，隨著自身重力和風(fēng)流作用，煤塵濃度逐漸降低到一定的數(shù)值，但風(fēng)流也不宜過大，否則過大的風(fēng)流可將落在設(shè)備上、巷道上和其他物體上的煤塵揚(yáng)起，增大空氣中煤塵濃度。

1.3 煤塵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

煤塵在空中受到自重和風(fēng)流兩個(gè)力的共同作用，雖然自重力為一定的、規(guī)律的，可由于風(fēng)流產(chǎn)生的力不穩(wěn)定，規(guī)律難尋，故空中的煤塵運(yùn)動(dòng)也是不規(guī)則的。在23231綜掘工作面，經(jīng)過現(xiàn)場觀測可簡單總結(jié)煤塵運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，即距離工作面越近的地方（因距壓風(fēng)筒出口近）煤塵流動(dòng)越紊亂，各種粒徑的煤塵相互混合，隨著距離增加，時(shí)間推移，這種現(xiàn)象逐漸減弱，當(dāng)距離工作面50m時(shí)穩(wěn)定下來，（此段區(qū)域風(fēng)流相對比較穩(wěn)定，風(fēng)流的雷諾數(shù)Re為5×105），此時(shí)一定粒徑范圍的煤塵會(huì)懸浮在整個(gè)巷道空間，雖然煤塵濃度下降，但此時(shí)煤塵大多數(shù)為可呼吸性煤塵。

2 可呼吸性煤塵粒徑界限的確定

為研究23231工作面可呼吸性煤塵粒徑大小，以23231工作面為工程背景，合理選擇研究地點(diǎn)，即為距工作面掘進(jìn)頭50m處（因?yàn)?0m以內(nèi)的煤塵運(yùn)動(dòng)極不穩(wěn)定），該區(qū)域的煤塵運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，雷諾數(shù)為5×105，介于104～106之間，屬于湍流（紊流），微細(xì)煤塵懸浮在巷道內(nèi)運(yùn)動(dòng)可簡化不可壓縮流體的定常湍流氣固兩相流動(dòng)[4]。

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，該工作面工作人員都使用鼻腔進(jìn)行呼吸，使用鼻腔呼吸會(huì)使空氣中的煤塵經(jīng)過鼻腔、咽部、喉部、氣管到達(dá)肺部。根據(jù)研究工作面可呼吸性煤塵粒徑大小的方法，建立數(shù)學(xué)模型，該模型以鼻入口面為中心，半徑0.5m范圍內(nèi)流場為研究對象，分析不同呼吸強(qiáng)度下可吸入煤塵粒徑與呼吸強(qiáng)度關(guān)系。不同的呼吸強(qiáng)度有15L/min（休息時(shí)）、30L/min（輕微勞動(dòng)）和60L/min（中度勞動(dòng)）三種，而不同呼吸強(qiáng)度下鼻腔入口壓力與流速的關(guān)系可根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[5]得到，如表1所示。該模型的建立和計(jì)算需要滿足一些假設(shè)：（1）煤塵微細(xì)顆粒為稀相，相互間不碰撞；（2）風(fēng)量穩(wěn)定，顆粒流動(dòng)為定常流動(dòng)，濃度不發(fā)生變化；（3）顆粒假設(shè)為球形；（4）研究區(qū)域?yàn)楹銣?，忽略熱交換；（5）忽略顆粒質(zhì)量力的影響。

表1 不同呼吸強(qiáng)度下鼻腔入口壓力與流速

2.2 控制方程及計(jì)算結(jié)果

連續(xù)性方程：ρA·U=C（常數(shù)）

吸氣時(shí)通過鼻腔流體流量：

式中：

pn-表面力函數(shù)；

F-質(zhì)量力函數(shù)；

S1-控制面面積；

S2-鼻入口面積；

ρ-流體平均密度；

Δp-鼻入口壓力，Δp=p2-p1；

u-鼻入口流體平均流速；

v-外界流體平均流速；

Cd-煤塵顆粒阻力系數(shù)；

dp-顆粒直徑；

ρ0-煤塵顆粒密度。

聯(lián)合以上公式可得：

通過數(shù)學(xué)模型最終計(jì)算公式，可將粒徑與呼吸強(qiáng)度關(guān)系表示出來，從公式上可得出可吸入煤塵顆粒粒徑最大臨界值是可變化的，是隨著人體的呼吸強(qiáng)度的變化而變化，且隨著呼吸強(qiáng)度的增加，最大臨界值也隨著增加，粒徑與呼吸強(qiáng)度關(guān)系圖如圖1所示，根據(jù)公式可計(jì)算出在不同呼吸強(qiáng)度下可吸入煤塵顆粒粒徑最大臨界值。在23231工作面，工人的呼吸強(qiáng)度一般為Q=30L/min，則根據(jù)所得到公式可計(jì)算出可吸入煤塵顆粒粒徑最大臨界值為12μm，也就是說該工作面正常呼吸強(qiáng)度為30L/min時(shí)，工作面可吸入煤塵顆粒應(yīng)小于12μm，實(shí)驗(yàn)室所測的該工作面可吸入煤塵顆粒為10μm，兩者結(jié)果相近，結(jié)果可信。

圖1 粒徑與呼吸強(qiáng)度關(guān)系圖

3 防治煤塵的建議措施

（1）噴霧降塵

可在掘進(jìn)機(jī)上安裝遠(yuǎn)程噴霧裝置，在作業(yè)過程中進(jìn)行噴霧，利用煤塵吸濕性，巷道中懸浮的煤塵與水結(jié)合后重量增加，迅速沉降，可達(dá)到降塵的作用，根據(jù)大量的現(xiàn)場實(shí)踐表明，該方法投入小，效益高，可將煤塵濃度下降到 300～400mg/m3。

（2）煤層注水降塵

掘進(jìn)面在作業(yè)之前，可提前對煤層進(jìn)行注水作業(yè)，煤層濕潤后，煤塵產(chǎn)生量大幅度減少[6]。具體操作可利用礦上現(xiàn)有的YT-24型風(fēng)鉆配Φ42mm鉆頭進(jìn)行濕式打眼，鉆孔深度不低于2.0m，利用封孔器封孔，對鉆孔進(jìn)行注水作業(yè)，時(shí)間不低于20min，或迎頭煤壁出現(xiàn)滲水時(shí)方可停止，每個(gè)鉆孔注水量不低于120L。通過煤層注水的方法，可提前對煤體進(jìn)行濕潤，掘進(jìn)時(shí)空中懸浮的煤塵大幅降低，最好效果時(shí)，掘進(jìn)工作面的煤塵濃度只有70mg/m3, 降塵效果顯著。

（3）除塵機(jī)除塵

可利用除塵器設(shè)備，在掘進(jìn)面進(jìn)行作業(yè)時(shí)，將風(fēng)流中的煤塵捕集下來加以清除，凈化回風(fēng)風(fēng)流中空氣，達(dá)到降塵的目的。結(jié)合本礦實(shí)際情況，可選擇ZZJC- 2型濕式振弦除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行除塵，該設(shè)備風(fēng)機(jī)功率為11kW, 排風(fēng)量為 80m3,可滿足需要。實(shí)踐表明：在掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí), 部分時(shí)間段掘進(jìn)工作面的煤塵平均濃度為80.53mg/m3,經(jīng)過除塵裝置處理后，回風(fēng)風(fēng)流中空氣的煤塵濃度平均為60.87mg/m3,除塵風(fēng)機(jī)的降塵率為 24.41%，效果顯著。

4 結(jié)語

本文以成莊礦23231綜掘工作面為工程實(shí)踐背景，通過分析煤塵產(chǎn)生的機(jī)理，分析影響成莊礦23231工作面煤塵的因素。結(jié)合該礦實(shí)際情況，通過建立數(shù)值模型，推導(dǎo)出粒徑與呼吸強(qiáng)度的計(jì)算公式，得到粒徑與呼吸強(qiáng)度的關(guān)系，即為隨著人體的呼吸強(qiáng)度的變化而變化，且隨著呼吸強(qiáng)度的增加，最大臨界值也隨著增加。且計(jì)算出了該工作面呼吸強(qiáng)度為30L/min時(shí)，工作面可吸入煤塵顆粒應(yīng)小于12μm。通過探索在生產(chǎn)過程中煤塵產(chǎn)生的機(jī)理以及確定可吸入煤塵粒徑大小，進(jìn)而可提供引發(fā)塵肺病煤塵粒徑定量數(shù)據(jù)，為有效降低工作面煤塵含量提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)合所研究成果提出了噴霧降塵、煤層注水降塵及除塵機(jī)除塵等降塵措施，最大限度降低因煤塵而引發(fā)的塵肺病問題，保證工人的健康。