1、煤矿粉尘防治技术研究摘要：在煤矿开采中，掘进、回采、运输各环节中都会产生大量粉尘，粉尘不仅会危害井下职工的身体健康，还可能导致煤尘爆炸等恶性事件。目前国内外粉尘的防治技术主要在减尘、降尘、排尘、隔尘、捕尘、个体防护六个方面展开研究。关键词：煤矿；粉尘；防治引言世界一次能源的27%来自于煤炭，煤炭提供了世界发电量的45%，煤炭衍生物生产25000多种消费品，在世界经济中占有重要地位，我国的煤炭在一次能源消费中，占70%左右，预计到2050年，仍将占50%左右。目前我国的煤炭产量位居世界各国之前，但仍供不应求1。我国90%以上的煤矿为地下开采，矿井及工作面正朝着向大型化、集约化、安全、可靠与机械自
2、动化化方向发展。煤炭在开采过程中，矿井面临六大灾害(水、火、瓦斯、粉尘、顶板)的威胁，其中，粉尘是煤矿井下主要灾害之一，严重影响着矿井的安全生产和工人的身体健康2。随着煤矿机械化水平的不断提高，井下工作面粉尘的产生量越来越大，其中煤矿井下的采煤、掘进、运输、提升等生产环节是主要的产尘环节，粉尘产生量的大小一与地质构造、开采方法、采掘机械化程度、环境温、湿度及通风条件等因素有关，在现有的防尘技术条件下，各生产环节所产生的浮游粉尘量大致为采煤工作面产尘占40%-80%;掘进工作面产尘占20%-40%:装、运、卸煤环节产尘占10%-15%;喷浆作业点产尘占5%10%;其它作业点产尘占2%-5%。采、
3、掘工作面是煤矿最主要的两大产尘源3。采煤工作面除尘是煤矿防尘的重中之重，一般采煤工作面无防降尘措施时，工作面粉尘浓度高达3000mg加3左右，采取一般单项降尘措施后还有1500mg/m3左右。煤矿粉尘具有很大的危害性，主要表现在以下几个方面:一、粉尘危害人的身体健康。各种职业危害中以粉尘的分布最为广泛、对人体健康的影响最为严重。粉尘对人体的危害最直接、最严重的是引起尘肺病。由于吸入大量粉尘，导致肺组织纤维化，严重损害呼吸功能。病情严重者，丧失劳动能力，痛苦不堪，最后因肺功能丧失而窒息死亡。在煤矿井下粉尘污染的作业场所工作，工人长期吸入大量的粉尘，往往会患有尘肺病。据统计4，截至2006年全国累
4、计报告尘肺病累计发病 616442例，死亡 146195例，现患 470247例;近15年平均每年新发尘肺病人近1万例。报告职业病例数居前三位的行业依次为煤炭、有色金属和建材行业，分别占总病例数的40%、12%和6%。2006年诊断尘肺病例接触粉尘时间不足10年的占诊断尘肺病例总数的22.62%，其中不足5年的占0.04%，不足2年的占1.57%。截至1992年底，全国121个部属重点煤矿和各省、自治区、直辖市县以上地方煤矿的总接尘人数近184万人，尘肺病患者近12万人，尘肺病率6.49%，仅1992年内全国就新发生煤矿尘肺5369例，发病率高达2.92%，死亡率达2.42%的。2003年，国
5、有重点煤矿新报告尘肺病1.2万例，约占当年井下工人总数的1.5%。这样高的尘肺病患病人数，给国家和煤矿企业造成巨大的经济损失，也给企业带来沉重的负担5。二、煤尘易引发爆炸。具有爆炸危险的煤尘达到一定浓度时，在引爆热源的作用下，可以发生猛烈的爆炸，对井下作业人员的人身安全造成严重威胁，并且可瞬间摧毁工作面及生产设备。煤尘爆炸是煤矿生产中的主要五大灾害之一，其破坏性很大，往往造成井巷、生产设备的损坏，尤其是人员伤亡惨重。解放以来，死亡人数超过百人的纯煤尘恶性爆炸事故达到4次，死亡人数超过前人。据1983年至1994年的统计，全国重点和地方煤矿中，仅一次死亡3人以上的瓦斯粉尘爆炸事故发生690起，平
6、均每月发生5起以上，其中一次死亡10人以上的特大事故121起，平均每月发生一起。煤尘爆炸的下限浓度为459/m3，上限浓度为2000g/m，浓度为3009/m3左右时煤尘的爆炸力最强。虽然井下煤尘很少能达到这个浓度，但局部空间粉尘浓度过高仍会引起爆炸，也会增加瓦斯爆炸的危险性。而一旦发生煤尘爆炸，就会造成人员大量伤亡、设备严重损坏，同时爆炸时产生的高温、高压和冲击波甚至会毁坏整个矿井，其后果不堪设想。煤尘还参与瓦斯爆炸，形成瓦斯煤尘爆炸，使灾害范围扩大，造成更为严重的人员伤亡和巨大的经济损失。三、粉尘降低了工作场所的能见度。尤其在井下采掘工作面，煤尘浓度高，其能见度极低，易导致误操作，增加工伤
7、事故的发生率。四、粉尘加速了机械磨损，缩短了井下生产装备和仪器设备的使用寿命。综上所述，煤尘爆炸给煤矿井带来突然的毁灭性灾难，同时煤矿粉尘还恶化了井下作业环境，影响了劳动生产率的提高，所有这些都严重制约了煤矿企业的生存发展和经济效益的提高，影响了煤矿企业的社会形象和可持续发展。1 国内外研究现状1.1 煤矿粉尘防治技术现状1. 国外现状美国双城采矿研究中心认为，采煤机截深与产尘量成反比;同时美国和英国都认为，减少截割机构上的截齿数，降低产尘量效果显著;前苏联认为，当采煤机的推进速度为0.14-0.6m/s时，降尘效果最好;波兰则认为，减慢滚筒截割速度和实现粗齿化有利于减少产尘量。移支架也是综采
8、工作面一个重要产尘源，前苏联与1979年研制出了一种新型支架(KTK型支架)可以减少移支架时的产尘量。以水抑尘是综采工作面应用最早，也是目前应用最广泛、最有效的一项防尘技术措施6。例如:前苏联，仅在顿巴斯矿区，就有1000多个采煤工作面进行了煤层注水，在波兰，有75%的工作面，采用了注水降尘;在比利时，60%的煤矿使用了煤层注水方法。煤层注水工艺发展的趋势是:研制先进的注水专用设备及仪表，推行长钻孔连续注水工艺，以及根据不同煤层条件，寻找合理的注水参数、选用合适的湿润剂等喷雾降尘是国外几乎所有的综采工作面一直都在采用的一项防尘技术措施。目前研究的方向是:如何提高喷雾降尘效果，如何根据综采工艺和
9、采煤方法设计更有效的喷雾降尘系统等。如德国、英国、波兰等国采用高压喷雾系统来提高降尘效果，美国科林费尔矿在采煤机上安装水风扇，借以提高工作面风量，清洗采煤机截割头的煤尘和瓦斯等。此外，国外许多国家在本着传统综采工作面除尘技术的同时，又有着许多值得学习和借鉴的除尘技术，如早在英国，就研制出采煤机的吸尘滚筒，可以降低采煤机割煤时产生的呼吸性粉尘。在七十年代，原苏联和美国就研制出了高效除尘器，用来防治综采工作面，呼吸性粉尘。在综采工作面还使用了泡沫降尘法等物理化学方法。如美国研究出的降尘泡沫是由98.8%的水和0.2%的泡沫剂配置而成，泡沫发生器可安装在各种采煤机上。2. 国内现状我国借助国外的经验
10、，在20世纪50年代，就开展了煤层注水防尘试验研究，并取得了一些成果，并在煤矿生产现场获得了推广和应用。而从20世纪80年代起，随着采掘机械化的广泛应用，煤矿粉尘防治技术得到了全面发展。尤其是在近十年来的科技攻关中，进一步地开展了煤矿粉尘防治技术的试验研究工作，取得了很多成果，并在煤矿生产中发挥了良好的作用。目前，煤层注水防尘技术，由于完备了配套设备，改进了注水与封孔工艺，该技术已达到了国际先进水平;采煤机割煤外喷雾降尘技术，由于采用了新的外喷雾方式、合理的喷雾参数及研制成功电动和液动为动力的机载泵而使该技术上了一个新台阶;液压支架移架和放顶煤支架放煤喷雾降尘技术，由于研究出喷雾自动控制技术，
11、达到了支架移架和放煤时同步喷雾降尘的目的；破碎机及带式输送机作业防尘技术，也研究出新方法和新设备，有效地控制了粉尘的飞扬。目前，煤矿主要采取以风、水为主的综合防尘措施。即:一方面用水将粉尘湿润捕获，另一方面借助风流将粉尘排出井外。通常按防尘技术措施的功能分为五大类：一、减尘措施。主要包括:湿式凿岩、水封及水炮泥填充爆破、封闭捕尘、预湿煤体以及改革采掘机械结构及其运行参数减尘等。这些措施主要用来减少尘源的产尘量。二、降尘措施。主要是用喷雾洒水的方法来降低空气中的粉尘浓度。如采煤机上内外喷雾、放炮喷雾、支架喷雾、装岩洒水、巷道净化水幕等。三、通风排尘或除尘。在工作面用适宜的风速将粉尘直接排出作业地
12、点，或用除尘器净化后再排出。四、个体防护。在井下粉尘浓度较大的作业地点，作业人员佩戴防尘面罩、防尘帽、防尘呼吸器等个体防护用具。五、隔爆措施。如:隔爆岩粉棚、隔爆水袋，分区通风等。隔爆措施主要是尽量缩小煤尘爆炸影响范围，减少人员伤亡7。3. 煤矿粉尘防治技术发展趋势近几年来，随着高产高效矿井的发展，综掘工作面的产尘浓度越来越高。粉尘污染越来越严重，己经成为煤矿的最大污染源。粉尘的产生不仅严重危及综采工作面工人的身体健康，也存在着煤尘爆炸隐患。国内外针对矿尘治理的研究越来越多：矿尘治理的手段也越来越成熟。总的看来，这些技术或手段可归为两大类：干法除尘与湿法除尘。煤尘污染的控制是煤矿的主要安全课题
13、之一。许多煤矿已经成立专门的部门负责煤尘的测定及控制。同时，许多研究机构也对除尘作的研究也越来越多，并且，已经有很多的研究成果应用于工业现场中。从煤矿生产的环保趋势和目前除尘技术的应用方向来看，煤矿井下包括综掘综采工作面的降尘技术的研究将向智能化和精确化方面发展。1.2 粉尘分布规律研究现状粉尘是指在空气中浮游的、粒径一般小于1mm的、一些各种形状的固体颗粒物质。通常以尘雾的形式出现，成为一般由空气和粉尘组成的两相流。粒径是粉尘大小的度量。粉尘的大小不仅是影响作业工人身体健康的主要因素，也是影响除(降)尘效果的最主要因素，只有空气动力学直径小于7.1pm的粉尘才能进入人体肺部，对人体健康造成危
14、害，特别是2pm左右的粉尘危害最大，且这部分粉尘也最难捕集，因此，测量粉尘粒径非常重要。由于粉尘颗粒一般是不规则的，因此，通常采用物理当量径来表示。物理当量径是指与粉尘的某一物理量相同时的球形粒子的直径。由于粉尘在气流中的运动属于气固两相流的范畴，所以建立粉尘的浓度分布和运动规律的数学模型，实质上就是建立气固两相流动的数学模型。大型计算机的出现又扫除了数值分析在流体力学中应用的一大障碍，于是出现了有限差分法、有限元法、有限容积法等流体力学的计算方法，并得到了广泛的工程应用7。1. 粉尘产生机理综采工作面有三个主要的尘源：采煤机割煤时产生大量煤尘，是综采工作面的第一尘源，也是最主要的尘源；自移式
15、液压支架的降柱、移架、采空区岩石移动也产生很多粉尘，是综采工作面的第二尘源；在运输过程中也产生很多煤尘，是综采面的第三尘源。粉尘的生成，从客观因素来看与煤本身的品级有关，影响粉尘产生的自然条件有地质构造情况，即地质构造复杂、断层褶皱等，受地质构造运动破坏强烈地区，开采时粉尘量较大，反之较小。煤层的赋存条件：在同样的技术条件下，开采缓倾斜煤层产量比急倾斜煤层小。煤、岩的物理性质也起着至关重要的作用，节理发育、结构疏松、水分较低，矿物坚硬脆性大的煤岩采掘时粉尘的产生较大。采煤机产尘量大小复杂的原因在于：直接与采煤机本身的机械参数和工作状况有关。其中包括滚筒的结构和形状、截齿结构和数目、滚筒转速和旋
16、转方向、采煤机的牵引速度、截深、采取顺风或逆风等等方面。环境湿度对降尘效果有很大影响。有资料表明，当风流中湿度自74%增至100%，粉尘浓度则从530mg/m3降到20 mg/m3，在截割强度相同的条件下，湿度增大26%，粉尘浓度就下降96.2%。2. 粉尘分布规律研究风速和尘源是决定尘源附近区域粉尘分布的关键因素，巷道断面下半部分浓度高于上半部分。有试验研究表明，将巷道内的风速设定在 0.7m/s-2.lm/s，考察不同风速下粉尘浓度和粒度的沿程变化规律，定量分析风流排尘能力与风速、尘源位置的关系，速度增大有利于独头巷道通风，但易引起二次扬尘，根据实验，在煤尘干燥的情况下，风速大于2m/s即产生二次扬尘。影响工作面粉尘浓度的主要因素有两个，即采煤机割煤和移架，最大粉尘浓度一都发生在离采煤机10m20m处的回风测，移架时产生的大颗粒粉尘较多，呼吸性尘所占的比例较少，粉尘浓度沿程分布规律。发现粉
