综放工作面转载破碎点PM_...PM_(10)粉尘分布规律_王海凤.pdf

文章编号:1009-6094(2023)04-1139-08综放工作面转载破碎点 PM5及PM10粉尘分布规律*王海凤1，刘晴2，郝永江3，4，赵振保3，4(1 山西华阳集团新能股份有限公司，山西阳泉 045008;2 山西潞安环保能源开发股份有限公司，山西长治 046204;3 煤矿粉尘智能监测与防控山西省重点实验室，太原 030024;4 太原科技大学安全与应急管理工程学院，太原 030024)摘要:为了对综放工作面转载破碎点提出有效的防尘措施，从宏观上研究 PM5和 PM10粉尘的分布规律。在进风顺槽内靠近煤壁侧布置 10 个测点，对 PM5和 PM10粉尘质量浓度进行实时监测，同时采用数值模拟的方法建立转载破碎点几何模型并解算，将模拟与实测结果进行对比分析并得到了转载破碎点及周围工作空间的整体污染状况。结果表明:转载机周围无论是呼吸性粉尘和还是可吸入粉尘变化都比较稳定且产尘较多，破碎机周围呼吸性粉尘的产尘速率相对较低，但由于扩散较慢使粉尘不断积累;前溜和后溜周围可吸入粉尘的占比相对较高，同时受风流影响，前后溜中部和后溜处粉尘质量浓度升高明显;实测和模拟结果的浓度变化趋势基本相同，而高浓度粉尘主要集中于离地面 1 m 左右，且一直蔓延到整个进风顺槽和工作面;转载机机头 1 m 处、破碎机处以及前溜和后溜处是综放工作面进风顺槽转载破碎区域的主要起尘点，且以呼吸性粉尘和可吸入粉尘为主，治理时应高度重视。关键词:安全卫生工程技术;转载;破碎;PM5粉尘;PM10粉尘中图分类号:X936文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.1642*收稿日期:2022 08 06作者简介:王海凤，高级工程师，从事安全工程及科技管理工作，1742380081 qq com。基金项目:山西省高等学校科技创新项目(2021L330);山西省基础研究计划项目(202103021224277)0引言尘肺病是井下工人常见的职业病之一1 3，据统计，煤炭行业在所有行业当中患尘肺病的比例排在前 3。近年来，随着国家对职业健康工作逐步重视，以及 中华人民共和国劳动保护法、中华人民共和国职业病防治法 等法律文件的颁布实施，煤矿企业对尘肺病的防治也逐步重视。防治尘肺病的关键是对井下粉尘进行治理，而大多数研究主要针对采掘工作面，对于煤矿生产的其他环节则很少重视，实际上在煤的转载和破碎过程中，产尘量有时甚至高于采掘工作面，其危害不容忽视。同时，治理粉尘需先了解粉尘的分布规律，而以往研究也以工作面为主。1960 年，Hodkinson4 通过试验研究了粉尘在风巷中的弥散规律，为粉尘浓度场与风速场之间的关系研究奠定了基础，2020年，李世勇5 通过研究综采面采煤机割煤粉尘的运移规律最先研制了组合式采煤机喷雾负压降尘净化装置，并得出最佳喷雾压力。2019 年，冯振6 分析了综采工作面的粉尘运移规律并首次报道了各产尘工序的呼尘占比，而移架作为主要的产尘工序其粉尘分布特征也受到广泛的研究和关注7。2014 年，左前明8 最先报道了大采高综采工作面的煤尘扩散运移规律并总结出大采高综采工作面与普通采高综采工作面风流粉尘运移规律的区别，也有学者根据大采高综采工作面的粉尘分布特征提出了降尘措施和建议9 10。2017 年，庞杰文等11 通过现场测量首次得出了长抽短压通风下综掘工作面的粉尘分布特征，2020 年，陈芳12 通过现场实测对综放工作面产尘特性及粉尘浓度分布规律进行了分析，最先提出以尘源跟踪系统为依托、静压喷雾与高压喷雾相结合的治理措施。近年来，很多学者对引起尘肺病的主要粉尘颗粒即可吸入粉尘(PM10)和呼吸性粉尘(PM5)等进行了分析。2013 年，聂百胜等13 首次将 PM2.5和 PM10作为井下工作面粉尘分布的评价参数，其后又有学者通过现场测试得出大采高综采工作面和采煤机滚筒尘源区 PM2.5、PM5及 PM10的粉尘分布规律14 15。2019 年，许圣东16 研究了大采高综采面呼吸尘的分布时空演化规律，为大采高综采面防尘设备的研发奠定了基础。2016 年，刘芳等17 通过分析露天煤矿开采区的 PM10和 PM2.5污染特征，首次提出湿度是影响粉尘质量浓度和分布的主要因素。以上研究均以工作面采煤过程为重点，而对产尘较大的转载和破碎过程研究甚少。本课题组针对综放工作面转载破碎点的产尘特性，利用数值模拟的方法得出其粉尘的扩散运移规律18，并从微观上分析了其粉尘分布特征19，但未从宏观上研究其微细粉尘的变化特性。因此，本文以某矿 23114 综放工作面转载破碎点为研究对象，通过测定分析，从宏观上研究综放工作面转载破碎点 PM5和 PM10粉尘的时空变化规律，从而为采取有效的防尘措施提供参考。1转载破碎点粉尘分布测定选取某矿 23114 综放工作面转载破碎区域进行9311第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，2023测定，转载机、破碎机和皮带输送机布置于进风顺槽内，巷道断面为矩形，宽为 5.5 m，高为 3.8 m，采用锚杆、锚索、钢带、金属网联合支护，经测定巷道平均风速为 1.28 m/s。首先测点布置于煤壁侧，这是工人的主要活动和接尘区域，测点高度在呼吸带高度附近，约 1.5 m，其次以主要产尘点即转载机、破碎机、前后溜为中心进行布置，另外测点尽可能均匀分布且在主要产尘点处较为密集，分别为转载机机头2 m、1 m 及机头处，破碎机与机头中部，破碎机前方1 m 及破碎机处，转载机机尾处，前后溜及中部，共10 个测点，编号为 1 10，具体见图 1。采用美国TSI 公司生产的 SidePak AM520i 型个体暴露粉尘仪进行粉尘质量浓度实时监测，自采煤机从机头正常割煤时开始测定，每个测尘点都从刚起尘时进行记录，2 个测点为一组，利用 2 台仪器同时进行，先后进行 PM5和 PM10粉尘质量浓度测定，前一组测点测试完成后立即进行下一组测定，保证各测点都在同一工况下进行测定。图 1现场测点分布Fig 1Measuring points distribution in field2转载破碎点粉尘测定结果及分析2.1各测点粉尘质量浓度随时间的变化规律1)PM5粉尘质量浓度。根据测定结果可得 1 10 号测点 PM5粉尘质量浓度随时间的变化规律，见图 2。从图 2 可以看出:1)转载机机头 2 m 处、1 m 处及转载机机头处 PM5粉尘质量浓度的整体变化趋势基本相同，都是在某一值附近向上波动，表明这些区域持续不断地产生呼吸性粉尘，而转载机机头 1 m处粉尘质量浓度波动最大，这是因为此处为煤块在胶带输送机上的主要落点，在撞击下不断产生大量呼吸性粉尘，且呼尘的占比较高;2)破碎机与机头中部及破碎机前方 1 m 处粉尘质量浓度逐渐减低并趋于平稳，这是风流稀释作用的结果，到破碎机处呼尘浓度又随时间在平稳中逐渐升高，表明破碎机也产生大量呼吸性粉尘并不断积累，但产尘速率相对较慢;转载机机尾处粉尘质量浓度起初较稳定然后突然升高，这是受前后溜落煤影响，产生呼吸性粉尘;3)前溜和后溜处呼吸性粉尘质量浓度变化剧烈，有高有低，波动较大，这是因为在煤块转载过程中，由于落差源源不断的产生大量粉尘，呼尘占比相对于前两处较小，所以高低起伏较大，而前溜与后溜中部变化相对平稳。综合以上分析可知，转载机机头 1m 处、破碎机处及前溜和后溜处产生大量呼吸性粉尘，且前两处粉尘中呼尘的占比相对较高。2)PM10粉尘质量浓度。根据测定结果可得1 10 号测点 PM10粉尘质量浓度随时间的变化规律，见图 3。从图 3 可以看出:1)转载机机头 2 m 处、1 m 处及转载机机头处 PM10粉尘质量浓度变化比较稳定且基本相同，结合图 2 可知，PM5和 PM10在此处的变化都相对稳定且趋势基本一致，这是因为此处产尘量较大，点多面广，因此为粉尘治理的主要对象;2)破碎机与机头中部在风流的作用下质量浓度变化相对平均，而破碎机前方 1 m 处和破碎机处 PM10粉尘质量浓度变化趋势基本相同且逐渐减小，表明破碎机处漏出的可吸入粉尘使得粉尘质量浓度上升后又随风流逐渐扩散而下降，转载机机尾处粉尘质量浓度也呈微弱下降趋势，然后在落煤影响下有所反弹;3)前溜、前溜与后溜中部变化趋势基本相同，而后溜处变化相对平稳，3 处都是在稳定中有突变，表明此3 处尘源中 PM10占比相对稳定且比例较高，而前溜产生的可吸入粉尘随风流飘散到下风向，使得后两处质量浓度更高。总之，转载机和破碎机附近粉尘以呼吸性粉尘为主，这是因为转载机附近粉尘经破碎机处理后，形成大小不一且表面不稳定的小煤块，再经转载机运送时不断颠簸又分裂成更小的煤粒，从转载机出口以一定速度落到胶带输送机上，猛烈地撞击再次分裂，煤块经过3 次能量释放后形成细小的粉尘颗粒，因此以呼吸性粉尘为主;而破碎机附近粉尘由于处于全封闭的有限空间内，当破碎机处理后不断积聚在防护罩内部，经过二次破碎和煤粒间摩擦粉尘颗粒不断减小，呼吸性粉尘质量浓度不断升高。前溜和后溜处粉尘由于只是经采煤机割煤后产生的原始大煤块，所以从刮板输送机掉落时较大的势能使煤块破裂同时产生粒径较大的粉尘颗粒，以可吸入粉尘为主。2.2各测点粉尘质量浓度随空间的变化规律根据测定结果还可以得到 1 10 号测点 PM5和PM10粉尘的平均质量浓度，见表1。由表1 可得进风顺槽沿程各测点 PM5和 PM10粉尘质量浓度变化，见0411Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期图 2PM5粉尘质量浓度随时间变化规律Fig 2Variation of PM5dust mass concentration with time14112023 年 4 月王海凤，等:综放工作面转载破碎点 PM5及 PM10粉尘分布规律Apr，2023图 3PM10粉尘质量浓度随时间变化规律Fig 3Variation of PM10dust mass concentration with time2411Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期图 4。从图 4 可以看到:1)在进风顺槽中沿着风流方向，PM5和 PM10粉尘质量浓度均在转载机机头 1 m处和破碎机处达到峰值，这是因为煤块从行进的转载机落到胶带输送机上时，有一定的初速度，又在重力的作用下下落，通过现场测量数据可计算出煤块可抛向前方约 1 m，但有些煤块受风流和其他外力影响有所偏移，总体上转载机机头 1 m 处为主要落煤区域，随之产尘量也较大，尤其 PM5和 PM10粉尘较多;2)对于破碎机处，其粉尘主要来源于两防护罩间由于连接不够吻合而产生的缝隙，同时由于防护罩外部风速较大而产生内外压差，使得内部粉尘快速弥散到巷道中，此处也是主要的产尘源;3)在前溜和后溜处，煤块经行进的刮板输送机落到转载机上时，表 11 10 号测点 PM5和 PM10粉尘的平均质量浓度Table 1Average mass concentration of PM5and PM10dust at No 110 measuring points测点测点位置PM5质量浓度/(mgm3)PM10质量浓度/(mgm3)1转载机机头 2 m 处164.75282.442转载机机头 1 m 处385.54471.193转载机机头处242.36330.774破碎机与机头中部108.73241.065破碎机前方 1 m 处180.78284.676破碎机处282.48400.217转载机机尾处146.34274.898前溜处177.66298.249前溜与后溜中部182.66301.3110后溜处193.33338.94图 4沿程各点 PM5和 PM10粉尘质量浓度变化Fig 4Variation of dust mass concentration of PM5and PM10at each point along the way由于此处煤块普遍较大而携带的势能较高，因此接触瞬间也会产生一定量粉尘，质量浓度稍有升高;4)整体上看 PM5和 PM10粉尘质量浓度起伏较大，表明在转载机机头 1 m 处、破碎机处、前溜及后溜处这几个主要尘源处产生的可吸入粉尘及呼吸性粉尘所占比例较高，而这些正是引起尘肺病的主要元凶，应加以重视。3实测与模拟对比分析现场实测只能测得部分地点的粉尘质量浓度，采用数值模拟的方法，可以得出转载破碎点及周围工作空间的整体污染状况。根据进风顺槽现场实际情况，使用 GAMBIT 建立进风顺槽转载破碎点的三维几何模型进行数值模拟，将模拟结果与实测结果进行对比分析。3.1测点粉尘质量浓度随时间变化的对比分析由于篇幅所限，选取两个主要的产尘位置，即转载机机头 1 m 处和破碎机处的粉尘质量浓度变化情况进行对比分析，见图 5 和6。从图5 和6 可以看出如下内容。1)模拟曲线相对光滑，这是因为模型忽略了一些次要因素且初始和边界条件与实际情况有所偏差，但模拟结果与实测结果的变化趋势基本相同，表明该模型的模拟结果可以反映现场粉尘质量浓度的变化情况;2)整体上看，对于 PM5粉尘，转载机机头 1 m 处的质量浓度要远高于破碎机处，且转载机机头 1 m 处在初始阶段质量浓度陡然升高，表明在短时间内煤块与胶带输送机撞击后产生大量呼吸性粉尘，之后随风流飘散而质量浓度降低并趋于稳定，破碎机处质量浓度则呈稳步上升的趋势，表明此处呼尘产尘速率相对较慢，并与上风向呼尘汇集后逐步积累;对于 PM10粉尘，转载机机头1 m 处质量浓度变化较稳定，表明此处产生大量可吸入粉尘且受风流影响较小，而破碎机处质量浓度呈稳步下降的趋势，表明此处主要产生呼尘，可吸入粉尘则由于风流稀释而质量浓度不断减小。3.2测点粉尘质量浓度随空间变化的对比分析在进风顺槽内，工人主要在煤壁侧进行作业，因此选取进风顺槽内煤壁侧距防护罩 0.5 m 处粉尘变化云图进行分析，另外通过模拟也可得到沿程各点的 PM5和 PM10粉尘质量浓度，处理后与实测质量浓度进行对比，见图 7 和 8。从图 7 和 8 可以看出如下内容。1)距地面约 1m 处的粉尘质量浓度最高，而大部分工人都会高频率地俯身工作，此时口鼻处高度也是 1 m，人工作时34112023 年 4 月王海凤，等:综放工作面转载破碎点 PM5及 PM10粉尘分布规律Apr，2023图 5PM5粉尘质量浓度随时间变化的对比Fig 5Comparison of PM5dust mass concentrationvariation with time图 6PM10粉尘质量浓度随时间变化的对比Fig 6Comparison of PM10dust massconcentration variation with time会增加呼吸的频率，随之吸入大量的微细粉尘。整体上看，转载机周围的粉尘质量浓度偏高且影响范图 7进风顺槽内煤壁侧距防护罩 0.5 m粉尘体积分数变化图Fig 7Dust volume fraction variation diagram of 0.5 m toprotective cover at coal wall side in intakeairflow roadway图 8沿程各点 PM5和 PM10粉尘质量浓度变化的对比Fig 8Comparisons of dust mass concentration variationof PM5and PM10at each point along the way围较广，而值班的工人大都在此处停留和休息，这都会增加患尘肺病的风险。总体上，进风顺槽内转载破碎区域各产尘点的产尘量较大，在风流的作用下汇入采煤工作面，然后弥散到整个工作空间，使粉尘的污染加剧。2)模拟的 PM5和 PM10粉尘质量浓度与实测质量浓度基本一致，进一步表明模拟的合理性，但模拟值均低于实测值，这是由于实测过程中由于片帮等其他情况产尘造成粉尘质量浓度瞬时升高，从而使得实测的平均质量浓度高于模拟值。4结论1)转载机机头 2 m 处、1 m 处及转载机机头无论是呼吸性粉尘和还是可吸入粉尘变化都比较稳定且产尘较多，破碎机处产生大量呼吸性粉尘并不断积累，但产尘速率相对较慢。前溜、前后溜中部及后溜处可吸入粉尘占比稳定且比例较高，同时受风流影响，前后溜中部和后溜处粉尘质量浓度高于前溜处。2)现场实测和模拟结果的粉尘质量浓度变化趋势基本相同，验证了模拟的正确性。由模拟结果可4411Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期知，综放工作面进风顺槽内，高质量浓度粉尘主要集中于离地面 1 m 左右，且一直蔓延到整个进风顺槽，并随风流飘入工作面，对整个工作空间造成污染，工人作业时会吸入大量粉尘，增加患尘肺病的概率。3)综放工作面转载破碎区域，转载机机头 1 m处、破碎机处以及前溜和后溜处是进风顺槽内的主要产尘点，这些地点会产生大量呼吸性粉尘，尤其转载机机头 1 m 处和破碎机处产生的粉尘中呼吸性粉尘的占比相对较高，因此，治理粉尘时应高度重视。参考文献(eferences):1孟筠青，王丽娟，王顾儒，等 表面活性剂对硅尘润湿性影响的分子模拟研究J 安全与环境学报，2022，22(2):1 8.MENG J Q，WANG L L，WANG G，et al Molecularsimulation of the influence of surfactants on the wettabilityof silicon dustJ Journal of Safety and Environment，2022，22(2):1 8.2 黄平，范泽远，王丹，等 1 m3粉尘环境模拟装置粉尘扩散数值模拟J 安全与环境学报，2021，21(6):2541 2549.HUANG P，FAN Z Y，WAMG D，et alNumericalsimulation study on the dust diffusion in the 1 m3dustenvironmentsimulator J JournalofSafetyandEnvironment，2021，21(6):2541 2549.3孙超，王旭，李葆杭 尘肺病风险评估与预警研究 J 煤矿安全，2019，50(11):254 256.SUN C，WANG X，LI B H isk assessment and earlywarning of pneumoconiosisJ Safety in Coal Mines，2019，50(11):254 256.4 HODKINSON J The relation between ventilationairspeed and respirable airborne-dust concentration incoalminesJ Colliery Engineering，1960，6(23):126 138.5 李世勇 综采面采煤机割煤粉尘运移规律及降尘技术 J 山东煤炭科技，2020，2(2):82 85.LI S YCoal dust migration law and dust reductiontechnology in fully mechanized mining face J ShandongCoal Science and Technology，2020，2(2):82 85.6 冯振 综采工作面粉尘运移规律及喷雾降尘技术研究 D 西安:西安科技大学，2019.FENG Z esearch on dust diffusion law and spray dustreduction technology in fully mechanized mining faceD Xi an:Xi anUniversityofScienceandTechnology，2019.7 周刚，尹文婧，冯博 综采工作面移架尘源粉尘 雾滴场分布特征模拟分析与工程应用J 煤炭学报，2018，43(12):3425 3435.ZHOU G，YIN W J，FENG B Numerical simulation onthe distribution characteristics of dust-droplet field duringsupport movement in a fully-mechanized mining face andrelated engineering applicationsJ Journal of ChinaCoal 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fullymechanized coal caving faceWANG Hai-feng1，LIU Qing2，HAO Yong-jiang3，4，ZHAO Zhen-bao3，4(1 Shanxi Huayang Group New Energy Co，Ltd，Yangquan045008，Shanxi，China;2 Shanxi Lu an Environmental EnergyDevelopment Co，Ltd，Changzhi 046204，Shanxi，China;3Intelligent Monitoring and Control of Coal Mine Dust KeyLaboratory of Shanxi Province，Taiyuan 030024，China;4School of Safety and Emergency Management Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)Abstract:To put forward effective dust control measures for thetransfer and crushing point in fully mechanized coal caving face，the distribution law of PM5and PM10dust was studied from themacro perspective Firstly，10 measuring points were arrangedalong the intake airflow roadway near the coal wall and the maindust-producing points were taken as the center The SidePakAM520i individual exposure dust meter was used to monitor theconcentration of PM5and PM10dust in real-time，and the spaceand time variation of dust mass concentration at each measuringpoint was obtained Then，the geometric model of the transferand crushing point was established by numerical simulation andthe calculation was made The simulation results were comparedwith the measured results and the overall pollution status of thetransfer and crushing point and the surrounding workspace wasobtained The results show that the changes of respirable andinhalable dust at 2 m and 1 m of the reversed loader head and thereversed loader head are relatively stable and produce more dustA large amount of respirable dust is generated and accumulatedaround the crusher，but the dust production rate is relativelyslow The proportions of inhalable dust at the front，middle offront and back，and back passes are stable and high The dustmass concentrations at the middle of the front and back and backpasses are higher than that at the front pass due to the influenceof wind The variation trends of dust mass concentration of thefield test and simulated results are almost the same，whichverifies the correctness of the simulationAccording to thesimulated results，the high concentration of dust is mainlyconcentrated about 1 m above the ground in the intake airflowroadway of the fully mechanized coal caving face and has spreadto the whole intake airflow roadway，floating into the workingface with the wind，and causing pollution to the whole workingspace The 1 m of the reversed loader head，the crusher，andthe front and back passes are the main dust production points atthe transfer and crushing area of the fully mechanized coal cavingface，where large amounts of respirable dust are producedEspecially，the respirable dust takes a relatively high proportionat 1m of the reversed loader head and the crusher，where highattention should be paid to dust controlKeywords:safetyandhygieneengineeringtechnology;transfer;crushing;PM5dust;PM10dust6411Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期