大采高综采工作面作业区域粉尘溯源研究

王存飞

(神华神东煤炭集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

当前我国煤矿安全生产状况明显好转，但煤矿尘肺职业危害上升的趋势未得到有效遏制，诱发的尘肺病报告病例数逐年增加；同时高浓度的粉尘造成了视频监控数据采集困难、信号弱且图像极不清晰等问题，影响了各类自动化系统监测、传输及控制的可靠性和稳定性[1-4]。煤矿综采工作面粉尘危害主要表现为诱发尘肺病和降低综采工作面可视化程度。目前大采高综采技术是实现煤炭生产向集约、高效、安全发展的必然趋势[5]，已经在我国神东、陕北等大型煤炭基地普遍推行，特别是8 m大采高综采技术的应用极大地提升了综采工作面的机械化程度和开采强度，生产效率得到提升的同时也使综采工作面的粉尘问题日益突出，亟待有效治理。目前国外没有类似8 m大采高综采工作面，无此类粉尘治理经验可循；国内也是近几年才出现，基础理论研究较少，无相应的理论与技术支撑，多数研究以风流分布规律[6-9]为主，粉尘治理缺乏针对性。针对该问题，笔者对8 m大采高综采工作面作业区域的粉尘进行溯源研究，可为综采工作面的粉尘有效治理提供基础理论依据。

1 大采高综采工作面工艺及产尘扩散特点

相较于一般的综采工作面，大采高综采工作面具有特有的工艺及产尘特点。以神东公司补连塔煤矿12513大采高综采工作面为例，工作面最大采高8.0 m，采用倾斜长壁后退式一次采全高，全部垮落法处理采空区的综合机械化采煤法，同时采用端头斜切进刀、割煤、移架、推移刮板输送机的作业方式，前滚筒割顶煤、后滚筒割底煤，双向割煤，往返一次割2刀的循环方式，以及追机移架方式对顶板进行及时支护，滞后采煤机前滚筒2～3架拉架，如图1(a)所示(实心箭头为风流方向，空心箭头为采煤机行走方向，两方向相同时称为顺风，反之则称为逆风)。而一般的综采工作面虽然采煤方法和作业方式相同，采煤机仅在逆风行走时割顶煤，顺风时扫底，往返一次割1刀煤，如图1(b)所示。

(a)大采高综采工作面生产工艺

除此之外，大采高综采工作面的人员在液压支架立柱内侧作业，而一般的综采工作面人员多在液压支架立柱外侧作业，虽然人员作业区域的粉尘均是来自源于采煤机割煤和降柱移架两个主要尘源，但粉尘扩散路径存在较大差异。大采高综采工作面人员作业区域的粉尘一部分是降柱移架时掩护梁处高位洒落的粉尘扩散而来，一部分是采煤机割煤产生的粉尘绕流支架立柱扩散而来，如图2(a)所示；而一般综采工作面人员作业区域的粉尘一部分是采煤机割煤产生的粉尘扩散而来，一部分是降柱移架产生粉尘绕流支架立柱扩散而来，如图2(b)所示。粉尘扩散路径的不同直接影响着作业区域的粉尘来源占比，决定了综采工作面的治理难点与重点。现场观察发现，大采高综采工作面人员作业区域的粉尘多来源于降柱移架，而一般综采工作面人员作业区域的粉尘多来自采煤机割煤，但未具体量化。因此，开展8 m大采高综采工作面人员作业区域的粉尘溯源研究，对其粉尘的针对性治理具有极其重要的指导意义。

图2 大采高综采工作面和一般综采工作面人员作业区域粉尘扩散路径

2 粉尘运移规律的数值模拟

2.1 简化物理模型的建立及参数设置

基于补连塔煤矿12513大采高综采工作面建立简化物理模型，设置采煤机滚筒及降柱移架掩护梁位置为尘源点，模型及其参数如图3和表1所示。设置入口边界条件设为1.0 m/s，选取标准k-ε双方程湍流模型和DPM离散相模型进行计算[8-11]，参数设置见表2。

(a)逆风割煤工况 (b)顺风割煤工况

表1 模型参数

表2 DPM模型参数设置

2.2 单一尘源作用时人员作业区域呼吸尘分布

基于上述计算模型和参数设置，首先对采煤机割煤、降柱移架两个主要尘源单独作用时的粉尘浓度分布进行计算。采煤机顺风割煤时，下风侧滚筒割顶煤，上风侧滚筒割底煤，而采煤机逆风割煤时，上风侧滚筒割顶煤，下风侧滚筒割底煤，工况差异性较大，在单一尘源作用条件下需分别计算。而降柱移架尘源一般在采煤机中部位置，顺风和逆风割煤时扩散基本相同，仅计算顺风割煤时降柱移架的粉尘运移情况，最终得到3种不同工况条件下平行于工作面底板方向的截面上的粉尘质量浓度分布，如图4 所示。

(a)采煤机逆风割煤时单一尘源

由图4可知，顺风和逆风割煤两种工况条件下，采煤机滚筒割煤产生的粉尘绝大部分是在立柱前随风流向下风侧运移，小部分向人行道一侧扩散；降柱移架产生的粉尘多是随风流沿支架顶梁和掩护梁内壁向下运移，单一作用时扩散影响范围远大于采煤机滚筒割煤的影响范围[12-16]。此外，3种工况时，采煤机附近人员作业区域范围内的粉尘质量浓度要远低于采煤机下风侧区域的粉尘质量浓度。

采煤机附近人员作业区域呼吸带(模型中y=10～50 m，x=2.5 m，z=2.85 m直线)粉尘质量浓度分布如图5所示。

图5 单一尘源作用时采煤机附近人员作业区域呼吸带高度粉尘质量浓度分布图

由图5可知，采煤机附近人员作业区域呼吸带高度粉尘质量浓度均在150 mg/m3以下，采煤机逆风割煤时单一尘源产生的粉尘是从y=25 m位置逐渐向人行道扩散，扩散较慢；采煤机顺风割煤时，单一尘源产生的粉尘是从y=30 m位置逐渐向人行道扩散，扩散相对较快，在y=40 m位置能达到130 mg/m3左右；而降柱移架单一尘源产生的粉尘质量浓度则是在y=35 m位置达到最高值，约为90 mg/m3，有先下降后上升的变化趋势。

2.3 两个尘源共同作用时人员作业区域呼吸性粉尘分布

在上述计算的基础上，对采煤机割煤、降柱移架两个主要尘源共同作用时的粉尘质量浓度分布进行计算，得到逆风、顺风割煤两种工况时平行于工作面底板方向的截面上的粉尘质量浓度分布，如图6 所示。

(a)逆风割煤工况

图6中逆风、顺风割煤两种工况时，采煤机滚筒割煤产生的粉尘随风流沿煤壁一侧向下风侧运移，降柱移架产生的粉尘随风流沿支架一侧向下风侧运移，并在y=70 m位置汇合，进而弥漫在整个人行道作业区域，且逆风割煤两个尘源产生的粉尘汇合后的影响范围要明显大于顺风割煤。

采煤机附近人员作业区域呼吸带(模型中y=10～50 m，x=2.5 m，z=2.85 m直线)粉尘质量浓度分布如图7所示。

图7 两个尘源共同作用时采煤机附近人员作业区域呼吸带高度粉尘质量浓度分布图

由图7可知，在两个尘源共同作用时，顺风割煤和逆风割煤两种工况条件下，采煤机附近人员作业区域内的粉尘质量浓度均从y=28 m位置开始急剧增大，并在y=35 m位置达到最高值。逆风、顺风割煤两种工况条件下的呼吸性粉尘质量浓度最高分别为120.0、223.8 mg/m3左右。

3 粉尘运移规律的现场测试

为进一步掌握8 m大采高综采工作面的粉尘运移规律，在补连塔煤矿12513大采高综采工作面对人行道一侧的呼吸性粉尘质量浓度进行现场测试，测点布置如图8所示。

(a)顺风割煤

为得到更加准确的测试数据，首先安排采煤机暂停割煤作业，只进行降柱移架操作，并安排多人同时进行测尘得到降柱移架时人员作业区域呼吸带高度处的呼吸性粉尘质量浓度，再暂停降柱移架作业，多人同时测尘得到顺风和逆风割煤两种工况条件下人员作业区域呼吸带高度处的呼吸性粉尘质量浓度，测试结果见图9。

(a)顺风割煤

由图9可以看出，液压支架降柱移架单一尘源作用时，在降柱移架尘源点(采煤机中部，横坐标 35 m 处)下风侧5 m位置人员呼吸带的粉尘质量浓度(90.7 mg/m3)最大，经过一段时间的沉降后在尘源点下风侧40 m(横坐标75 m处)降低至20 mg/m3，最终进入到回风巷。顺风割煤时，采煤机割煤尘源单一作用时，扩散至人行道空间最高呼吸性粉尘质量浓度为111.6 mg/m3，在机尾10 m处采煤机割煤和降柱移架两个尘源共同作用时人行道最高呼吸性粉尘质量浓度为203.8 mg/m3，在煤机中部位置。逆风割煤时，采煤机割煤尘源单独作用时，扩散至人行道空间最高呼吸性粉尘质量浓度为71.7 mg/m3，在采煤机中部位置，两个尘源共同作用时人行道最高呼吸性粉尘质量浓度为118.3 mg/m3。

4 人员作业区域粉尘来源占比分析

为进一步验证数值模拟和现场实测的数据真实性，在采煤机割煤和降柱移架两个尘源共同作用工况条件下，对采煤机附近人员作业区域呼吸带高度上的粉尘质量浓度进行对比，结果如图10所示。

(a)顺风割煤

由图10可见，数值模拟和现场实测得到的采煤机附近人员作业区域呼吸性粉尘质量浓度基本相同，能够较好地反映8 m大采高综采工作面采煤机附近的粉尘污染情况。采煤机顺风割煤时，人行道区域内呼吸性粉尘质量浓度最大值出现在采煤机中部，为203.8 mg/m3，其中降柱移架产生的呼性性粉尘质量浓度为90.7 mg/m3，占比约为44.50%；采煤机逆风割煤时，人行道区域内呼吸性粉尘质量浓度最高点也位于采煤机中部，为118.3 mg/m3，其中降柱移架产生的呼吸性粉尘质量浓度为90.7 mg/m3，占比约为76.69%。

5 结论

1)由数值模拟和现场实测结果可知，8 m大采高综采工作面顺风割煤、逆风割煤两种工况时，采煤机滚筒割煤产生的粉尘绝大部分是在立柱前随风流向下运移，小部分逐渐向人行道一侧扩散；降柱移架产生的粉尘多是随风流沿人行道一侧向下运移，并在采煤机下风侧汇合，降柱移架尘源单一作用时扩散影响的范围要远大于采煤机割煤尘源单一作用时的影响范围。

2)数值模拟和现场实测的结果基本相同，8 m大采高综采工作面顺风、逆风割煤两种工况时，在两个尘源共同作用下，人行道呼吸性粉尘最高质量浓度出现在采煤机中部位置，分别为203.8、111.6 mg/m3，此处降柱移架产生的粉尘质量浓度为90.7 mg/m3，占比分别为44.50%、76.69%，与一般采高综采工作面具有显著的不同。因此，在大采高综采工作面粉尘防治时要重点开展对降柱移架尘源的治理。