大采高综采工作面PM5 和PM10 粉尘分布规律

苏士龙，郝永江

（1.山西华晋吉宁煤业有限责任公司，山西 乡宁042100；2.华晋焦煤有限责任公司，山西 吕梁033000；3.太原科技大学 环境与安全学院，山西 太原030024）

矿井粉尘作为井下5 大灾害要素之一，一直以来都是煤矿防治的重点[1-2]。井下粉尘的危害主要表现为2 个方面：①粉尘对工人肺部造成的伤害，近年来逐步成为煤矿职业病防治的重要对象[3]；②井下飞扬或沉积的粉尘在一定条件下会燃烧和爆炸，粉尘的爆炸威力甚至高于瓦斯，因此，对井下安全生产构成极大的威胁。

多年来，许多学者对工作面粉尘的分布特征及规律进行了研究[4-7]，其中针对全尘的研究居多，而实际上对矿工造成重大伤害的是可吸入粉尘颗粒，尤其是其中的呼吸性粉尘[8-11]。国内普遍认为，可吸入粉尘为直径小于等于10 μm 的粉尘颗粒即PM10，而将直径小于5 μm 的粉尘颗粒称为呼吸性粉尘即PM5，可吸入粉尘可进入人的上呼吸道，而呼吸性粉尘则可到达呼吸道深部肺泡区，从而导致尘肺病的发生[12-14]，所以掌握工作面PM5、PM10 的粉尘分布规律对于防尘措施的制定更有实际意义。因此，以某矿大采高综采工作面为研究对象，测定分析其PM5、PM10 粉尘的分布规律，可为采取有效的工作面防尘措施提供依据。

1 工作面概况

选择乡宁县某矿的2103 大采高综采工作面进行粉尘浓度测定。该工作面走向长度2 139 m，倾斜长度为234 m，总面积524 055 m2，煤层总厚5.38～7.08 m，平均6.03 m。属稳定煤层，经鉴定该煤层煤尘具有爆炸危险性。

目前工作面采用的主要防尘技术措施包括：①工作面回采前按规定进行煤体注水；②轨道巷、运输巷各敷设1 趟静压水管，其中轨道巷每隔100 m设置1 个三通阀门，运输巷每隔50 m 设置1 个三通阀门，并定期进行洒水灭尘；③采机安装内外喷雾装置；④运输巷距工作面150 m 范围内、距回风口30 m 处各设1 道全断面风流净化水幕及捕尘网；⑤各主要转载点喷雾至少设置2 个喷嘴，要求必须牢固，能覆盖全部落煤点。

2 工作面粉尘分布测定方案

1）测试仪器。采用美国TSI 公司的SidePak AM520i 型个体暴露粉尘仪，仪器为光散射激光光度计且小巧便携，具有数据记录功能。可测粒径为PM2.5、PM5（呼吸性粉尘）、PM10（可吸入粉尘），与传统测尘仪器相比，其最大优点为可实时记录现场粉尘的质量浓度，便于详细分析粉尘浓度的变化规律。同时，利用AKFC-92A 型矿用粉尘采样器进行全尘的测定，采用滤膜称重法可得测点的全尘浓度。

2）测点布置。采煤机滚筒周围粉尘浓度测定。采煤机滚筒产生的截割粉尘是工作面的主要尘源，研究采煤机滚筒周围的粉尘分布有助于掌握尘源的特征及规律。因此，分别在顺风及逆风割煤条件下，在采煤机滚筒下风侧布置测点，测量此处的粉尘浓度，以顺风割煤为例，顺风割煤前后滚筒测点示意图如图1。为了解粉尘变化的整个过程，采煤机开始运转时即开始测定粉尘。

图1 顺风割煤前后滚筒测点示意图Fig.1 Measuring points of front and rear drum in coal cutting following wind

3）采煤机下风侧沿程粉尘浓度测定。粉尘产生后随风流开始在工作面蔓延，研究采煤机下风侧沿程的粉尘分布有助于提出针对性的降尘措施。因此，分别在顺风及逆风割煤条件下，沿工作面机道在采煤机下风侧布置测点，工作面测点布置图如图2。考虑到离采煤机近的地方粉尘变化剧烈，所以一开始布点较密集，距采煤机20 m 以外，每隔10 m布1 个点，另外根据煤矿安全规程要求，在回风巷距工作面10 m 处布置1 个点，连同采煤机滚筒下风侧2 处，共13 个测点。测量时，待采煤机行至约工作面中间位置时开始测定粉尘。

4）测定步骤。测定前先校准仪器然后设置相关参数，设定每秒记录1 个粉尘浓度值，时间为2 min，每组共120 个数据；测定时选定测点并将仪器胶管进口放到呼吸带高度处进行测量；测定完成后，存储数据并记录测点位置完成测量。

3 工作面粉尘测定结果

3.1 采煤机滚筒周围粉尘分布特征

3.1.1 顺风割煤滚筒周围粉尘分布特征

根据测定结果可得顺风割煤条件下后滚筒及前滚筒周围PM5、PM10 粉尘分布，顺风割煤滚筒周围粉尘浓度分布如图3。

图2 工作面测点布置图Fig.2 Measuring points arrangement of working face

图3 顺风割煤滚筒周围粉尘浓度分布Fig.3 Dust concentration distribution around roller of coal cutting following wind

由图3 可以看出：顺风割煤条件下，滚筒开始运转时，由于后滚筒割底煤，加之落煤及输送机上的煤体，瞬时在局部空间产生大量粉尘，所以后滚筒周围PM5 和PM10 的起始浓度较高，之后在风流的作用下，粉尘开始扩散，浓度逐渐减低，最后趋于稳定。顺风割煤时，前滚筒周围PM5 和PM10 粉尘浓度起初平均值较低，大约70～80 s 后，粉尘浓度急剧升高，这是因为大量粉尘随风流扩散运移至前滚筒处，与此处粉尘混合叠加，使之浓度升高最后在某一平均值附近波动；前后滚筒周围的PM5 和PM10 粉尘浓度变化趋势基本相同，但PM10 平均浓度更高并且变化更剧烈，两者均值都在500 mg/m3以上。

3.1.2 逆风割煤滚筒周围粉尘分布特征

根据测定结果可得逆风割煤条件下前滚筒及后滚筒周围PM5、PM10 粉尘分布，逆风割煤滚筒周围粉尘浓度分布如图4。

由图4 可以看出：逆风割煤条件下，前滚筒割顶煤时，与风流迎风相对，在滚筒旋转产生的涡流场与工作面风流场的共同作用下，造成粉尘局部积聚，无论是PM5 还是PM10 起始浓度都较高且波动较大，随后随着风流的稀释粉尘浓度逐渐降低至某一值附近波动；逆风割煤时，后滚筒初始浓度约200～300 mg/m3，随后逐步升高，约60～70 s 后，粉尘浓度陡然升高约3 倍左右，比顺风割煤时的时间变化点早约10 s，说明逆风割煤时粉尘扩散运移较快，变化更剧烈；后滚筒的PM5 和PM10 粉尘浓度随后分别在900 mg/m3和1 100 mg/m3附近波动，且波动频率高于顺风割煤时的前滚筒，这说明风流与采煤机的相对运动使得粉尘运动更加剧烈。

图4 逆风割煤滚筒周围粉尘浓度分布Fig.4 Dust concentration distribution around roller of coal cutting upwind

3.2 采煤机下风侧沿程粉尘分布特征

3.2.1 顺风割煤采煤机下风侧沿程粉尘分布特征

对测定结果进行处理，取每个测点的平均值得到采煤机下风侧沿程各点的PM5、PM10 粉尘平均浓度，根据各测点的全尘浓度，可得顺风割煤条件下各粒径粉尘浓度变化及占比，顺风割煤各粒径粉尘浓度变化及占比如图5。

从图5 可以看到：顺风割煤时，PM5、PM10 以及全尘的浓度变化趋势基本相同，以PM5 粉尘变化为例，采煤机附近浓度约为500 mg/m3，随后随着粉尘扩散浓度不断升高，在测点5 位置即采煤机下风侧10 m 左右达到最高值约1 200 mg/m3，然后浓度逐渐降低在测点9 即采煤机下风侧40 m 左右趋于稳定值约300 mg/m3，在回风巷距工作面10 m 处由于多工序作业浓度又升高至540 mg/m3。PM5 占全尘的比例起始较高，说明采煤机截割粉尘主要以呼吸性粉尘为主，随后在采煤机下风侧15 m 左右降至最低，这是由于采煤工作面落煤、运煤、移架等过程中产生的大颗粒粉尘混入使粉尘浓度总体升高但PM5 占比降低，然后在风流的作用下，大颗粒粉尘逐步沉降而小颗粒粉尘还飘散在工作空间，从而使PM5 的占比再次升高，而在回风巷距工作面10 m处，由于转载破碎等工序产生较多大颗粒粉尘，又使PM5 占比降低，但是PM5 占全尘的比例都在60%～80%之间，PM10 受风流影响整体呈下降趋势，其浓度也都在65%以上，某些点高达95%。

3.2.2 逆风割煤采煤机下风侧沿程粉尘分布特征

通过数据处理，得到逆风割煤采煤机下风侧沿程各点的PM5、PM10 粉尘平均浓度及全尘浓度，逆风割煤各粒径粉尘浓度变化及占比如图6。

从图6 可以看到：逆风割煤条件下，PM5、PM10以及全尘的变化趋势也大致相同，以PM5 粉尘变化为例，初始浓度与顺风割煤时相近，但是逆风条件下粉尘的升高速率更快，在测点4 位置即采煤机下风侧6 m 左右达到浓度的最高值约1 300 mg/m3，此时PM10 也高达1 527 mg/m3，此后粉尘浓度下降较快，在采煤机下风侧约20 m 达到稳定值700 mg/m3左右，远小于顺风割煤的稳定值点，说明逆风割煤时粉尘的运动更快更剧烈；逆风条件下，PM5 占全尘的比例整体呈下降趋势但变化幅度不大，这可能是由于采煤机的相对运动对风流的扰动所致，使PM5 粉尘较均匀地飘散在工作空间中，PM10 变化趋势与PM5 类似，两者占比都在60%以上，且相对顺风割煤时比例更高。

图5 顺风割煤各粒径粉尘浓度变化及占比Fig.5 Change and proportion of dust concentration of each size in following wind

图6 逆风割煤各粒径粉尘浓度变化及占比Fig.6 Change and proportion of dust concentration of each size in upwind

4 结 论

1）顺风割煤条件下，后滚筒周围PM5 和PM10粉尘起始浓度较高，随后逐渐降低趋于稳定，前滚筒周围粉尘浓度起初较低，70～80 s 后急剧升高；逆风割煤条件下，前滚筒周围PM5 和PM10 起始浓度较高且波动较大，后滚筒周围粉尘浓度约60～70 s后陡然升高，比顺风割煤时的时间变化点早约10 s，说明在采煤机尘源附近逆风割煤时粉尘的扩散速率更快，运动更剧烈。

2）顺风割煤时，PM5 粉尘在采煤机下风侧10 m左右达到最高值约1 200 mg/m3，然后逐渐降低至采煤机下风侧40 m 左右趋于稳定浓度约300 mg/m3；逆风割煤时，PM5 粉尘在采煤机下风侧6 m 左右达到最高约1 300 mg/m3，而在采煤机下风侧约20 m趋于稳定值700 mg/m3左右，其距离远小于顺风割煤的稳定值点，说明在工作面沿程路径上逆风割煤时粉尘的运移速率更快，PM10 与全尘的变化过程与PM5 类似。

3）顺风割煤时，PM5 占全尘的比例起始较高，在采煤机下风侧15 m 左右降至最低，随后在风流的作用下再次升高，PM10 占比整体呈下降趋势；逆风割煤时，PM5 和PM10 占全尘的比例整体呈下降趋势且变化幅度不大，2 种条件下，PM5 占比都在60%～80%之间，而PM10 高达65%～95%以上，因此，采煤工作面应采取针对可吸入粉尘特别是呼吸性粉尘的有效措施。