礦井防塵高效抑制技術與裝備

王金峰+章雪帆+陳義燦+句海洋

在煤礦生產中，粉塵的來源主要有掘進機截割煤（巖）產塵、綜采（放）工作面采煤機割煤產塵、巷道錨噴產塵等。據實測，在綜掘工作面不采用任何防塵措施的情況下，迎頭的粉塵濃度為1200～1500mg/m3，個別高達2000mg/m3；在沒有防塵措施的情況下，一般綜采工作面的粉塵濃度可達2500～3000mg/m3；在綜放工作面，采煤機割煤和移架平行作業時，有些煤礦個別瞬時原始總粉塵濃度甚至高達7000mg/m3。即使采取措施，多數工作面的情況依然相當惡劣，采煤機下風向粉塵濃度最大可達1000mg/m3以上，已經嚴重超過國家標準規定；錨噴巷道時，噴漿生產現場人員作業區域的平均全塵和呼塵濃度高達500mg/m3和150mg/m3以上，而且粉塵中二氧化硅成分極高。

生產現場存在高濃度粉塵，會產生極大危害。首先，高濃度煤塵易造成爆炸，影響礦井的安全生產。據統計，2007年原國有重點煤礦有532處礦井煤塵有爆炸危險，占87.40%；小煤礦中91.35%煤礦的煤塵具有爆炸危險，其中高達57.71%的具有強爆炸性，瓦斯爆炸參與煤塵爆炸所造成的重大特大事故占煤礦事故的很大比重。其次，高濃度粉塵造成煤礦工人塵肺病患病率居高不下，帶來了一系列負面影響。塵肺病已成為一種“隱形”礦難，它損害的群體更多、更廣，潛在的危害性更重，破壞性更強。目前我國煤礦約有塵肺病人40多萬人，每年死于塵肺病的約有2500人，每年新增塵肺病人約8000人。近幾年我國煤礦安全形勢更是嚴峻，數量眾多的職業塵肺病患者，要花費大量的人力和物力來進行治療，不僅經濟損失巨大，也給患者及家屬帶來了很大的痛苦。另外，高濃度粉塵還會增加機械的磨損率，降低現場設備的使用壽命。從以上情況可以看出，煤礦粉塵不但嚴重威脅著井下工作人員的職業安全健康，也影響企業生產的發展和社會的穩定。為實現企業的快速、健康、可持續發展，維護員工職業安全健康和社會穩定，必須對生產過程中工作面現場的粉塵進行治理。

傳統防塵方式

傳統的機掘工作面防塵設備，主要包括掘進機內外噴霧、掘進機液壓除塵風機，以及除塵器的抽塵凈化系統。但是，傳統除塵技術存在較多的缺陷和局限性。針對綜采（放）工作面而言，盡管大部分礦井采用了采煤機內外噴霧和移架噴霧、轉載噴霧和凈化水幕技術，取得了一定的降塵效果，但降塵效果十分有限，不能滿足現代化綜采（放）工作面降塵的需要。

多年來，我國礦山井下錨噴作業一直采用干噴或潮噴工藝，此工藝技術極易導致工人塵肺病的形成。為此，在國家安全監督管理總局、國家煤礦安全監察局于2010年9月發布的《關于發布禁止井工煤礦使用的設備及工藝目錄（第三批）》中，已明確將干式混凝土噴射機列入淘汰產品。

2012年，國家安全監管總局公布第一批安全科技“四個一批”項目名單，將“礦井綜合防塵系統技術工藝及其裝備示范”列為研究課題之一。為此，項目承擔單位——大屯煤電（集團）有限責任公司成立了課題組，開展大屯礦區礦井采掘面氣載粉塵高效抑制技術與裝備研究，以解決采掘面防塵系統各子系統的關鍵技術，降低采掘面人員作業區域居高不下的粉塵濃度。這項研究是我國礦井目前急需解決的重要課題，對有效降低工作面現場粉塵濃度，提高現場員工的職業安全健康程度，具有重要的作用和意義。

研究過程

課題組針對粉塵產生的不同部位和特點，分別研發出相應的產品，抑制或減少粉塵的發生。

針對不同煤層煤種、煤質的類別，課題組通過表面活性劑表面張力實驗、粉塵接觸角實驗、沉降實驗和保水性等實驗，研發了高效、環保、經濟的降塵用新型復配濕潤劑。并同時研發出濕潤劑自動、定量添加裝置，實現了濕潤劑添加工藝的自動、集約化管理。

針對綜采工作面在移架、放頂煤及采煤機割煤時產生大量粉塵問題，課題組研發設計了綜采工作面井上監控型支架自動噴霧降塵系統，如圖1所示。

根據大屯礦區綜采（放）工作面的具體情況，課題組合理設計了煤層高壓注水的鉆孔布置方式、鉆孔間距、鉆孔長度、注水壓力、鉆孔傾角等參數，并確定出煤層注水用的煤層氣動注水泵、坑道注鉆一體機、煤層注水流量表、耐振壓力表、封孔器，以及專用封孔泵、管材及閥門和連接件等注水配套設備，如圖2所示。

針對錨噴巷道干噴作業粉塵濃度大、游離二氧化硅濃度高，對礦工身心健康構成嚴重威脅的現狀，課題組研制了井下連續式攪拌機，以及結構緊湊、體積小、重量輕、拆裝搬運方便的混凝土濕噴機。同時為減少濕噴作業的勞動強度，最終形成連續攪拌、活塞泵送、輔助作業的噴漿混凝土濕噴設備，構成新型濕噴作業系統，如圖3所示。

課題組還研發了礦井粉塵在線監測監控數據上傳平臺，系統由6個井下監控分站、1個數據通信、1個地面監控計算機構成，如圖4所示。該平臺可實現粉塵在線監測、匯報、數據上傳等功能，便于安全管理人員進行實時監管。

成果轉化及應用

所有研發成果形成了一套完整的防塵體系，即“礦井綜合防塵系統技術”。該項技術使井下產塵的各個環節，均被采用有效手段加以控制，使井下的粉塵濃度得到大幅降低。

新型復配濕潤劑，可以加在噴霧用的水中，有效捕捉空氣中的粉塵并使之沉降，從而達到降塵的目的。同時，濕潤劑還可以用于煤層注水，使注水后的煤層在掘進時不會產生大量粉塵。

井上監控型支架自動噴霧降塵系統，可以在移架、放頂煤時實現自動噴霧降塵，同時還可隨采煤機移動，在采煤機下風端形成數條隨采煤機移動的水幕，有效降低粉塵的濃度和阻擋粉塵擴散。由于噴灑點的位置及噴霧量可以合理設置，從而達到用最少水量實現最佳除塵效果。系統還可將工作面移架、放煤、采煤機位置等參數通過井下環網傳到井上，實現安全監控。

煤層高壓注水技術，可有效預防沖擊地壓及高粉塵災害。通過鉆孔向煤體預注高壓水，高壓水沿著煤的裂隙，向被裂隙分割的煤塊滲透，并儲存于裂隙和孔隙中，增加煤體水分，濕潤煤體內原生煤塵，使其失去飛揚能力，減少采煤時產生浮游粉塵的能力。

礦井粉塵在線監測監控數據上傳平臺，可以實現井下粉塵情況的實時上傳，井下監控分站實現現場的數據采集、數據處理和除塵控制輸出、語音報警等功能。數據通信部分，負責井下監控分站與地面監控計算機之間實時、可靠的數據傳輸；監控計算機負責接收、顯示、并存儲來自現場的監測數據。監控平臺是管理人員掌握井下礦塵狀況的重要手段，是塵害防治的關鍵環節。

目前，整個系統已在大屯礦區龍東煤礦使用。據測算，已使采掘工作面的全塵降塵率達到90%以上；采掘工作面的呼塵降塵率達到85%以上。由此可以看出，該項目可使礦山的安全隱患大大降低，職工的作業環境大大改善，逐步實現“無塵化”煤礦的目的。

該成果不僅可以應用到礦山，還可以應用到水泥廠、面粉廠、制磚廠等容易產生大量粉塵的生產企業。

發展前景

礦井粉塵作為煤炭生產加工過程中的必然產物，是導致礦井發生事故的主要原因之一。它不僅會引起職業病，而且許多粉塵還具有爆炸性，嚴重威脅著礦井的安全生產。

長期以來，由于人們對于粉塵的危害認識不足，致使關于礦塵防治領域的理論研究和應用技術研究比較薄弱，至今沒有形成成套的理論系統和技術體系，以至于采掘工作面粉塵污染問題隨著機械化程度的提高越來越嚴重。因此，搞好采掘工作面防塵，對于保護礦工的身心健康和保證礦井的安全生產，具有十分重要的現實意義。

此外，國外一些發達國家在吸塵滾筒、隔離塵源、聲波霧化降塵、磁化降塵、預荷電噴霧降塵、泡沫降塵等方面，進行了一系列探索研究，取得了一定的成果，這為我國礦井綜合防塵探索了一條新途徑。目前我國對這些先進方法的研究正不斷取得進展，但離真正意義上的推廣還有一段距離。在下一步的研究中，大屯煤電（集團）有限責任公司將聯合相關高校、科研院所進行深入探索研究。

編輯 楊 璇