淺談煤礦粉塵危害及防治技術(shù)

李志紅+梁立勛+卓軍

摘 要：文章針對礦井粉塵污染環(huán)境、危害人體健康、加速儀器磨損以及容易誘發(fā)粉塵爆炸事故等系統(tǒng)問題，詳細介紹了礦井粉塵的分類、產(chǎn)生、特性及危害，簡要總結(jié)了礦井粉塵的六種防控技術(shù)和礦井不同產(chǎn)塵點的防塵措施，為礦井粉塵治理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：礦井粉塵；煤塵爆炸；粉塵防治；煤塵爆炸

前言

礦井在開采、生產(chǎn)作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量粉塵，一方面，礦井粉塵對作業(yè)人員身體健康造成嚴重影響，根據(jù)2010年全國職業(yè)病統(tǒng)計報告顯示，2010年全國累計報告職業(yè)病749970例，其中累計報告塵肺病676541例，死亡149110例；每年有約2.3萬人患上塵肺病，而在所有因各種礦塵引起的塵肺病中，煤礦工人占到的比例最高，以2013年為例，占2013年全國職業(yè)病例的87.72%[2]。另一方面，高濃度粉塵對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境污染嚴重，降低作業(yè)現(xiàn)場能見度，增加安全威脅，同時高濃度粉塵加速機械設(shè)備磨損，縮短機械設(shè)備的使用壽命；甚至誘發(fā)粉塵爆炸事故。因此，加強礦井粉塵危害的認識和防治，采取有針對性的防塵、降塵技術(shù)措施，對確保從業(yè)人員生命健康和預(yù)防事故的發(fā)生尤為重要。

1 煤礦粉塵危害

煤礦粉塵具有的分散度、吸濕性、爆炸等特性決定了其危害性：污染作業(yè)環(huán)境，嚴重危害作業(yè)人員身體健康，引起塵肺病等；高濃度粉塵能加速機械磨損，縮短精密儀器的使用壽命；降低作業(yè)場所能見度，增加工傷機率，甚至引起燃燒和爆炸。

1.1 煤礦粉塵的產(chǎn)生及特性

1.1.1 煤礦粉塵的產(chǎn)生

煤礦粉塵是指礦井生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵。能較長時間在空氣中懸浮于空氣中的粉塵稱為浮塵，已沉落的粉塵稱為積塵；在煤礦開采過程中，如鉆孔、打眼、爆破、采煤、掘進落煤、頂板來壓、裝載運輸?shù)雀鱾€生產(chǎn)環(huán)節(jié)，都會產(chǎn)生大量的礦塵。隨著礦井綜合機械化開采的升級，工作面產(chǎn)塵濃度也隨之上升。采煤機和綜掘機割煤、支架移架和煤炭裝運是采掘工作面的四大產(chǎn)塵源，產(chǎn)塵量分別約占60%、30%、5%和5%左右[3]。此外，煤層抽采鉆孔施工和立眼溜煤系統(tǒng)也是井下主要產(chǎn)塵源之一，在無任何防塵措施的情況下，煤層鉆孔施工現(xiàn)場、下煤立眼等處產(chǎn)生的高濃度粉塵，尤其是下煤立眼產(chǎn)生的粉塵濃度有時甚至達到煤塵爆炸濃度界限。

1.1.2 煤礦粉塵的分類

煤礦粉塵按粒徑可分為粗塵、細塵、微塵和超微塵；按存在狀態(tài)可分為浮游粉塵和沉積粉塵；按游離二氧化硅的含量分為矽塵與煤塵[4]；按礦塵粒徑組成范圍可分為全塵和呼吸性粉塵；粉塵粒徑越小、游離二氧化硅的含量越高，引起塵肺病的程度越重，病情發(fā)展越快，危害也越大。

1.1.3 煤礦粉塵的特性

（1）礦塵分散度。礦塵分散度是反映煤、巖等礦物質(zhì)被粉碎的程度，是表示粉塵顆粒直徑大小組成百分比的一個指標，小粒徑的粉塵越多，分散度越高，在空氣中沉降速度愈慢，懸浮時間就越長，被人體吸入的機會就愈多；反之則分散度愈低。而礦塵的分散度愈高，其活性越高，易引起粉塵的自燃或爆炸[4]。

（2）礦塵吸濕性。粉塵的濕潤性指粉塵對液體的親和能力[3]。與粉塵的成分、結(jié)構(gòu)有關(guān)，可分為親水性粉塵與疏水性粉塵兩大類。另外，粉塵越細，比表面積增加，表面吸附能力隨之增強，容易吸附空氣而在塵粒表面形成氣膜，降低了塵粒間的聚集及塵粒的吸濕性，更難于把塵粒從空氣中捕捉分離出來。在除塵技術(shù)中，粉塵的吸濕性是選用除塵設(shè)備的主要依據(jù)之一。

（3）煤塵爆炸性。按照煤塵的爆炸性煤塵可以分為有爆炸性煤塵和無爆炸性煤塵。檢驗標準為：取煤樣，在10次煤樣試驗中有（無）出現(xiàn)火焰，如10次煤樣中任何一次試驗中出現(xiàn)火焰，則該煤樣為“有煤塵爆炸性”，否則該煤樣為“無煤塵爆炸性”。煤的炭化程度越低，揮發(fā)分越高，煤塵的爆炸性就越強。

（4）沉降速度慢，在空氣中懸浮時間長，擴散系數(shù)較大，附著速度較快。在靜止空氣中的粉塵，根據(jù)其粒徑的大小按一定規(guī)律沉降：通常粒徑大于100μm的塵粒呈加速度沉降；1μm～100μm粒徑的塵粒呈等速度沉降；粒徑小于1μm的塵粒很難沉降，在空氣中呈布朗運動，易吸入肺部沉積，誘發(fā)肺部病變。

1.2 主要健康危害

礦井粉塵的危害重要有以下幾點：

（1）全身作用：作業(yè)人員長期吸入較高濃度粉塵可引起肺部彌漫性纖維化為主的全身疾病，礦井粉塵會直接或間接引起呼吸系統(tǒng)疾病，主要包括煤肺、矽肺、煤矽肺。

（2）局部作用：接觸或吸入粉塵，首先對皮膚、角膜、粘膜等產(chǎn)生局部的刺激作用，并產(chǎn)生一系列的病變。如粉塵作用于呼吸道，早期可引起鼻腔粘膜機能亢進，毛細血管擴張，久之便形成肥大性鼻炎，最后由于粘膜營養(yǎng)供應(yīng)不足而形成萎縮性鼻炎。還可形成咽炎、喉炎、氣管及支氣管炎。作用于皮膚、可形成粉刺、毛囊炎、膿皮病。對于煤礦粉塵中含有大量的煤塵，增加了粉塵對皮膚、呼吸道等局部的刺激作用。

（3）致癌作用：對于一些接觸鎳、鉻、鉻酸鹽的粉塵，可引起肺癌；接觸放射性粉塵，容易生成肺癌等。在煤礦生產(chǎn)過程中，常有伴生礦物，伴生礦物中可能含有某種致癌因子，增加的煤礦工人的致癌機率。

1.3 煤塵爆炸

煤塵爆炸是指高濃度煤塵在高溫火源的作用下，與空氣中氧氣急劇氧化的反應(yīng)過程。煤體被破碎過程中，產(chǎn)生大量細微塵粒，其體積和表面積增加，與氧氣的接觸面積和被氧化的能力大大增強，在外界高溫熱源的作用下，懸浮的煤塵單位時間內(nèi)能吸收到足夠的熱量（約300℃～400℃）時[1]，就放出可燃氣體，此時游離基迅速增加，燃燒產(chǎn)物的迅速膨脹并在火焰波波陣面前方形成壓縮波且不斷地壓縮傳播，從而形成疊加效果，使火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩喁B加；當能量疊加到一定臨界條件時，由燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楸ā１ㄓ腥齻€條件：（1）粉塵在空氣中有足夠的濃度，在爆炸區(qū)域粉塵濃度在45mg/m3～2000mg/m3范圍之內(nèi)；（2）必須具有高溫（700℃～800℃或有明火、火花、放電）情況出現(xiàn)，其中最易引爆的也是爆炸力最強的濃度為300mg/m3～500mg/m3。（3）充足的氧氣，氧氣濃度≥18%。endprint

2煤礦粉塵的控制技術(shù)

2.1 防塵控制技術(shù)措施

（1）濕潤煤體防塵：濕潤煤體防塵主要是利用裂隙或采用煤層鉆孔注水的方法，即預(yù)先在煤層中每間隔一定距離施工鉆孔并封孔，采用高壓水通過鉆孔和裂隙注入尚未開采的煤體，增加煤的水分，使煤體裂隙原生粉塵得到充分濕潤，降低煤體產(chǎn)生浮游粉塵的能力，通過煤層注水，防塵效果可達到60%以上。通常情況下，常見的煤層注水方式主要有以下三種，低壓注水（Ps<2.5MPa～3.0MPa），中壓注水（Ps=3.0MPa～15.0MPa），高壓注水（Ps>10.0MPa～20.0MPa）。

（2）噴霧降塵：噴霧降塵是指向懸浮在空氣中的粉塵噴射水霧，通過濕潤粉塵，增加塵粒的重量，達到降塵的目的。噴霧降水的效果取決于霧體的分散度以及塵粒與水滴的相對速度。噴霧分散度越低，水滴越大，水的數(shù)量就越少，捕塵效果較差。霧體的分散度過高，水滴越細，則容易汽化，降塵效率也不高。一般水滴的直徑在10μm～15μm時，捕塵效果最好。水滴與塵粒的相對速度越大，二者碰撞時的動能也越大，有利于沖破水的表面張力而將塵粒捕獲。而塵粒表面吸附空氣形成氣膜或覆蓋油層時，也難被水濕潤。密度大的塵粒相對易于被水捕獲。噴霧灑水除塵簡單方便，被廣泛用于采掘機械切割、爆破、裝載、運輸?shù)壬a(chǎn)過程中，缺點是對微細塵粒捕集效率低。目前礦井常用的噴霧器，按其動力可分為水力和風(fēng)水聯(lián)動（引射式）兩類。

（3）除塵器除塵：采用除塵器將空氣中的粉塵分離出來，從而達到凈化空氣含量的目的。按其作用原理可分為過濾式除塵器、靜電除塵器、磁力除塵器三類；按除塵方式可分為干式除塵器、半干式除塵器、濕式除塵器三類；目前，國外一些主要產(chǎn)煤國家都在煤礦井下廣泛用除塵器進行除塵。

（4）泡沫除塵：泡沫除塵[5]是利用井下的除塵水管和壓風(fēng)管路，在水管中加入一定量的添加劑，通過專用發(fā)泡裝置，引入壓風(fēng)，產(chǎn)生高倍數(shù)泡沫，泡沫通過良好的覆蓋、濕潤和黏附等方式作用于粉塵，從根本上防止粉塵的擴散，有效降低空氣中的粉塵嘗試，泡沫除塵同濕式抑塵相比，其耗水量減少30～80%，抑塵效率比噴霧灑水高3～5倍。

（5）添加降塵劑降塵：是在噴霧降塵基礎(chǔ)上發(fā)展起來的降塵技術(shù)，主要是通過在水中添加降塵劑，和水發(fā)生聚合反應(yīng)，提高水溶液的積極分子，增加水溶液對粉塵的吸附作用，從而提高降塵效率。降塵劑是一種活性劑，它是由親水基和親油基兩種不同性質(zhì)的基團組成的化合物，除塵劑的選擇方法應(yīng)能滿足無毒、無臭，能完全溶于礦井防塵用水中，低溫時不發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，無沉淀或鹽析現(xiàn)象，對金屬無腐蝕，不延燃，成本低，運輸方便等。目前降塵劑的添加方法應(yīng)用較為廣泛的為負壓引射器添加法，其原理為：降塵器溶液被負壓引射器所造成的負壓吸入，并與水混合添加于供水管路中。

（6）磁化水除塵：指普通水源經(jīng)過磁水器處理后，水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生暫時變化，使水的表面張力、吸附、溶解滲透能力增加，水磁化后，水溶液濕潤性變強，吸附能力增大，水霧粒徑變小，有利于提高水的霧化程度，增加與粉塵的接觸機會，加快粉塵沉降速度，從而得到較好的降塵效果。

2.2 不同產(chǎn)塵點的防塵措施

2.2.1 綜合機械化采煤工作面作業(yè)時的防塵措施

（1）對采煤機的截割結(jié)構(gòu)選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)，即選擇合理的截齒幾何形狀，適當布置同一截線上的截齒數(shù)量，使采落的礦巖塊塊度增大，達到減少粉塵產(chǎn)生的目的。此外，當采煤機的滾筒轉(zhuǎn)速與牽引速度適當匹配時，也可降低粉塵的生成量。（2）在采煤機上噴霧系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)磁化水裝置，提高水霧的濕潤性和吸附能力，達到提高降塵的目的。（3）對自移式液壓支架設(shè)置合理的噴霧系統(tǒng)。（4）采用最佳排塵風(fēng)速和合理的通風(fēng)技術(shù)。最佳風(fēng)速隨煤的水分增加而升高，一般在1.5～4m/s之間。采用下行通風(fēng)（煤與瓦斯突出礦井嚴禁采用下行通風(fēng)）可以有效地降低回采工作面的粉塵濃度。

2.2.2 綜合機械化掘進工作面作業(yè)時的防塵措施

（1）在綜掘機上噴霧系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)磁化水裝置，提高水霧的濕潤性和吸附能力，達到提高降塵的目的。（2）預(yù)先在預(yù)掘走向方向進行煤層注水，增加煤體水分。（3）合理的除塵系統(tǒng)，正常使用掘進機內(nèi)外噴霧灑水。（4）氣、水噴射器除塵。（5）在掘進機上或掘進機二運皮帶滑槽上安設(shè)除塵風(fēng)機除塵，當掘進機前移時，除塵器定期向前移動。

2.2.3 炮采工作面的防塵措施

炮采工作面的防塵必須采用長深孔向煤層注水，濕潤煤體、濕式打眼、水泡泥、放炮前后沖洗工作面及煤壁、轉(zhuǎn)載點噴霧及采用最佳排塵風(fēng)速等綜合措施，降低作業(yè)面的粉塵濃度。

2.2.4 打眼放炮作業(yè)的防塵措施

采用濕式打眼、水炮泥充填炮眼、放炮前后噴霧灑水、自動水幕凈化等措施，據(jù)實測：采取多種防塵措施后，打眼放炮作業(yè)的降塵率最高可達90%左右。此外，還可以采用濕式除塵器、氣水噴射器及環(huán)形灑水措施，來凈化放炮時產(chǎn)生的炮煙和粉塵。

2.2.5 錨噴支護作業(yè)的防塵措施

在錨噴支護作業(yè)中，可產(chǎn)生大量粉塵，可采用氣力自動輸送、機械攪拌、濕噴機噴射等措施，來降低錨噴支護作業(yè)時的粉塵濃度。

2.2.6 裝載運輸時的防塵措施

在裝巖機上安裝自動噴霧灑水裝置，在裝車點安裝自動噴霧裝置、利用濕潤管濕潤溜煤眼中的煤炭。或者使用密閉罩、半密閉罩將塵源密封起來，從下部將含塵空氣抽至除塵器中凈化。在下落煤高度大的地方，裝設(shè)密閉罩、內(nèi)噴霧裝置或除塵器除塵，從而達到凈化空氣的目的。

2.2.7 采空區(qū)防塵措施

在回采作業(yè)過程中，每推進兩米，對采空區(qū)進行撤水沖塵，濕潤采空頂?shù)装?，減少采空區(qū)來壓垮頂時浮游粉塵的產(chǎn)生量。

2.2.8 下煤系統(tǒng)防塵措施

優(yōu)化溜煤系統(tǒng)；為從根本上解決下煤系統(tǒng)粉塵，有必要優(yōu)化溜煤系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)在煤層中施工溜煤眼的做法，目前，隨著鉆孔設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，鉆孔施工工藝的進步，在采區(qū)布置時，在采區(qū)中部利用反進鉆孔施工大直徑Ф1400mm鉆孔與采區(qū)煤倉相連，利用大直徑鉆孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)溜煤眼在采區(qū)內(nèi)形成下煤立眼系統(tǒng)，立眼及煤倉上口與專用回風(fēng)上山相連，避免了溜煤眼堵塞及人工處理時的安全風(fēng)險，也減少了煤巷工程量和巷道粉塵。同時在立眼上口安設(shè)防塵噴嘴，并將鉆孔與采區(qū)煤倉連接部位全部封閉，形成密封的下煤系統(tǒng)，而部分產(chǎn)生的粉塵也直接進入專用回風(fēng)上山，從而降低粉塵對作業(yè)人員的身體傷害。endprint

2.2.9 鉆孔施工點防塵措施

利用鉆孔捕塵設(shè)備降塵，現(xiàn)國內(nèi)也有多種較為先進的除塵器，但價格較貴，推廣有一定的難度。目前礦井常用的作法有：一是加工簡易的捕塵器，在鉆孔施工時，將捕塵器安裝在鉆孔內(nèi)，利用捕塵器將粉塵捕捉集中，采取噴霧集中防塵；二是實施孔內(nèi)防塵，將防塵噴嘴伸入鉆孔內(nèi)，直接噴霧防塵，其使用要求是鉆孔施工傾角較大，防塵水壓力、水量要充足。三是在上述兩種防塵的基礎(chǔ)上，在鉆孔回風(fēng)側(cè)增設(shè)1～2組氣水防塵噴霧裝置，封閉巷道全斷面，可有效降低鉆孔施工時巷道粉塵。

2.2.10 個體防護

要求所有井下作業(yè)人員必須使用防塵口罩，熟記粉塵危害及防治的各項規(guī)定并嚴格執(zhí)行，同時按要求使用各類防塵設(shè)施，及時清收巷道、設(shè)備附近的浮煤，沖洗工作面及巷道粉塵，通過提高對粉塵危害的認識和防范意識，從而實現(xiàn)個體防護的目的。

3 結(jié)束語

礦井粉塵防治是一項系統(tǒng)工程，涉及到人-物-環(huán)境-管理等多方面因素，因此，通過強化現(xiàn)場防塵管理，提升職工的防塵意識和粉塵危害認識，使用好防塵設(shè)施和防護用品，根據(jù)煤礦不同點作業(yè)時粉塵產(chǎn)生的方式，采取相應(yīng)的粉塵控制技術(shù)和防塵、降塵措施，可有效地防止粉塵對人體的危害，確保作業(yè)人員身體健康和礦井安全生產(chǎn)。

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作者簡介：李志紅（1975-），男，四川華鎣人，通安技術(shù)員，現(xiàn)任四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司綠水洞煤礦通風(fēng)瓦斯科副科長。endprint