煤矿井下粉尘检测与治理技术分析

时间：2024-07-28

郭丽琴

（同煤集团大斗沟煤业有限责任公司，山西大同 037000）

国内经济高速发展必然会消耗大量的化石能源，煤炭消耗占总能源消耗的75%左右，尽管煤炭的燃烧带来了污染问题，但是我国天然气等清洁资源相对匮乏，很难满足工业化生产要求，近几年煤炭消费在总体能源消费中趋于下降，但依然是能源消费的主流。随着煤炭开采的深入，井下作业变得非常普遍，深井煤矿提高产量的同时，必须处理好粉尘、瓦斯、火灾、透水、顶板等问题，粉尘是困扰煤炭安全生产的隐患之一，尽管相关部门强化对煤矿的安全监管，但每年仍会有煤矿事故和人数伤亡的出现，即使发达国家也不能实现0事故。煤炭等岩尘的长期吸入对工作人员身体健康有不利影响[1]。因此必须进行井下粉尘的检测和治理的研究，以保证煤矿的运行安全。

1 煤矿井下粉尘的危害

粉尘不可以引发严重的煤矿事故，也会造成职业性疾病尘肺病。尘肺病为慢性疾病，导致的死亡人数要远多于煤矿事故导致的死亡数量，高达两倍以上，粉尘混合在空气中在人呼吸过程进入并沉留在肺部引发矽肺病，尘矽病作为井下作业人员健康的主要杀手，因此防尘降尘措施是保护工人身体健康的重要手段[2]。

煤尘浓度达到一定值会发生爆炸，在煤层开采过程中容易使悬浮煤尘达到爆炸的下限质量浓度30～50 mg/m3，尤其是矿井巷道中存在大量的连续积尘，受到外力激扰就会重新飞扬在空气中，使粉尘浓度急剧上升，进而形成爆炸事故。煤尘引爆温度为650～1 050℃，粒度越小与空气接触的表面积越大，造成产生爆炸的概率也会增加，且井下开采中瓦斯会和煤尘混合相互作用时，会降低爆炸下限浓度，极大增加爆炸的概率性。

煤矿粉尘会侵入回转件内部，加速机械异常磨损，缩短精密仪表寿命，附着在电气散热片等设施的表面，影响设备散热，加速电气电路设备老化，降低井下开采工作面能见度，增加操作盲区。井下采掘工作面是煤尘产生的主要来源，未采取防尘措施时，粉尘质量浓度高达4 000～8 000 mg/m3。受到市场需求增加的影响，高产高效开采设备的应用使井下掘进工作环境变得复杂，快速高效掘进产生的粉尘治理受到限制，因此煤矿掘进工作面采取相应措施降低空气粉尘浓度，使煤矿走向绿色安全生产的轨道化的一项重要措施。

2 煤矿井下粉尘的产生和运动规律

在煤炭开采过程中，采掘机、钻眼、炸药爆破、顶板管理等环节均会有矿尘产生，尽管不同矿井矿尘有很大一定的差异，各生产环节的浮尘产生比例大致为：综采工作面产尘量占到整个矿井产尘量超过50%，综采工作面主要产尘地点为割煤作业、支架移架、放煤、煤炭运输和转载、顶板冒落等，掘进工作面产尘量占20%～38%；锚喷作业和运输通风巷道产尘量基本为10%左右；其他作业点也存在微量产尘土[3，4]。机械化程度越高，矿尘生成量呈现增大的趋势。

粉尘颗粒采用“当量径”进行描述，巷道中粉尘沉降速度与粉尘粒径成正比，粒径越小漂浮时间越长，且人体吸入时间和数量越大，对人体伤害也就越大。尘粒自由下落和沉降时间如下页表1所示。掘进面粉尘一部分相似通风过程由风流带出，而大部分在回风巷逐渐沉积，开采时产生尘源，粒径大的粉尘先沉积，粒径小的在风流等作用下流向较远方，巷道顶板和两帮以粒径小的粉尘为主，底板上则为粒径大的粉尘。粉尘粒子的扩散运动受到作业境、空气介质和空气流动状态等多种因素影响。粗粉尘粒子运动在气流运移速度和粉尘粒子重力共同作用下以抛物线形式扩散；细粉尘粒子运动受气流运移速度和粉尘重力呈脉动曲线状态扩散；亚微粉尘粒子以脉动飘扬曲线状态进行扩散，可无限时间漂浮在空气中。掘进面粉尘浓度分布如图1所示。

表1 粉尘沉降时间

图1 掘进面粉尘分布

3 煤矿井下粉尘的检测

煤矿井下策略粉尘采用《作业场所空气中粉尘测定方法》标准规定的测量方法，总粉尘浓度采用滤膜质量浓度法进行测定，总粉尘浓度的计算公式为：

式中：x为采样点粉尘质量密度，mg/m3；μ2、μ1分别为滤膜采样前后质量，mg；f为采样流量，m3/min；t为采样时间，min。

粉尘浓度测定采用斯托克斯沉降法，测试原理为将粉尘溶于水中进行沉降，采样点综采工作面实际状况进行布置，对综采面内的粉尘浓度分布进行实际的测定，粉尘采样分为顺风和逆风采样两次，采集点如图2所示。

图2 粉尘采集点

综采工作面采煤机顺风作业粉尘浓度通过测量可获得其分布图，如图3所示，在下风口约5 m处粉尘浓度达到最大值，超过15 m后，粉尘因为已经扩散到巷道其他空间浓度下降，并逐渐趋于均匀。

4 粉尘治理的治理和效果评估

越来越多高效大型采掘设备在煤矿的应用提高的生产效率，但粉尘问题增加成为一个不可回避的问题，综采工作面粉尘浓度严重超标，严重威胁着工作者的身心健康和作业安全，因此在综采面常用的降尘技术是在采煤机设置内外喷雾系统，降尘效率能达50%以上，但对微小粉尘作用偏低，因此必须研究新型喷嘴，增加辅助喷雾除尘系统，喷嘴雾化角和雾化覆盖直径是单个喷嘴关键参数，根据计算和测量可得出，喷嘴有效雾化角为40°～50°，喷嘴雾化角度和覆盖直径如图4所示。

图3 综采面顺风粉尘浓度

图4 喷嘴有效雾化角度及覆盖范围

在综采面的粉尘的分布、运动规律基础上，结合雾化除尘技术，设计研究了辅助喷雾除尘系统，通过在综采工作面现场实测的数据分析得出，增加辅助喷雾降尘系统可有效地降低采煤机割煤处的产尘量，在采煤机和刮板运输机喷射形成水幕，降低60%的粉尘进入操作人员的作业空间内，保障了综采工作面工作人员的作业安全和适宜的作业环境。