不同煤阶工业组分对截割产尘特性影响机制的实验研究

为解决煤矿截割粉尘危害工人健康的问题，研究人员通过自主研发的煤岩截割破碎产尘模拟实验系统，系统研究了固定碳(FC)、挥发分(VM)、水分(M)等工业组分与相对产尘强度、呼吸性粉尘浓度及颗粒形态的关联规律。研究发现固定碳与产尘量呈正相关，挥发分和水分呈负相关，灰分(A)无显著影响，并揭示了组分对颗粒粒径分布和球形度的调控作用，为粉尘防控提供了理论依据。

　　

煤炭作为全球能源体系的重要组成，在中国能源消费占比高达55.3%。然而采煤过程中产生的粉尘浓度常超1000 mg/m³，导致尘肺病等职业疾病高发——2023年全国新发职业性尘肺病达8051例。尽管学者们对截割参数与粉尘关系已有研究，但煤体固有属性（工业组分）对产尘特性的影响机制尚不明确，致使工作面粉尘防控缺乏针对性。

针对这一科学问题，山东科技大学的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表研究，利用自主研发的煤岩截割破碎产尘模拟实验系统，基于[LMT]相似准则（L长度/M质量/T时间）设计实验，选取7种不同变质程度煤样，系统探究了工业组分（固定碳FC、挥发分VM、水分M、灰分A）与相对产尘强度、呼吸性粉尘浓度、粒径分布及颗粒形貌的关联规律。

主要技术方法

1. 相似模拟实验：通过量纲分析建立[LMT]相似准则，控制截齿线速度、进给速度等参数
2. 粉尘特性检测：采用激光粒度仪分析粒径分布，扫描电镜(SEM)观测颗粒形态
3. 统计分析：Pearson相关性分析、F检验和t检验验证模型显著性

研究结果

工业组分对相对产尘强度及呼吸性粉尘浓度的影响
实验数据表明，FC与产尘强度呈显著正相关（R²>0.85），因其高硬度特性加剧了煤体破碎时的能量耗散；而VM和M通过塑性变形缓冲作用使产尘量降低40-60%。灰分A则因与有机组分交互作用复杂，未表现出统计学意义的影响。

工业组分对粉尘粒径分布的影响
高FC煤样（FC>60%）产尘的粒径跨度达0.1-100μm，呈现双峰分布；而高VM煤样（VM>30%）集中于1-10μm单峰分布。水分M每增加1%，>10μm粗颗粒占比下降8.3%。

工业组分对颗粒形貌的影响
SEM显示高FC煤尘颗粒更接近球形（纵横比<1.5），因其脆性断裂占主导；高VM/M煤样则产生更多片状、棱角状颗粒（纵横比>3.2），与塑性变形机制相关。

模型验证
通过F检验（p<0.01）和t检验证实了工业组分与粉尘特性的显著性关联，模型预测误差<15%。

结论与意义
该研究首次系统揭示了工业组分通过改变煤体力学行为（脆性/塑性）调控产尘特性的机制：FC促进粉尘生成并增大颗粒球形度，VM/M则抑制产尘且导致不规则形态。这一发现突破了传统仅关注截割参数的研究局限，为基于煤质特性的精准抑尘技术开发（如针对高FC煤层的润湿剂优选）提供了理论支撑，对降低尘肺病发病率具有重要实践价值。研究建立的相似模拟方法也为矿山粉尘研究提供了标准化实验范式。