煤礦粉塵與現有除塵技術及優化

王會瓊

云南能源職業技術學院 65 50 01

煤礦粉塵與現有除塵技術及優化

王會瓊

云南能源職業技術學院 65 50 01

談到煤礦安全問題，人們往往聯想到煤礦瓦斯爆炸、火災和透水等事故，而對煤礦粉塵這個威脅煤礦安全生產、嚴重危害礦工身體健康的潛在殺手有些許漠視。實際上，煤礦粉塵是煤礦的五大災害（指瓦斯、頂板、礦塵、火、水）之一，煤礦粉塵防治也是煤礦“一通三防”（礦井通風、防瓦斯、防塵、防滅火）技術體系的重要組成部分，因此，在煤礦安全生產工作中，煤礦粉塵問題不容小視。特別在近幾年，煤炭產量發展迅速，機械化水平大幅度提高，煤礦井下在掘進、采煤、運輸等環節中都會產生大量的粉塵，嚴重威脅礦井的安全生產和職工的身體健康。有效控制粉塵，降低粉塵濃度，改善工作環境、杜絕煤塵事故，是煤礦安全生產的一個重要環節，抓好礦井防塵工作，對促進礦井安全生產，保障職工身體健康具有重大意義。

1、煤礦粉塵的性質及危害

要制定合理的煤礦粉塵防治措施、完善的除塵技術，我們首先應該正視由煤礦粉塵帶來的危害，應該對粉塵的特性有進一步的了解，這樣在防治煤礦粉塵時才能做到知己知彼，才能使防塵技術、措施和裝備發揮其最大功效。

1.1 粉塵的性質

（1）粉塵的濕潤性能

塵粒能否與液體相互附著或附著的難易的性質稱為粉塵的濕潤性。通常用濕潤邊界角 來衡量水（液體）對粉塵的濕潤程度。圖1為粉塵潤濕邊界角。

當θ＝0°時，固體完全濕潤

當θ＝180°時，固體完全不濕潤

當θ＝0°～90°時，固體的濕潤性能良好

當θ＞90°時，固體的濕潤性能差

煤層的濕潤能力是指煤體與水接觸時是否容易被水所濕潤[1]，它表現在煤體孔隙對水的毛細作用力大小和水對細粒煤塵的黏合能力強弱，這都決定于水與煤的濕潤邊角和水的表面張力系數。水與煤的濕潤邊角大小反映了水分子和煤炭分子間的吸引力大小，吸引力愈大則濕潤邊角愈小，愈易于濕潤。相反，如水分子之間的吸引力增大，也即水的表面張力系數增大，則濕潤邊角變大，使煤塵難于濕潤。

圖1 粉塵潤濕邊界角

（2）粉塵的爆炸性

凡能燃燒的粉塵都具有爆炸危險性，當一定粒度的粉塵，其在空氣中的濃度達到一定值時，在有明火、電火花或其它高溫熱源存在條件下可能形成爆炸。如煤塵、泥炭塵、鈣粉、鋁粉、木粉等均有爆炸性。對于煤塵，含塵量為112～500g/m3，溫度為700～800℃時，具有爆炸性。爆炸最強烈時為112g/ m3。含硫大于10%的硫化礦塵，發生爆炸的范圍是250～1500g/m3，溫度435～450℃。

（3）粉塵的凝并性

凝并是單個粉塵粒子之間相對運動和碰撞的結果。布朗運動，或是布朗運動之外再加上流體動力、靜電力、重力等其他力的作用，都能使粉塵粒子相互靠近而接觸。就約小于1μm的粉塵粒子來說，促使其互相接觸的主要原因是粉塵粒子的布朗運動。這是一種由于氣體分子和原子撞擊粉塵粒子而引起的熱運動。如圖2所示。

圖2 粉塵凝并性

式（2）為粉塵濃度隨時間變化表達式[2]。

式中，n0表示開始時的粉塵粒子計數濃度；n表示時間t時的濃度；k表示波茲曼常數；T表示絕對溫度；uf表示空氣粘度。

1.2 煤礦粉塵的產生及危害

礦山粉塵是礦井在建設和生產過程中所產生的各種巖礦微粒的總稱。礦山生產的主要環節如采礦、掘進、運輸、提升的幾乎所有作業工序都不同程度地產生粉塵。采掘機械化和開采強度、采礦方法、作業地點的通風狀況、地質構造及礦層賦存條件都是影響粉塵產生的因素。如圖3所示為礦山粉塵的產生過程。

圖3 礦山粉塵的產生過程

煤礦粉塵主要是長時間懸浮于空氣中的巖石和煤炭的細微顆粒。煤礦粉塵的危害性主要表現在4個方面：

（1）煤塵的自燃性和爆炸性，煤塵爆炸危險普遍存在，危害嚴重。中國煤礦爆炸危險普遍存在，2007年國有重點煤礦有548處礦井煤塵有爆炸危險，占87. 4%[3]。（2）嚴重的職業危害，粉塵對人體的危害，最直接、最嚴重的是礦肺、煤矽肺和煤肺病，統稱為塵肺病。矽肺病致病的主要工種是巖石爆破，接觸的是游離二氧化硅粉塵；煤矽肺病致病的主要工種是煤巖爆破，接觸的是煤塵中含二氧化硅；煤肺病主要工種是煤層爆破，接觸的是煤塵[4]。(3)降低了工作場所的能見度，在井下某些工作面煤塵濃度高，其能見度極低，往往導致誤操作，增加工傷事故的發生。（4）加速機械磨損，礦塵對機械設備的影響，表現在加速機械的磨損及腐蝕、縮短精密儀器的壽命、加速儀器的老化、降低了儀器的效率，同時也浪費了能源。

2、煤礦粉塵防治技術

針對粉塵造成的威脅前人做了大量研究，20世紀50年代中期到60年代，國內研究員較系統地進行煤層注水機理及工藝的研究；70年代研制出煤層注水專用的高壓注水泵及配套注水儀表和器具，形成了煤層注水成套技術；80年代煤礦機械化發展迅速，采掘工作面產塵強度也急劇增加，針對采掘面高產塵強度的現狀，相關研究員先后研究成功采煤機內外噴霧降塵技術、機采工作面含塵氣流控制技術，液壓支架自動噴霧降塵技術、綜采放頂煤工作面綜合防塵技術、機掘工作面通風除塵技術、濕式和干式掘進機用除塵器、錨噴除塵器、轉載運輸系統自動噴霧降塵、泡沫除塵等多種降塵技術與裝備；90年代，則進行了超聲霧化、荷電噴霧、高壓噴霧等高效噴霧降塵技術的研究，使呼吸性粉塵的降塵率大大提高。隨著現代科學技術的不斷發展，目前研究員們成功研制出了渦流控塵裝置、KCS系列新型濕式除塵器和CPC高壓噴霧降塵裝置，使機掘工作面綜合除塵技術配套裝備更加完善，采煤機高壓噴霧總粉塵降塵效率進一步提高，用水量顯著減少；近年來，直讀式測塵儀和粉塵濃度傳感器的出現，實現了粉塵濃度的快速、實時檢測，達到國際先進水平。

表1 影響除塵效果的主要因素

表2 國內外三種注水狀況[10]

2.1 通風除塵技術

（1）凈化風流技術，通風井和采掘工作面的新鮮風流含塵量不得超過0.5，風流凈化包括井口凈化和井內凈化，井口凈化方法有定期清洗進風井與附近環境的粉塵，井口風流噴霧凈化以及改善井口環境條件，比如在井口周圍附近植樹造林，種植草坪等，井內凈化一般在進回風巷道內安裝水幕，定期清洗。

（2）最優風速選擇[5]

式中，a表示巷道摩擦阻力，N ·S2/m2；Vp表示平均風速，m/s。在回采進回風道、回采工作面，掘進煤巷及半煤巖巷，允許風速為0.25m/s～4m/ s，一般在干燥煤巖巷道中，最優排塵風速為1.2m/s～2m/s之間。

2.2 濕式除塵技術

根據粉塵的濕潤性能，濕式除塵技術可以分為：①用水濕潤，沖洗初生和沉積的粉塵；②用水捕集懸浮于空氣中的粉塵。粉塵的濕潤機理，即液體將粉塵表面氣體擠出后，從其表面擴展的過程，實質上濕潤過程也就是固液氣三相界面上表面能變化的過程，粉塵的濕潤性取決于液體和塵粒表面的接觸角，如圖1所示。影響除塵效果的主要因素我們可以歸納為表1所示。

在噴霧降塵過程中，降塵效果與采用的噴嘴類型、噴霧機理、噴嘴的布置、噴霧參數及煤塵性質等因素密切相關[7][8]。

2.3 煤層注水除塵技術

煤層注水是通過鉆孔將高壓水注入煤體，使煤體預先濕潤。將原生煤塵潤濕，使其失去飛揚的能力，且水能有效地包裹煤體的每個細小部分，當煤體在開采中破碎時，有水存在就可避免細粒煤塵的飛揚。1890年煤塵注水技術首次在德國的薩爾煤田進行試驗，以后便逐步引起了各國的重視。德國，法國及前蘇聯等國家分別于20世紀60～70年代對注水參數進行了相關研究，得出結論為：當注水速度與煤體吸水速度相等時，注水效果最好。前蘇聯已研制出測定煤層注水前后煤層水分的儀器。我國煤礦最早于1956在本溪彩屯煤礦進行了煤層注水試驗[9]。目前,我國在煤層注水濕潤煤體的機理、孔隙分布與注水關系、煤層注水滲透特性、煤層注水中添加濕潤劑等方面進行了研究，提出煤層注水的滲透介質模型、可注水孔徑范圍、濕潤劑的選擇方法、煤層注水壓力選擇等理論及實際應用技術。煤層注水是防塵工作中一項預防性治本措施。國內外注水的狀況主要有三種，如表2所示。

2.4 減塵技術

減塵措施是防塵工作治本性措施,減塵的思想是減少各個產塵工序的產塵總量和產塵強度,從產塵數量上把關和減少對人體危害最大的呼吸性粉塵所占的比例,在降塵質量上設防。主要減塵技術有：

（1）水炮泥和水封爆破

水炮泥是利用特制的塑料袋裝水，代替粘土炮泥填入炮眼內，在爆炸的瞬間，水在高溫高壓下汽化，大量水汽急劇向周圍擴散，同時水在爆炸壓力作用下強力滲透到煤體中，從而有效地抑制大量煤塵的產生。

水封爆破是在堵塞炮眼的兩炮泥中用裝水的塑料袋填于炮眼中，其作用主要借助爆破產生的沖擊波。將充填于炮孔中的水飛散在工作面有限空問，吸收空氣中飛揚的粉塵和炮煙，以達到消除炮煙與粉塵的目的。水封爆破與水泡泥的不同之處在于，水封爆破是用兩段炮泥封存一段水柱。

（2）濕式打眼，即在打眼過程中，將壓力水通過鑿巖機或煤電鉆送入鉆孔，以濕潤、沖洗和排除產生的粉塵[11]。

2.5 物理化學方法除塵技術

我國從20世紀80年代開始試驗推廣應用降塵劑等物理化學方法除塵技術，目前常用的技術有以下幾種：（1）添加降塵劑除塵技術，幾乎所有的煤塵都具有一定的疏水性，加之水的表面張力又較大，添加降塵劑后，則可大大增加水溶液對粉塵的浸潤性，即粉塵粒子原有的固氣界面被固液界面所代替，致使液體對粉塵的浸潤程度大大提高，從而提高了降塵效率，我國煤礦應用的降塵劑有：滲透劑JFC、除塵劑HY、濕潤劑SR-1[12]；

（2）泡沫除塵技術，泡沫除塵是一種用無空隙的泡沫體覆蓋塵源，使剛產生的粉塵得以濕潤、沉積而失去飛揚能力的除塵方法，泡沫除塵可應用于綜采機組、掘進機組、帶式運輸機及塵源較固定的地點；

（3）磁化水除塵技術，磁化水是經過磁化器處理過的水，這種水的物理化學性質發生了暫時的變化，此過程稱作水的磁化。磁化水性質變化的程度與磁化器的磁場強度、水中所含雜質的性質、水在磁化器內的流動速度等因素有關。水經磁化處理后，其表面張力、吸附能力、溶解能力及滲透能力增加，使水的結構和性質暫時發生顯著的變化，使水的黏度降低，晶構變小，水珠也變小，有利于提高水的霧化程度，增加水與粉塵的接觸機會，提高降塵效率。目前我國礦山推廣應用的磁化器主要有TFL系列與RMJ系列磁水器；

（4）聲波霧化除塵技術，超聲霧化技術是利用超聲波特殊性能來霧化水的新興噴霧技術，該技術能使水充分霧化，實現微細水霧捕塵。影響超聲霧化性能的主要因素有氣壓和水量，霧化效果的衡量指標有兩個，一是霧滴粒徑，以小于50霧滴所占比例表示；一是單位面積內的霧滴數量[13]。

2.6 防塵裝備及儀器

當前,我國煤礦掘進工作面有濕式鑿巖、放炮噴霧,裝巖灑水、沖洗巖邦、風流凈化等五項綜合防塵措施。回采工作面有煤層注水、采空區灌水濕潤煤體,機組內外噴霧降塵。此外,還研制出防塵帽,防塵口罩等個體防塵用具,光電式煤塵、巖塵、水泥粉塵濃度快速測定儀等檢測儀表。表3為國內煤礦防塵設備的研究及成果。

3、對現有煤礦除塵技術的思考

以上根據粉塵的性質，介紹了幾種煤塵防治的常用措施.這些措施在煤礦粉塵防治方面也取得了一定的成績。但隨著煤礦機械化程度的提高，開采強度的增大，礦井的防塵問題日益突出。要怎樣提高防塵效率我們需要作出新的思考。

（1）提高除塵設備的自動化水平，我們應該利用現有計算機技術，和網絡智能化，探究除塵設備的自動化性能。特別在采煤機、液壓支架移架噴霧降塵的自動化水平還有待于進一步的提高。這樣我們才能使除塵設備有高效的除塵能力。

（2）合理地選擇通風方式和工作面風量是通風除塵的關鍵，適時合理確定工作面風量，使工作面風量既有利于排放瓦斯，又有利于工作面防塵和防火，使工作面的風速達到最優排塵風速。

（3）應根據井下環境實際情況，合理配置和安裝除塵設備，因為不同礦井粉塵的性質、類型等有差異，只有技術人員合理的配置和安裝才能使除塵設備發揮各自的潛能。同時以上各種防塵技術應該結合起來，互補遺漏和不足之處，這樣才能發揮其最大的經濟效益。

（4）應該充分考慮粉塵對職工的危害性，根據作業人員的身體健康狀況，劃分工作場所等級，作出在不同粉塵危害等級場所的工作時間等規定，并按照規定嚴格執行，以保證作業人員在整個在職期間不會患職業病。

（5）充分利用現有科技力量改進現有除塵技術和創造新的技術和設備，這樣才能使未來煤礦安全技術在煤礦安全上發揮重要作用，能夠為煤礦創造一個安全、衛生、舒適的井下環境，以適應煤炭工業可持續發展的需要。

表3 國內煤礦防塵設備的研究及成果[14-19]

[1]聶百勝,何學秋,王恩元等.煤吸附水的微觀機理[J].中國礦業大學學報.20 04,33 (4):37 9-38 3

[2]向曉東.電凝交理論及在除塵應用中的新進展[J].通風除塵.19 94(4):28-42

[3]苗江平.煤礦粉塵防治技術探討[J].中小企業管理與科技(下旬刊).20 09:28 3-28 4

[4]李楠.礦井粉塵的危害[J].中國能源報. 20 10(23):1-2

[5]馬俊生.煤礦粉塵綜合防治技術[J].山西煤炭科技.20 06(6):45-46

[6]姜初炎.強化煤炭綜合防塵技術降低塵肺病發生率[J].能源與環境.20 05(1):5-7

[7]趙繼云,張德生等.綜采工作面粉塵綜合防治技術研究[J].煤礦機械.20 08,29(2): 15 2-15 3

[8]郭書敏.綜放工作面粉塵綜合防治技術的研究和應用[J].煤炭技術.20 08,27(10): 53-55

[9]韓晉平,王洋等.煤層注水研究現狀及影響因素分析[J].科技創新導報.20 10(3): 73-74

[10]劉增超,史東濤.煤礦粉塵治理技術現狀及展望[J].科技信息.20 08(7):29 8-29 9

[11]訾美幸,顏瑞.煤礦井下礦塵防治[J].山東煤炭科技.20 10(3):18 1-18 3

[12]梁揚寶.劉啟榮.降低煤礦粉塵濃度的新途徑[J].科技情報開發與經濟.20 02,12 (6):12 4-12 5

[13]張小艷,郭強等.微細水霧除塵技術的實驗研究[J].環境污染與防治.20 03,25(4): 23 4-23 6

[14]宋馬俊.國外煤礦粉塵控制措施的新

進展[J].中國職業安全衛生管理體系認證. 20 03(3):21-22

[15]盧鑒章.煤礦瓦斯與粉塵防治技術的發展展望[J].煤炭學報.19 97,22(12):26 1-26 4

[16]陳宇,馮小軍,魏穎.淺談煤礦粉塵綜合治理技術[J].煤礦現代化.20 10(1):28-30

[17]盧鑒章.我國煤礦一通三防技術的發展與進步[J].煤炭科學技術.20 07,35(1):8-13

[18]張延松.煤礦粉塵傳感器及測量儀器的研究[J].煤礦自動化.19 94(2):24-31

[19]陳作賓,陳銳,等.中國煤礦安全技術進展[J].中國安全科學學報.19 91,1(4):30-37

Coal-mine Dust and Removal Technology and Optimization of Existing

Wang Huiqiong
Yunnan Vocational Institute of Energy Technology 655001

coal-mine dust; dust hazards; safety technology; removes dust; remove dust technology; dust removal equipment

針對煤礦粉塵防治的重要性，首先介紹了粉塵的幾個重要特性：潤濕性、凝并性等，分析了其機理，隨后簡單敘述了煤礦粉塵可能引起的四大危害；接著根據煤礦粉塵的特性為出發點，以消除煤礦粉塵危害為目標，介紹了針對國內煤礦開采新形勢下的煤礦粉塵防治技術：通風除塵技術、濕式除塵技術、煤層注水除塵技術等，并歸納總結了煤礦除塵設備和儀表儀器研究進展及成果；最后結合現狀對現有除塵技術提出了新的思考。

煤礦粉塵；粉塵危害；安全技術；除塵；

For the importance of prevention and treatmentof coal-mine dust. First, the author introduced some important properties of dust: wet ability, coagulation and so on, and analyzed its mechanism. Followed by a brief description of the four harm coal-mine dust may cause. Then, the characteristics of coal mine dust are based on the starting point. The target is to eliminate coal-mine dust hazard. Described the coal-mine dust control technology was used for the new situation of the domestic coal mining. Such as ventilation and dust removal technology, wet dust removal technology and coal dustinjectiontechnology. Andtheauthorsummarized the coal-mine dust removal equipment and instrumentationresearchprogressandresults. Finally, with the status quo of the existing dust removal technology presented new ideas.

X 91 5.5

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.24.006

王會瓊（1982-），女，漢族，云南宣威人，工學學士，助講，主要從事煤礦安全技術研究及教學。

除塵技術；除塵設備