井下粉尘分布规律实测研究

张贵生，黄友锐，涂庆毅，朱艳娜

（安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001）

近年来，随着自动化机械设备、智能化管理系统的迅速推广，煤炭开采深度和集中开采量大幅增加[1].开采深度关乎地质条件与煤质，集中开采量决定单位产尘量，地质条件越复杂、破坏程度越高、煤质疏松与干燥度越大、集中开采量越大，产尘量也就越高，粉尘防控问题就越发突出.矿井粉尘是煤矿、岩石、灰尘等物质所构成细微颗粒群体的简称[2]，在井下正常班制生产中，采掘、运输等工艺过程出现的生产性粉尘会随着井下风流四处逸散.粉尘危害主要体现在以下方面：①降低可视度，漂浮在空气中的粉尘颗粒会阻挡光线的正常传输[3]，阻碍煤矿工人视线；
②损坏机械设备，粉尘颗粒易渗入轴承、集成电路等部位，增加机械磨损、造成接触不良、降低精密度[4-6]；
③存在自燃风险，据统计，中国每年发生的煤尘爆炸事故占各类粉尘爆炸事故的 35%左右[7]；
④引发尘肺病，呼尘颗粒的空气动力学直径小于7.07 μm，可直接进入人体肺泡，是引发煤矿尘肺病的主要原因.据国家卫健委统计数据显示，2008-2018年煤矿尘肺病新增病例约占尘肺病新增病例总数的50.65%[8].

为避免盲目除尘，需要找出对应区域的粉尘分布运移规律，目前众多学者对井下粉尘分布规律开展了大量研究，研究方式主要有现场监测与计算机模拟.菅洁等[9]等通过现场测量综采工作面全尘、呼尘质量浓度，用激光粒度分布仪分析粒径，提出综采工作面粉尘质量浓度分布规律与粉尘粒径分布规律一致理论；
杨昆等[10]采用改进融合算法有效控制粉尘传感器监测误差，形成对井下粉尘浓度的实时监测；
王建国等[11]依据数值仿真及现场实测，建立气-固两相流的粉尘运移数学和物理模型，得出综采工作面风流运动情况.本文对井下主要产尘点及巷道等人员聚集作业与通行区域内的粉尘质量浓度分布规律进行实测研究，并提出防治措施.

井下产尘区域主要包括综采工作面、掘进头、主运巷转载处、辅运大巷.综采工作面空间粉尘来源主要包括割煤机截割粉尘、移架落尘、地面扬尘、转载荡尘、新鲜风流携尘等；
掘进头空间粉尘来源主要包括掘进机截割粉尘、转载荡尘、地面扬尘等；
主运巷转载处、辅运大巷空间粉尘主要来源分别为转载荡尘、地面扬尘.

1.1 工作面产尘致因分析

（1）内在因素

地质构造及煤层赋存条件是工作面产尘的内在因素，煤体分散度、矿物成分、荷电性和润湿性等理化性质，采煤方式、现场温湿度环境、通风条件、开采强度等工况都是影响尘源产尘量的重要因素.查阅资料可知，地质构造越复杂、破坏越严重、褶皱越多，煤炭开采产尘量越大[12]，煤质润湿性越高、环境湿度越大、开采强度越小，现场粉尘浓度越低.经现场勘测，陕西某煤矿地质构造较为简单，煤层原始含水率高于4.60%，煤质较好、机械化程度高，现场通风风压不足且开采量较大，年产量超过1 000万t.

（2）截割粉尘

截割动作时，接触煤体受挤压形成密实核[13]，此时煤体内大孔隙发生形变，当截割应力超出承受范围时，煤体破裂、产生煤尘；
破裂后的煤体在弹性恢复时通常会进一步加大裂缝，分裂出更多煤块，产生更多煤尘；
旋转滚筒截齿对破裂煤块造成二次撞击、煤块之间互相碰撞、大采高下煤块自然落地等皆可产生撞击煤尘；
此外，顶煤及煤壁受损引起大量煤块垮落并撞击割煤机、输送机，可形成大量冲击粉尘.截割粉尘在滚筒旋转产生的涡旋风流作用下，迅速扩散至整个采煤区域，随工作面进风风流运移.查阅资料分析可知，相同风速下，截割粉尘浓度随风流运移而逐渐降低[14].

（3）移架落尘、地面扬尘

综采工作面采空顶煤在液压支架支撑作用下保持稳定，移架时，破碎顶煤冒落、后方煤体垮落，移架落尘进入工作面空间随风流逸散；
移架落煤、大粒径煤尘沉降等原因造成架间路面积尘严重，煤矿工人正常活动会荡起大量煤尘，形成地面扬尘进入风流；
此外，掘进头依靠铲车运煤，往返运行产生大量地面扬尘进入风流.

（4）转载荡尘、新鲜风流携尘

综采工作面进风通道主要为胶运巷和辅运巷，胶运巷转载机处产生的荡尘会随风流进入工作面，辅运巷内新鲜风流携带粉尘也会随风流进入工作面，增加工作面粉尘浓度.

1.2 辅运大巷产尘致因分析

辅运大巷内运行车辆是地面扬尘的主要诱因，由现场技术人员日常测量数据可知，当防爆皮卡、双排人车、防爆指挥车等不同车辆通过时，总尘浓度激增至原来的3倍左右，车辆吨位越大、速度越快，扬尘越多、自然沉降周期越长.

通过文献研究及现场调研可知，煤矿井下测尘主要采用自动监测与人工检测.自动监测是以激光散射原理为代表的粉尘传感器作为监测终端，以无线网络或通信线缆为传输介质，实现实时、动态监测；
人工检测是通过以采样器、直读式测尘仪为代表的便携式粉尘监测设备，人工操作.通过调研陕西省某煤矿，井下无线网络因维护不及时已停用，重启投资较大，现有通信线缆亦无法接通综采工作面架间、掘进工作面司机处等测点，因此，自动监测方式不可取；
此外，由于直读式测尘仪测量精度随时间推移而逐渐降低且价格昂贵，无法实现多点共测，实验不可取.

为获取更加准确的实测数据，现选用 20台CCZ-20A矿用粉尘采样器进行实验校准，并将做好防爆处理的TG-328A电光分析天平和202-00A小型卧式烘干箱放置于就近硐室等井下避风场所，以减少运输距离，避免样本中捕获粉尘飘散或抖落，提高计算精度和效率.仪器校准步骤如下.

（1）测点选择

测尘点选取副斜井井底车场，此处为该矿井下技术人员固定测点，生产班检测数据显示，3 d内总尘与呼尘平均值分别为4.23 mg/m3、2.21 mg/m3.

（2）检测方式

将20台采样器按1～20顺序编号，在生产班时依次排开，同时同地，逆风吸尘，统一设定采样流量Q为20 L/min，单次采样时间h为30 min，单台连续测量总尘和呼尘各两次，按式（1）分别计算质量浓度.

式中，T为总尘或呼尘质量浓度，mg/m3；
f0为采样前滤膜质量，mg；
f1为采样后滤膜质量，mg；
h为采样时间，min；
Q为采样流量，L/min.

求取两次平均值，最后得出 20台采样器在该测点处的平均粉尘质量浓度，见表1.

表1 20台采样器平均粉尘质量浓度Tab.1 average dust mass concentration of 20 samplers

由表1可以看出，仪器编号为6、8、13的采样器的粉尘数据波动较大，分析可知，这3台采样器皆具有流量控制不稳、时间调节不畅等缺点，实验不可取；
其余 17台采样器总尘平均质量浓度集中在 4.08～4.31 mg/m3、呼尘集中在 2.18～2.27 mg/m3，与陕西某煤矿现场技术人员测定数据基本相符，本次现场实测采用16台校准采样器.

为获取更加全面的粉尘分布规律，实验设定在某煤矿 25208工作面和 25210工作面、44203和44205两个掘进头、主运巷转载一处与二处、辅运大巷四处粉尘流动及煤矿工人集中活动区域.

3.1 测尘现场

某煤矿除上述2个综采工作面和2个掘进头，其余为采空或待开采区.综采工作面采用大采高一次采全高、纯机械化综采工艺，工作面长 240～320 m，高7.3 m，现场风速约为1.88 m/s，降尘措施为煤层表面喷水、采煤全程喷雾，回风巷采用喷雾与捕尘网双重除尘，液压支架间等行人通道视线清晰度中等，目测可视度低于15 m，除尘效果一般；
掘进头采用纯机械化连采工艺，工作面长4～6 m，高 7.5 m，现场降尘措施为全程喷雾，转载落差高度1.2～1.8 m，现场风速约为2.56 m/s，工作时掘进机50 m范围内视线模糊，目测可视度低于8 m，除尘效果较差；
主运巷转载处落差高度为 1.2～1.8 m，降尘措施为自带喷雾降尘，现场风速约为1.18 m/s；
辅运大巷长度约为6 km，副斜井井口风速约为7.95 m/s，断面为22.8 m2，绕道口风速大于4 m/s，全巷可通车，降尘措施为间隔喷雾.

3.2 测点布置

为提高检测速度和效率，实验把16台CCZ-20A矿用粉尘采样器均分为8组，编号为A、B、C、D、E、F、G、H，每组2台采样器（编号1、2），每台采样器贴上标签（如 A1、A2），同一时间内每组采样器同时测量一个测点，支架高度为 1.5 m，采样流量Q设为 20 L/min，单次采样时间h为30 min，单台连续测量总尘质量浓度和呼尘质量浓度各一次.

（1）25208工作面和25210工作面测点布置

25208工作面和25210工作面结构及配置相似，综采工作面测点布置见图1.将8组采样器依次布置在转载机、割煤机司机、割煤机司机下风侧10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、回风巷捕尘网下风侧10 m处.

图1 综采工作面测点布置Fig.1 comprehensive mining work surface measurement point layout

（2）44203掘进头和44205掘进头测点布置

44203掘进头和44205掘进头结构及配置相似，掘进头测点布置见图2.将8组采样器依次布置在掘进机司机、掘进头下风侧10 m、15 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m处.图2中，测点D恰好位于转载机处.

图2 掘进头测点布置Fig.2 TBM head measurement point arrangement

（3）主运巷转载一处、二处测点布置

主运巷转载一处、二处分别为主运巷与25208工作面、25210工作面胶运巷交汇处，且两处转载结构及布置相似，主运巷转载一处、二处测点布置见图3.

图3 主运巷转载一处、二处Fig.3 first and second places are reproduced in the main transport lane

图3中，将8组采样器依次布置在主运巷内转载机上风侧5 m、转载机处、转载机下风侧5 m、10 m、胶运巷内转载机下风侧5 m、10 m、15 m、20 m处.

（4）辅运大巷测点布置

辅运大巷测点布置见图4.辅运大巷测点包括副斜井井口、辅运大巷与25208工作面、44203工作面、25210工作面、44205工作面绕道口上风侧、44205工作面绕道口下风侧10 m、20 m、30 m处.

图4 辅运大巷测点Fig.4 measurement points in auxiliary transportation lanes

采样器取样后部分滤膜实物见图5.

图5 采样器取样后部分滤膜实物Fig.5 partial membrane after sampler sampling

每组两个总尘或呼尘质量浓度的平均值即为该点此刻总尘或呼尘平均质量浓度.数据处理采用四舍五入法，粉尘平均质量浓度实测数据见表2.

表2 粉尘质量浓度实测数据Tab.2 measured data of dust mass concentration mg/m3

基于粉尘质量浓度实测数据，分别于综采工作面、掘进头、主运巷转载处、辅运大巷4处产尘位置沿风流方向对粉尘运移规律进行可视化分析.

（1）综采工作面实测数据分析

综采工作面实测数据如图6，由表2和图6可知，在割煤机司机测点B处粉尘质量浓度最大，25208工作面、25210工作面在此处总尘质量浓度增幅为408.60%、322.06%，呼尘质量浓度增幅为299.57%、266.82%，呼尘质量浓度占比为25.63%、32.40%，总尘质量浓度最大值为182.23 mg/m3、191.11 mg/m3，呼尘质量浓度最大值为46.71 mg/m3、61.92 mg/m3，超出《煤矿安全规程》规定值的18.68～47.77倍；
测点B处过后，大粒径总尘自然降落，顺风30 m后粉尘质量浓度趋于平稳，该区间内呼尘质量浓度占比逐渐增高，最高可达 52.81%、60.51%；
后经回风巷捕尘网过滤后，粉尘质量浓度回落，捕尘率约为总尘质量浓度的70%、呼尘质量浓度的60%，捕尘后区间内呼尘占比分别激增至80.29%、80.41%.25208工作面、25210工作面内沿风流方向，大粒径总尘主要沉降区间为0～30 m，粉尘质量浓度整体呈现“激增-骤减-平稳-回落”运移规律.

图6 综采工作面实测数据Fig.6 measured data at comprehensive mining work surface

（2）掘进头实测数据分析

掘进头实测数据如图7，由表2和图7可知，粉尘质量浓度在测点A处达到最大值，总尘质量浓度最大为280.62 mg/m3、292.85 mg/m3，呼尘质量浓度最大为82.66 mg/m3、91.86 mg/m3，呼尘质量浓度占比为29.46%、31.37%，超出《煤矿安全规程》的33.06～73.21倍.

图7 掘进头实测数据Fig.7 measured data at boring head actual

测点A处过后，大粒径总尘自然降落，但受铲车运煤诱发地面扬尘影响，测点B、测点C两处总尘与呼尘降低量较小；
测点 D处呼尘占比为32.96%、34.31%，测点D处过后，30 m内总尘减少量由大变小，呼尘占比逐渐增加，达至66.08%、65.38%；
风流经喷雾降尘后，粉尘质量浓度骤减，呼尘占比激增至78.31%、79.79%，喷雾降尘率约为总尘的57%、呼尘的45%.44203掘进头、44205掘进头内沿风流方向，大粒径总尘主要沉降区间超过30 m，粉尘质量浓度整体呈现“递减-骤增-递减”运移规律.

（3）主运巷转载处实测数据分析

主运巷转载处实测数据如图8，由表2和图8可知，测点B处粉尘质量浓度达到最大值，转载一处、二处的总尘最大值为21.26 mg/m3、22.13 mg/m3，呼尘最大值为 8.24 mg/m3、8.66 mg/m3，总尘增幅为144.93%、144.80%，呼尘增幅为130.17%、128.50%，呼尘占比为38.76%、39.13%，粉尘质量浓度超出《煤矿安全规程》规定值的3.3～5.5倍；
测点B处过后，大粒径总尘自然降落，测点G处粉尘达到平衡，此处呼尘占比为 48.34%、48.76%，粉尘质量浓度、呼尘占比皆大于转载机上风侧测点A对应检测值，小于综采工作面转载机处对应检测值，与理论分析相符.主运巷转载机下风侧（B-D）、胶运巷内转载机下风侧（E-G），大粒径总尘主要沉降区间为0～15 m，粉尘质量浓度沿风流方向皆呈现递减运移规律.

图8 主运巷转载处实测数据Fig.8 measured data at main transport lane reprint

（4）辅运大巷实测数据分析

辅运大巷实测数据如图9，由表2和图9可知，副斜井井口测点 A处新鲜风流总尘、呼尘分别为3.27 mg/m3、2.01 mg/m3，呼尘占比为61.47%，符合《煤矿安全规程》规定；
A处过后，风速降低，地面扬尘逸散变慢，使粉尘质量浓度迅速增加，此外，经工作面绕道口后，逆风车辆引起的涡旋风流将工作面绕道内部分粉尘携带至辅运大巷，导致测点C、测点D、测点E、测点F逐个低幅增长，直至测点F达到平衡，此处呼尘占比为59.50%；
在现场检测时，车辆随机通行.经上述分析可知，辅运大巷内粉尘质量浓度沿风流方向呈现“递增-平稳”运移规律.

图9 辅运大巷实测数据Fig.9 measured data at auxiliary transportation lane actual

通过上述分析可知，陕西某煤矿井下沿风流从副斜井井口、绕道口深入至各工作面的空间内，粉尘质量浓度整体呈现“递增-激增-递减-平稳-回落”，降尘措施过后最终汇入回风巷.

（1）25208工作面、25210工作面在1.88 m/s风流下，大粒径总尘主要沉降区间为0～30 m，架间煤矿工人活动区域的总尘质量浓度大于60.25 mg/m3，与现场目测可视度低于15 m的结论相符；
割煤机司机处总尘质量浓度高于182.23 mg/m3、但呼尘占比低于32.40%，说明煤质较好、开采强度高，验证了理论分析；
捕尘网捕尘率、喷雾降尘效果一般.

（2）掘进头在 2.56 m/s风流下，大粒径总尘主要沉降区间超过30 m，受纯机械化连采工艺及降尘方法影响，掘进头区间内粉尘质量浓度高于107.82 mg/m3，与现场目测可视度不足8 m的结论相符，是重点防治区域.

（3）主运巷转载处在1.18 m/s风流下，大粒径总尘主要沉降区间为0～15 m，自然沉降后总尘增量大于1.5 mg/m3，呼尘质量增量大于1.3 mg/m3，是进入工作面新鲜风流携尘的主要致因之一.

（4）副斜井井口新鲜风流中粉尘质量浓度达标，而进入工作面绕道口的新鲜风流总尘质量浓度大于4.85 mg/m3、呼尘大于3.04 mg/m3，说明辅运大巷地面扬尘也是新鲜风流携尘的主要致因之一，与理论分析相符.

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