大采高綜采工作面作業(yè)區(qū)域粉塵溯源研究

王存飛

(神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

當(dāng)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(bào)告病例數(shù)逐年增加；同時(shí)高濃度的粉塵造成了視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集困難、信號(hào)弱且圖像極不清晰等問題，影響了各類自動(dòng)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(shí)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(jī)械化程度和開采強(qiáng)度，生產(chǎn)效率得到提升的同時(shí)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(yàn)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(fēng)流分布規(guī)律[6-9]為主，粉塵治理缺乏針對(duì)性。針對(duì)該問題，筆者對(duì)8 m大采高綜采工作面作業(yè)區(qū)域的粉塵進(jìn)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(kuò)散特點(diǎn)

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(diǎn)。以神東公司補(bǔ)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(jī)械化采煤法，同時(shí)采用端頭斜切進(jìn)刀、割煤、移架、推移刮板輸送機(jī)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(jī)移架方式對(duì)頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，滯后采煤機(jī)前滾筒2～3架拉架，如圖1(a)所示(實(shí)心箭頭為風(fēng)流方向，空心箭頭為采煤機(jī)行走方向，兩方向相同時(shí)稱為順風(fēng)，反之則稱為逆風(fēng))。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(jī)僅在逆風(fēng)行走時(shí)割頂煤，順風(fēng)時(shí)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(jī)割煤和降柱移架兩個(gè)主要塵源，但粉塵擴(kuò)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(shí)掩護(hù)梁處高位灑落的粉塵擴(kuò)散而來，一部分是采煤機(jī)割煤產(chǎn)生的粉塵繞流支架立柱擴(kuò)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(jī)割煤產(chǎn)生的粉塵擴(kuò)散而來，一部分是降柱移架產(chǎn)生粉塵繞流支架立柱擴(kuò)散而來，如圖2(b)所示。粉塵擴(kuò)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(diǎn)與重點(diǎn)。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(jī)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(duì)其粉塵的針對(duì)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(kuò)散路徑

2 粉塵運(yùn)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(bǔ)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(jī)滾筒及降柱移架掩護(hù)梁位置為塵源點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型和DPM離散相模型進(jìn)行計(jì)算[8-11]，參數(shù)設(shè)置見表2。

(a)逆風(fēng)割煤工況 (b)順風(fēng)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(shí)人員作業(yè)區(qū)域呼吸塵分布

基于上述計(jì)算模型和參數(shù)設(shè)置，首先對(duì)采煤機(jī)割煤、降柱移架兩個(gè)主要塵源單獨(dú)作用時(shí)的粉塵濃度分布進(jìn)行計(jì)算。采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)，下風(fēng)側(cè)滾筒割頂煤，上風(fēng)側(cè)滾筒割底煤，而采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)，上風(fēng)側(cè)滾筒割頂煤，下風(fēng)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(jì)算。而降柱移架塵源一般在采煤機(jī)中部位置，順風(fēng)和逆風(fēng)割煤時(shí)擴(kuò)散基本相同，僅計(jì)算順風(fēng)割煤時(shí)降柱移架的粉塵運(yùn)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(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)單一塵源

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

采煤機(jī)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(shí)采煤機(jī)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(jī)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(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)單一塵源產(chǎn)生的粉塵是從y=25 m位置逐漸向人行道擴(kuò)散，擴(kuò)散較慢；采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)，單一塵源產(chǎn)生的粉塵是從y=30 m位置逐漸向人行道擴(kuò)散，擴(kuò)散相對(duì)較快，在y=40 m位置能達(dá)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(dá)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(gè)塵源共同作用時(shí)人員作業(yè)區(qū)域呼吸性粉塵分布

在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)采煤機(jī)割煤、降柱移架兩個(gè)主要塵源共同作用時(shí)的粉塵質(zhì)量濃度分布進(jìn)行計(jì)算，得到逆風(fēng)、順風(fēng)割煤兩種工況時(shí)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(fēng)割煤工況

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

采煤機(jī)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(gè)塵源共同作用時(shí)采煤機(jī)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(gè)塵源共同作用時(shí)，順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤兩種工況條件下，采煤機(jī)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(dá)到最高值。逆風(fēng)、順風(fēng)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(yùn)移規(guī)律的現(xiàn)場測試

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

(a)順風(fēng)割煤

為得到更加準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)，首先安排采煤機(jī)暫停割煤作業(yè)，只進(jìn)行降柱移架操作，并安排多人同時(shí)進(jìn)行測塵得到降柱移架時(shí)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(shí)測塵得到順風(fēng)和逆風(fēng)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(fēng)割煤

由圖9可以看出，液壓支架降柱移架單一塵源作用時(shí)，在降柱移架塵源點(diǎn)(采煤機(jī)中部，橫坐標(biāo) 35 m 處)下風(fēng)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(shí)間的沉降后在塵源點(diǎn)下風(fēng)側(cè)40 m(橫坐標(biāo)75 m處)降低至20 mg/m3，最終進(jìn)入到回風(fēng)巷。順風(fēng)割煤時(shí)，采煤機(jī)割煤塵源單一作用時(shí)，擴(kuò)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(jī)尾10 m處采煤機(jī)割煤和降柱移架兩個(gè)塵源共同作用時(shí)人行道最高呼吸性粉塵質(zhì)量濃度為203.8 mg/m3，在煤機(jī)中部位置。逆風(fēng)割煤時(shí)，采煤機(jī)割煤塵源單獨(dú)作用時(shí)，擴(kuò)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(jī)中部位置，兩個(gè)塵源共同作用時(shí)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(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)真實(shí)性，在采煤機(jī)割煤和降柱移架兩個(gè)塵源共同作用工況條件下，對(duì)采煤機(jī)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(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10所示。

(a)順風(fēng)割煤

由圖10可見，數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測得到的采煤機(jī)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(jī)附近的粉塵污染情況。采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)，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(jī)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(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)，人行道區(qū)域內(nèi)呼吸性粉塵質(zhì)量濃度最高點(diǎn)也位于采煤機(jī)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(shí)測結(jié)果可知，8 m大采高綜采工作面順風(fēng)割煤、逆風(fēng)割煤兩種工況時(shí)，采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)生的粉塵絕大部分是在立柱前隨風(fēng)流向下運(yùn)移，小部分逐漸向人行道一側(cè)擴(kuò)散；降柱移架產(chǎn)生的粉塵多是隨風(fēng)流沿人行道一側(cè)向下運(yùn)移，并在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)匯合，降柱移架塵源單一作用時(shí)擴(kuò)散影響的范圍要遠(yuǎn)大于采煤機(jī)割煤塵源單一作用時(shí)的影響范圍。

2)數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果基本相同，8 m大采高綜采工作面順風(fēng)、逆風(fēng)割煤兩種工況時(shí)，在兩個(gè)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(jī)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(shí)要重點(diǎn)開展對(duì)降柱移架塵源的治理。