井下粉尘的检测及危害控制分析

王继刚

（阳泉市燕龛煤炭有限责任公司， 山西 阳泉 045060）

随着矿井机械化开采技术的大力推广，大量粉尘伴随生产成为了煤矿重点防治的灾害之一。矿井粉尘具有可燃性、爆炸性，极大程度地威胁着井下工作人员的身体健康和自身安全[1]。近年来，专家学者针对井下工作面的粉尘治理提出了众多研究技术，例如通风除尘、喷雾除尘、化学除尘等，但由于投入成本较高、无法大范围的应用，实际效果并不理想[2]。对此笔者在总结传统除尘方式的基础上，提出了源头捕尘的思路，并结合本矿井的实际特点对除尘工艺进行了优化。

1 综掘工作面产尘规律及尘源特性

煤矿生产过程中，在采掘工作面内，掘进机在进行截割时会与煤岩接触，煤岩破碎的同时产生粉尘，如果煤岩发生垮落则会加快粉尘的释放速度，大量粉尘在工作面内随风压快速扩散。在水平方向上，粉尘颗粒受气流影响较大，随气流同向飞散，且颗粒越小速度越快；在垂直方向上，粉尘会发生一定的沉降，颗粒越大沉降趋势越明显，而直径小于5 μm 的粉尘颗粒几乎不发生沉降[3]。

采掘工作面的粉尘来源主要包括以下三种方式[4]：采煤机截割头与煤岩接触下，压裂、破碎所产生的粉尘；截齿在采煤过程中导致煤岩发生错位、塌落及煤炭运输转载中产生的粉尘；其他巷道随风流扩散进入工作面的煤尘。

2 尘源追踪捕尘原理

矿井粉尘的主要来源位于综采工作面，其中以采掘机工作点为最高。因此对此区域进行第一时间粉尘治理工作十分有效，达到有效降尘的目的。

2.1 粉尘收集

针对上述综掘工作面的三大粉尘来源，为增强源头的治理工作将通过使用分风装置调节轴、径向风流进行粉尘收集工作。并且通过改变作业空间压风方向与供风量，避免采掘工作面所产生的粉尘向外扩散的比例，第一时间将综掘机司机处的粉尘及时收集，见图1 所示。

图1 工作面粉尘收集原理

2.2 粉尘捕捉

粉尘捕捉即捕尘环节，如图2，需要在掘进机机尾处安装除尘风机和抽出式骨架风筒，在截割头、装载盘两翼上方、转载点安装分风筒。通过硬件设备对粉尘在源头上予以捕捉，达到降尘效果。粉尘捕捉系统的最大优势在于系统简单、作业无较差、成本低廉，可以极大程度地减少吸尘点与尘源之间的距离，减小负压损失。

图2 工作面捕尘系统设备安装

2.3 除尘

在粉尘成功被收集到后，需要进行除尘工作，对此将按风量要求，选取体积小、质量轻、移动便捷且性能稳定矿用振弦式除尘风机进行除尘。如图2，该设备采用喷雾与振弦捕尘相结合的思路进行设计，粉尘进入风机后在需经振弦的过滤与喷水除雾，后由污水口排出，净化后的清洁空气进入巷道。

3 工程应用效果

燕煤公司程庄煤矿井田面积9.8 km2，生产能力为240 万t/a，埋深约330～420 m，采用综采放顶煤开采。

3.1 现场粉尘检测

按照相关粉尘检测的相关要求，对程庄煤矿进行采掘工作面进行了基本情况的分析，需要对粉尘的重点参数进行检测，主要包括：粉尘性质的判定、游离二氧化硅含量、粉尘分散度等。其中粉尘中游离SiO2含量使用综采工作面和掘进工作面等工作场所呼吸带高度采集滤膜上的粉尘进行测定，粉尘分散度则使用综采工作面和掘进工作面等工作场所呼吸带高度采集的总尘测定（见表1）。

表1 工作面游离w（SiO2）及分散度检测结果

根据对15 号煤层采掘工作面空气中粉尘含量的测定，游离w（SiO2）在3.56%～5.12%之间，根据《煤矿作业场所职业病危害防治规定》，本矿粉尘中游离w（SiO2）小于10%，因此判定该区域内粉尘性质为煤尘。粉尘分散度主要以2～10 μm 的粒子为主，说明本矿采掘工作面粉尘的分散度较高，被人体吸入的可能性也就越大。

3.2 粉尘检测数据分析

由表1 所知，程庄煤矿在不同的工作面、不同的工作地点，所产生的粉尘含量并不相同，其中以15310 综采支架工的粉尘时间加权平均质量浓度最大，达到4.7 mg/m3，另外所抽查的三个地点的粉尘浓度也超过了国家相关规定值。根据经验判断，该区域内采煤机司机、皮带司机、支架工和装载机司机处的粉尘浓度将更高，所以上述地点为本次粉尘防治的重点区域。

3.3 除尘效果

为验证笔者所提出捕尘系统有效性适用性，将在程庄煤矿15 号煤层综采工作面A 进行粉尘防治试验。综采工作面A 高度H=3.5 m，截面宽4.5 m，断面面积S=15.75 m2，绝对瓦斯涌出量q=1.8×10-2m3/s，根据《煤矿安全规程》中规定，配风量q1取100 m3/s，瓦斯不均衡系数k=3，结合巷道供风风速要求，径向向工作面风速VJ1=0.6 m/s、径向向巷道后VJ2=0.3 m/s，则方程组公式（1）计算得：轴向出风量QZ=5.40 m3/s，径向出风量QJ=14.2 m3/s，径向向工作面出风量QJ1=9.45 m3/s，径向向巷道后方出风量QJ2=4.75 m3/s，供风量QG=19.6m3/s，除尘风机抽尘风量QC=14.85m3/s。

根据捕尘工艺及采煤机位置的变化，选取：工作面轴向控制风速VZ=0.5 m/s，径向出风角度α=45°，落煤高度h=2 m，射流修正系数K=2.5。利用式（2）、（3）计算除尘效果最优位置的选择，得出：轴向出风口至综掘面距离L1=7.85 m，径向出风口至综掘面距离L2=11.85 m。

选择矿用CCB1000 便携式粉尘浓度检测仪进行除尘前后的粉尘测定，数据记录见表2，表2 所示，在使用捕尘系统后，粉尘的质量浓度达到了大幅的降低，系统降尘率高达90%以上。

表2 粉尘测定数据

4 结语

矿井综掘作业过程中产生的粉尘，扩散过程受作业地点温湿度、风速、粉尘密度和粒度等因素影响。粉尘捕捉系统可以有效实现粉尘形成后、扩散前完成对其捕获，降尘率达到90%以上。