1、浅析巷道掘进防尘技术摘 要：本文主要介绍了现阶段巷道掘进防尘技术的几种技术措施，风流防尘技术、高压喷雾技术、超声波雾化水除尘技术、卷吸控尘式喷雾降尘技术、水泡泥降尘技术、泡沫降尘技术、煤层注水降尘、涡流控尘技术、负压二次降尘技术等，简要分析了以上各种降尘技术的降尘机理和效果，并对影响降尘效果的因素做了简要说明。关键词：防尘；技术；巷道掘进1 引言九十年代以来，随着综采、综掘技术的迅猛发展，我国煤矿粉尘污染问题日趋严不。如综放工作面的粉尘浓度在未采取防尘措施时普遍达到3000mg/m3，综掘工作面的粉尘浓度，高达5000 mg/m3，而且吸性粉尘在煤尘中的浓度接近20%左右。无沦是全尘浓度还是呼
2、吸性粉尘浓度均严重超标，带来的严重后果是煤尘爆炸隐患增大和煤炭行业尘肺病人数的增多。据统计，目前仅煤炭行业尘肺病人数己超过20万，接近我国各行业肺病人数的一半。我国1993年和1994年发生多次瓦斯煤尘爆炸，伤亡惨重，严重的还摧毁矿井，造成巨大的经济损失。数量众多的职业尘肺病患者，要花费大量的人力和物力来进行治疗，不仅经济损失巨大，也给患者及家属带来了很大的痛苦。降低工作面的粉尘浓度己成为煤炭行业头等重要的事情。2 矿尘的来源与危害2.1 概述在矿井生产过程中所产生的各种矿岩微粒统称矿尘，也叫粉尘。飞扬在空气中的矿尘称为浮尘，浮尘在空气种飞扬的时间不仅与尘粒的大小、重量、形状有关，还与空气的湿
3、度、风速有密切关系。对矿井安全生产与工作人员的健康有直接影响的是浮尘，因此，浮尘是矿井防尘的主要对象。从空气种沉降下来的矿尘称为积尘。随外界条件的改变，浮尘和积尘可以相互转化，积尘是产生矿井连续爆炸的最大隐患。按对人体的危害程度将矿尘分为呼吸性粉尘和非呼吸性粉尘。呼吸性粉尘是指在人体肺泡内沉积的，粒径在57m以下的粉尘，特别是2m以下的粉尘。呼吸性粉尘和非呼吸性粉尘之和就是全尘。矿井空气中所含浮尘的数量叫做矿尘浓度。矿尘浓度的表示方法有2种：（1）质量法：1m3空气中所含浮尘的毫克数，mg/m3；（2）计数法：1cm3空气中所含浮尘的颗粒数，粒/cm3。2.2 矿尘的危害2.2.1 粉尘的燃烧
4、性和爆炸性矿井内的煤尘都是可燃物质，当他在空气中达到一定的浓度，并遇到外界明火、电火花、高温时，就能发生燃烧和爆炸。一般认为，矿石粉尘中，含硫大于10%的硫化矿尘即有爆炸性，发生爆炸的粉尘浓度范围为 2501500g/m3，引燃温度为435450。粉尘的燃烧：煤粉的燃烧与较大粒径煤块燃烧有所不同，因为煤体破碎成细小煤尘之后，表面积明显增加，从而明显扩大了与氧气的接触面积，加快了氧化作用，同时也增加了受热面积，加速了热化过程。因此，煤尘同煤块相比，更易于氧化自热并发生燃烧，井下煤尘燃烧常常产生大量的一氧化碳，造成遇难人员中毒死亡。煤尘的爆炸：由于煤尘是以高密度浮游状态飞扬于空气之中，扩大了其触氧
5、面积，加速了氧化过程。其次因为煤尘接触高温热源时，会迅速放出可燃气体，而这种可燃气体比重轻，燃点低、它一经同空气混合便在高温作用下燃烧起来。根据实验，1kg挥发分为2026%的焦煤，受热后能放出29050L可燃气体。这些可燃气体经燃烧后产生的热量，又传给已悬浮的其它煤尘，其它煤尘受热燃烧后又生成更多的热量，这些热量再迅速传播给附近的煤尘并重复以上过程。在上述过程中，氧化反应的速度越来越快，随即导致气体剧烈膨胀运动并在火焰前面形成冲击波。冲击波在不断压缩的空间气体中传播。当冲击波强度达到300m/s时，便由燃烧转为剧烈爆炸。煤尘爆炸虽然有一个由燃烧到爆炸的持续过程，但这是在瞬间完成的，燃烧转为爆
6、炸的充分必要条件是化学反应产生的热量必须超过热传导和辐射所造成的热损失，否则燃烧即不能持续发展，也不会转为爆炸。煤尘的燃烧和爆炸，本质都是可燃物的氧化反应，区别在于两者的氧化速度，声光效应和危害程度都有很大的不同。（1）煤尘爆炸的危害特性。产生高温高压。产生高温高压煤尘爆炸时释放出的热量，按理论计算，可使爆炸产生的气体产物加热到23005000。日本有研究者测得煤尘爆炸时火焰温度是16001900。根据气体状态方程式 式中： V0，V1爆炸前后气体体积，m3；P0，P1爆炸前后气体压力，kg/m3；T0，T1爆炸前后气体温度， K。在巷道容积固定（爆炸反应瞬间V1=V2）的条件下，爆炸后的气体
7、压力为： （式2.1）若P0=98.066KPa（1个工程大气压），爆炸前的气温为t0=15，爆炸后的气温为tl=16001900，则爆炸时的气体压力为P1 =740.40915.94KPa。在积尘较严重的井下巷道中，爆炸压力将随着距爆炸源的距离增加而跳跃增大。根据美国井下实验，一般距爆炸源1030m以内的地点，破坏较轻，而后便越加严重，表现出离爆源越远反而破坏越严重的特征。 产生正向冲击和返向冲击。煤尘爆炸时产生的高温高压，促使爆源附近的气体和爆炸火焰以6101800m/s的速度向外扩散冲击，形成强大的冲击波，造成人员伤亡，机械设备损坏。这种破坏力极强的扩散冲击，称之为正向冲击。因为爆源附近
8、的爆炸烈焰和爆炸气体高速向外扩散冲击，加之爆炸生成的一部分水蒸气迅速凝聚，所以瞬时间就会在爆源附近形成低压区或负压区（负压约为 49.3KPa左右）。此时，由于气体压差的作用，被挤压的爆炸烈焰和高温气体又会迅猛返向爆炸地点，从而形成返向冲击。返向冲击和正向冲击相比，虽然能量较弱，速度减缓，但燃烧力强，生成的有毒气体浓度较高（CO有时可达6%），因为它是沿着已破坏区域进行反冲，所以其破坏性往往更大。引起煤尘或瓦斯连续爆炸。通常在发生大规模煤尘爆炸（或瓦斯煤尘爆炸）时，常常发生连续爆炸。在初爆瞬间，当冲击暴风含有大量煤尘（或瓦斯）和足够的氧气返向冲击时，原爆源火源尚未消失或有新的火源存在，这时就会
9、引起新的更大的第二次爆炸。连续爆炸的结果会摧毁井下通风系统，吹垮密闭，把各处的煤尘都吹扬起来。爆炸火焰吹到哪儿，哪儿有瓦斯和煤尘隐患都会发生爆炸，以致造成井毁人亡。生成有毒有害气体煤尘爆炸时，如果氧气充足，会生成有害的二氧化碳；但当供氧条件不充分时，又会产生相当多有剧毒的一氧化碳。一般情况下，煤尘爆炸时生成23%的一氧化碳，最高可达68%左右。而在规程有相关规定，井下空气成分中的一氧化碳按体积不得超过0.0024%，按重量不得超过30mg/m3；二氧化碳不得超过0.5%。（2）历史上粉尘爆炸事件和引起的危害。历史上虽然发生爆炸的次数不多，但每次爆炸都带来严重的危害，这不仅在我国，而且在世界上都
10、有惨痛的教训。1906年在法国古利耶尔煤矿由于药包爆炸引燃附近飞扬起来的煤尘并发生爆炸。后又因沉积的煤尘不断被冲击波吹起而传播了爆炸，使事故扩展到全矿，蔓延井巷长度达100公里，死亡1099人。事故后经过两年才恢复生产；1907年美国的孟诺加矿井由于斜井提升钢丝绳被拉断，18辆矿车组成装煤列车高速下滑撞断电机车架线，产生的火花引燃了被矿车扬起的煤尘，在下部车场发生了煤尘爆炸，井下的370名工人除8名脱险外其余全部死亡；1910年英国黑里顿矿井发生煤尘和沼气爆炸，死亡的346人中有287人因一氧化碳中毒而死；1942年我国本溪煤矿发生了历史上最大的煤尘爆炸。事故前由于井下停电而引起沼气积聚，恢复
11、供电时，电气火花引起积聚的沼气爆炸，后又引燃了被扬起的沉积煤尘，发生大规模煤尘爆炸，1549人死亡，伤残246人；1963年日本三池煤矿发生跑车事故，井筒内沉积的煤尘扬起，被矿车和轨道的高速摩擦热点燃发生爆炸，死伤1290人。2.2.2 引发尘肺病尘肺病是接触粉尘工人的一种职业病。所谓尘肺是指工人长期吸入作业环境中悬浮粉尘而引起的肺部组织纤维性病变的总称。煤矿尘肺病包括矽肺病、煤肺病和煤矽肺病三种类型。矽肺主要是接触含矽岩尘引起的。矽肺病患者接触的岩石粉尘中的二氧化矽含量都在2050%左右，煤肺是接触煤尘引起的，煤肺病患者接触的煤尘游离二氧化矽含量一般不超过l0%。煤矽肺患者即接触岩尘又接触煤
12、尘，兼有矽肺和煤肺两种病理特征。根据卫生和科研部门统计资料，煤矿纯矽肺病约占尘肺总人数的2030%，煤肺病约510%，煤矽肺病约占7080%。按井下工种划分，各工种的尘肺病患者如下表2.1所示。表2.1 不同工种尘肺患病率工种患病率尘肺类型岩巷掘进工人4.22矽肺岩巷掘进工人及采煤工2.35煤矽肺采煤工0.30煤肺尘肺病不仅给职工和家属带来巨大的精神痛苦，而且对企业来说，每年在预防和治理尘肺病上也带来了相当大的费用。（1）尘肺病所带来的直接损失。由于煤尘引起的尘肺病人从诊断为尘肺病之日起，按照国家有关规定都要给予特殊的安置，因此给尘肺病人实际支付的各项费用为直接经济损失，它包括多支付的退休金，
13、住院补贴费，保健费，医疗费，期病人护理费及抚恤费等。下表2.2为山西潞安矿务局某矿尘肺病花费费用。表2.2 尘肺病引起的直接经济损失 单位：万元单位保健费退休费医疗费住院补贴费3期护理费抚恤费合计常村矿36.750.93464.963.930.4180.8827.09（2）尘肺病所带来的间接损失。国家规定煤矿工人退休年龄为55岁，防尘前高粉尘浓度下工作的工人过早地患了尘肺病，提前脱离了粉尘作业场所而少生产的煤，用以计算潞安矿务局常村矿的间接经济损失，如表2.3所示。因此，防尘前直接经济损失与间接损失之和共计超过5亿元。表2.3 尘肺病引起的间接经济损失单位尘肺病人数（人）少服务年限（年）少生产
14、煤（万吨）吨煤价格（元）少创经济值（万元）常村矿3803420273.6215.0058824.00除此之外，矿尘还有加速机械的磨损，减少精密仪表的使用时间；能降低工作场所的能见度，使工伤事故增多的各种危害。2.3 各国煤矿粉尘浓度的国家标准针对粉尘的这些危害，世界各国纷纷制定了粉尘的浓度标准，用以保护国家财产安全和煤矿工人的身体健康。（1）美国国家的煤矿粉尘浓度标准总粉尘浓度标准：总粉尘浓度标准：（2）俄罗斯煤矿粉尘浓度标准粉尘中游离二氧化硅含量70%时： 1mg/m3；粉尘中游离二氧化硅含量1070%时： 2mg/m3；粉尘中游离二氧化硅含量210%时： 4mg/m3；粉尘中游离二氧化硅含量2%时（无烟煤）： 10mg/m3。（3）英国的粉尘浓度标准（7m以下呼吸性粉尘浓度标准）长壁采煤工作面：5mg/m3；岩石掘进工作面： 3mg/m3；进风巷道： 3mg/m3；房柱采煤和其他作业场所： 3mg/m3。（4）我国的矿井煤尘浓度标准规程对井下作业场所空气中的粉尘浓度的标准做了明确的规定，见表2.4。表2.4 煤矿井下作业场所空气中粉尘浓度标准粉尘中游离SiO2含量/%最高允许浓度/mgm-3总粉尘呼吸性粉尘10103.510152150802
