許文忠

（晉能控股煤業(yè)集團朔州朔煤王坪煤電公司， 山西 朔州 038300）

引言

煤礦開采過程中會產(chǎn)生大量的煤塵，細微塵粒會隨著風(fēng)流在巷道內(nèi)漂浮，當(dāng)工人吸入大量的細微塵粒后會導(dǎo)致工人產(chǎn)生塵肺病的呼吸道感染疾病[1]。除健康問題外，大量煤塵會引起煤塵爆炸，煤塵爆炸會給煤礦及社會帶來極大的傷亡損失，所以需要對煤塵的產(chǎn)生進行研究[2]。掘進機作為主要的掘進設(shè)備，需要對掘進機的鎬型截齒截割煤時的狀態(tài)進行研究。

1 鎬型截齒割煤破碎產(chǎn)塵過程

1）壓碎區(qū)形成。截齒的齒尖部分由于采用特殊材料會有較強的硬度，當(dāng)齒尖接觸到煤體時，會產(chǎn)生擠壓力，由于齒尖部分接觸面積小會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，并通過煤體向內(nèi)部傳遞，隨著傳遞距離的增加，應(yīng)力逐漸減小。煤的脆性決定了當(dāng)齒尖侵入時會發(fā)生彈性形變[3]。當(dāng)壓應(yīng)力大于煤的抗壓極限時，煤體就會發(fā)生塑性形變，變成壓碎區(qū)。

2）粉化核形成。壓碎區(qū)形成后，由于鎬型截齒還需要不斷向煤體內(nèi)部施壓，已經(jīng)破碎的煤此時無法被及時排出到外部，就會造成壓碎區(qū)的煤體在持續(xù)壓應(yīng)力作用下，形成高度粉化核。粉化核在繼續(xù)傳遞能量過程中會使其粉化核體積逐漸增大。粉化核是截割過程中粉塵的首要來源。

3）裂紋萌生與擴展。截齒的逐漸深入會使粉化核的煤體積蓄應(yīng)力和能量，當(dāng)達到煤體自身的應(yīng)力極限時，微裂紋會與粉化核周圍未發(fā)生變化的煤體一塊形成微小的裂紋，裂紋逐漸發(fā)展及合并就會形成宏觀裂紋。煤體內(nèi)部的裂紋發(fā)展速度很快，所以宏觀裂紋的擴展也是一個快速的過程。

4）新自由面形成。當(dāng)空氣與由宏觀裂紋形成的貫通裂隙相結(jié)合后，會形成新的自由面。

5）粉化核應(yīng)力解除。新自由面的形成，煤體上會有很多煤塊開始掉落，此時，粉化核的應(yīng)力狀態(tài)會被解除，細小顆粒會隨著煤塊掉落，細微顆粒會在空中漂浮，形成煤塵。

2 采煤機截齒與粉塵產(chǎn)生的關(guān)系研究

通過對鎬型截齒破煤過程的分析，可以發(fā)現(xiàn)粉化核是產(chǎn)塵的主要位置。文中通過計算該區(qū)域的體積來體現(xiàn)對產(chǎn)塵數(shù)量的評價。假設(shè)煤塊的初始狀態(tài)無外加應(yīng)力作用（如圍壓等），彈-塑性區(qū)交界面的位置與齒尖和煤體的接觸半徑相關(guān)，塑性區(qū)體積變化包括侵入的截齒以及其他非彈性體積變化而替代的煤巖體積[4]。塑性區(qū)屈服準(zhǔn)則服從F（σij）=0，以摩爾-庫倫準(zhǔn)則以及塑性勢能為基礎(chǔ)：

式 中 ：σr為 徑 向 應(yīng) 力 ，MPa；Kp為 被 動 系 數(shù) ，Kp=（1+sinφ）/（1-sinφ）；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）。σθ為環(huán)向應(yīng)力，MPa。σc為單軸抗壓強度，MPa。

結(jié)合鎬形截齒割煤產(chǎn)塵過程，當(dāng)鎬形截齒對煤施加應(yīng)力時，煤自身達到的塑性屈服極限時，煤的形變能和損傷能會以動能、表面能等能量形式進行釋放。通過對鎬形截齒破煤過程受到的應(yīng)力分析得到，當(dāng)鎬形截齒施加一定的應(yīng)力時，彈性形變能的存儲在齒尖下方會形成彈性形變區(qū)，壓碎區(qū)和粉化核的形成可以看作是塑性變形的能量釋放，再到產(chǎn)生裂紋及最終形成自由面與粉化核的解除對應(yīng)著動能及表面能的能量釋放。分析鎬形截齒對破煤過程的應(yīng)力變化及能量轉(zhuǎn)化過程，能夠充分了解到粉塵的產(chǎn)生源頭及產(chǎn)生原因，能夠從根本上為減塵降塵提供理論基礎(chǔ)。

3 減塵改造措施

煤塵的產(chǎn)生可以從外因和內(nèi)因兩方面進行改造。以朔州煤礦使用的三一EBZ160 掘進機為例，截割臂直徑550 mm，截割頭為1.02 m×0.94 m 的圓錐臺、轉(zhuǎn)速23 r/min，相應(yīng)截割功率為160/100 kW，所用截齒齒尖錐角為117°。當(dāng)齒尖的錐角越大時，截齒與煤體接觸時產(chǎn)生的粉化核會越大，粉化核越大產(chǎn)生的粉塵越多。掘進機的齒尖錐角由117°改為83°，會相對于原先有很好的降塵作用。通過改進后，對總粉塵濃度和呼塵濃度進行檢測，結(jié)果如表1所示。

表1 不同截割條件下的粉塵濃度 mg/m3

4 結(jié)論

當(dāng)截齒的錐角由117°換為83°時，產(chǎn)生的總粉塵較原先降低了19.2%，呼吸性粉塵降低了23.3%。所以使用較小錐角的截齒能夠有效地降低粉塵濃度，極大地降低了粉塵的危害程度。