煤礦用多級過濾防塵面罩的設計及試驗研究*

陳明軍

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原，030003)

0 引言

煤礦井下高濃度粉塵引發的塵肺病是我國煤礦企業現階段急需解決的重大職業健康問題。截止 2018 年底，我國累計報告職業性塵肺病病例87.3萬例，其中絕大多數來于煤礦從業工人，并且其病例數呈現逐年增加的趨勢[1]。受開采工藝的限制，煤礦井下不僅不能做到封閉塵源，還要將塵源暴露在高速風流中。因此，煤礦井下粉塵具有濃度大、污染范圍廣的特點。例如：在掘進工作面，粉塵濃度可高達1 140 mg/m3[2-3]，整個掘進巷道深受其害；采煤工作面粉塵濃度能達770 mg/m3，呼吸性粉塵濃度占比達到了約50%[4-5]。

防塵面罩是煤礦工人健康呼吸的最后屏障，煤礦井下惡劣的粉塵環境對其過濾效率、過濾阻力以及容塵量均提出了嚴峻的考驗。過濾阻力和過濾效率通常是一對矛盾體，為了獲得高效低阻濾膜，研究人員將纖維直徑降至納米尺度，通過增加纖維的比表面積增加對微細粉塵的捕獲效率[4-5]，在相同的過濾效率下，相對于微米級纖維，納米纖維的過濾阻力能降低12%[6]。在纖維材料內添加駐極體，使纖維材料帶上一定的電荷，加強靜電作用對微細粉塵的吸附，可以在保證過濾效率的同時降低過濾阻力。經駐極處理以后，纖維濾膜對0.3 μm粉塵的捕集效率從25%～50%提升到80%～93%[7-8]。

針對容塵量問題，唐敏[9]研究發現，對于純纖維濾膜，容塵量從0 g/m2增加到5 g/m2時，過濾壓力從170 Pa快速增加到450 Pa;劉朝軍等[10]通過在線改變紡絲工藝，增大濾膜中纖維直徑的分布范圍，增大濾膜孔隙率提高容塵量；杜齊等[11]建立了梯度結構的雙層濾料，采用分層過濾提高容塵量；宋強等[12]通過加入癸二酸二異辛酯，改變粉塵表面的親水性，使粉塵在濾膜纖維上呈聚集態，減少對濾膜孔徑的堵塞。

雖然上述方法在一定程度上提高了濾膜的容塵性，但是對于類似煤礦井下的高濃度粉塵環境，其容塵量遠遠不能滿足使用要求。本文在前期提出的基于輕質微球的多級過濾組件的基礎上[13]，設計多級過濾防塵面罩，并進行煤礦井下現場試驗。

1 基于輕質微球多級過濾面罩的設計

高濃度多級過濾組件原理如圖1所示。1級過濾采用填充聚苯乙烯(PS)泡沫顆粒的顆粒層，用于提高過濾組件容塵量，并實現過濾組件的及時清灰；2級過濾采用靜電紡絲納米纖維膜，確保吸入空氣的潔凈度。為保證顆粒床在清灰過程中有足夠的流化空間，過濾組件在含塵氣流入口段為錐形通道，PS發泡顆粒的填充率為95%。

圖1 多級過濾組件原理

在吸氣負壓作用下，含塵氣流首先經過PS泡沫顆粒層，在顆粒層內，大部分粉塵在慣性碰撞、擴散以及PS泡沫顆粒表面靜電的作用下，被PS泡沫顆粒層濾除。未被顆粒層濾除的微小粉塵被2級纖維濾膜濾除，使進入人體內的空氣質量滿足要求，如圖1(a)所示。經過一定的使用時長后，依靠嘴輔助呼氣，形成較大的反吹風(或震動)使PS泡沫顆粒層流化。PS顆粒間相互發生激烈的碰撞，沉積在PS顆粒層內部的粉塵從PS顆粒表面分離、脫落，并在重力或呼出氣流的作用下，通過多孔的外框、掉入容塵腔或排出呼吸組件，從而解決防塵面罩在高濃度粉塵環境下阻力急劇增加的難題，如圖1(b)所示。

根據提出的多級過濾組件原理，對多級過濾防塵面罩進行結構設計，如圖2所示。多級過濾防塵面罩在傳統防塵面罩的基礎上，增加了泡沫過濾層，用于攔截粉塵中的粗顆粒，減少濾膜的負擔。為了避免泡沫顆粒層對使用者的視野造成影響，泡沫顆粒層的厚度設計為20 mm[13]，泡沫顆粒層最高點與濾膜層最高點連成的直線與垂直距離方向成45°。為了減小呼入氣體的過濾阻力，在滿足視線要求的前提下，盡量增大吸入氣流的流通面積。在泡沫顆粒層框架內粘貼250目(58 μm)的黃銅網，防止0.5 μm的泡沫泄漏[14]。泡沫顆粒層框架和濾膜框架采用3D打印的手段制備，并采用扣接的方式，便于泡沫顆粒和濾膜的更換。面部貼合件采用軟硅膠材料制作。泡沫層采用填充了0.5 μm的PS泡沫微球用于去除高濃度粉塵中大粒徑成分，高精度過濾層采用熔體電紡微納纖維復合濾膜，用于保證對微細粉塵的過濾效率。

圖2 多級過濾粉塵防護面罩

2 井下試驗巷道概況

為了研究多級過濾防護面罩在煤礦井下環境的適應性，在山西焦煤汾西礦業集團下屬的雙柳煤礦進行現場試驗，選取的試驗地點為61116掘進巷道。掘進巷道的基本工藝情況為：掘進巷道寬度4.2 m，高度3 m，掘進巷道已施工長度300 m，巷道內的溫度25 ℃，相對濕度70%。掘進機的型號為EBZ160，截割頭端配置噴霧除塵。采用2臺錨桿鉆機進行打孔支護，其中1臺配置水噴霧除塵，另1臺未配置水噴霧除塵。局部通風機的型號為FBDNo6.3 2×30kW。掘進機每截割1 m時，進行1次支護，1次截割的時間約為20～30 min，每次支護時間在30～60 min。

巷道的具體布置如圖3所示。巷道施工工藝主要由掘進工藝和支護工藝組成。在掘進工藝中，煤體在截割頭旋轉截割作用下破碎并產生大量的粉塵。產生的粉塵在高速供風氣流的帶動下，運移到巷道后方，造成巷道環境嚴重污染。除此之外，當運輸的物料從掘進機的刮板輸送機轉運至轉載機、以及轉載機將物料轉運至膠帶運輸機時，均有大量的煤塵產生。在支護工藝中，掘進機、轉載機和膠帶運輸機都處于停機狀態，粉塵主要是由錨桿機產生。

圖3 試驗巷道現場平面布置

每個生產班配置有8名工作人員。在掘進工藝過程中，有1名掘進機指揮者，在掘進機回轉臺的左方；1名掘進機司機，在掘進機的右方，距離截割頭粉塵產生點約10 m；1名轉載機看護人員，距離截割頭粉塵產生點約25 m；其余人員在備料點與掘進機司機位置的范圍內進行準備錨桿、錨網以及錨索等工作，其中備料點截割頭粉塵采樣點的位置約80 m。

為了考察多級過濾防塵面罩的使用壽命，分別以1次掘進時長(T0)、1次工藝循環(T1)、2次工藝循環(T2)和3次工藝循環(T3)為變量，采用CCX-2個體粉塵采樣器對試驗人員附近的粉塵濃度進行采樣測試。研究多級過濾防塵面罩的過濾效率，具體見表1。在掘進機掘進時，巷道內的粉塵濃度為12.5 mg/m3,將掘進工藝和支護工藝共同測試時，巷道內的粉塵濃度降至4.49 mg/m3,說明支護工藝產生的粉塵量明顯小于掘進工藝。在T1至T3的不同時段內，巷道內的粉塵濃度幾乎保持不變。

表1 試驗時長與掘進工藝的對應關系

對巷道中的煤塵進行采樣，并采用激光粒度分析儀測量其粒徑分布，如圖4所示。由圖4可知，61116掘進面的煤塵，直徑在10 μm以下的粉塵只占到5%，直徑在2.5 μm以下的粉塵約占2%。相對于巖巷掘進，煤巷掘進時，煤體更容易破碎，產生的煤塵粒徑更大[13]，更容易去除。

圖4 煤粉粒徑分布曲線

受供風氣流的影響，作業點B，C，D受粉塵污染最嚴重。因此，在空間上，分別測試多級過濾防塵面罩在B，C，D點的過濾性能。以掘進截割為固定時長，采用CCX-2個體粉塵濃度儀對不同工位的粉塵濃度進行測量，其粉塵濃度分布見表2。掘進機司機的粉塵濃度最大，為12.5 mg/m3；其次是轉載機看護人員，為8.33 mg/m3；最后是備料點，為6.67 mg/m3。隨著與掘進面距離的增加，煤塵中粒徑較大的成分組件從含塵氣流中析出，從而粉塵濃度逐漸降低。采用CFD25 防爆風速儀對不同地點的巷道風速進行測試，其結果見表2所示。

表2 不同工作地點的粉塵濃度和巷道風速

3 井下試驗結果分析

3.1 不同使用時長對濾膜的污染

在不同的使用時長下，傳統防塵面罩的濾膜與多級過濾防塵面罩的濾膜受污染情況對比如圖5所示。由圖5可以看出，在任何使用時長下，多級過濾防塵面罩的濾膜普遍呈現白色，而傳統防塵面罩的濾膜幾乎被煤塵全部占據，呈現黑色。這說明多級過濾防塵面罩前端的泡沫顆粒層能夠有效地阻擋煤塵，從而減小纖維濾膜的過濾負擔。當使用時長從T0增加到T3時，傳統防塵面罩濾膜中間部位的嚴重污染區域逐漸向濾膜周圍擴散，直至煤塵將整個濾膜區域都完全污染。在沒有粉塵加載時，濾膜中間區域是流動阻力最小的區域，吸入氣體首先由濾膜中部通過防塵口罩；隨著使用時長的增加，煤塵逐漸在濾膜中間區域積累，濾膜中部的流動阻力逐漸增大，含煤塵的吸入氣體轉向濾膜周圍區域，由濾膜周圍區域對煤塵進行過濾。對于多級過濾防塵面罩，濾膜雖然也隨過濾時間的增加而逐漸變得更黑，但是其變黑的速度明顯低于傳統的防塵面罩。

圖5 不同使用時長的濾膜受污染情況對比

進一步通過測量、對比傳統面罩濾膜和多級過濾防塵面罩濾膜的增重情況，獲得泡沫顆粒層對粉塵捕集能力隨時間的變化關系，如圖6所示。泡沫顆粒層對煤塵的過濾效率普遍大于93%，能很好地減小纖維膜的過濾負擔，延長纖維濾膜的有效使用時長。當過濾時長由T1增加到T3時，泡沫顆粒層對煤塵的攔截效率由93.1%上升到96.0%。這主要是由于隨著煤塵在泡沫顆粒層的堆積，泡沫顆粒層的孔徑逐漸降低，從而增強了對煤塵的捕獲能力[15]。

圖6 使用時長對PS泡沫層過濾效率及濾膜過濾阻力的影響

對使用過后濾膜的阻力進行測試，在流量為85 L/min的條件下，多級過濾防塵面罩的濾膜幾乎不隨時間發生變化，恒定在89.5 Pa附近；傳統面罩濾膜由于沉積了粉塵，過濾阻力隨時間逐漸升高，使用25 min的過濾阻力90.5 Pa，使用230 min的過濾阻力增加到93.2 Pa。

3.2 不同使用地點對濾膜的污染

在1個截割周期內巷道內不同地點防塵濾膜的污染程度如圖7所示。在相同時間內，掘進機司機處的濾膜污染程度大于備料點濾膜的污染程度，這主要是因為掘進機司機處的濃度為12.5 mg/m3,大于備料點處的粉塵濃度6.67 mg/m3。多級過濾防塵面罩的纖維濾膜污染程度也是掘進機司機處大于備料點處，但差別不是很明顯。

圖7 巷道內不同地點防塵濾膜的污染程度

巷道內不同地點泡沫顆粒層的過濾效率及濾膜過濾阻力如圖8所示。對使用過后濾膜的阻力進行測試，在流量為85 L/min的條件下，多級過濾防塵面罩濾膜的過濾阻力(89.4 Pa)稍微低于傳統面罩的濾膜阻力(90.9 Pa)。掘進機司機處的過濾效率最低，僅為93%，距離掘進面越遠，泡沫顆粒層的過濾效果越高，在備料點，泡沫顆粒層的過濾效率達到了96%。這與掘進機司機處的粉塵濃度最高，煤塵中含有的大粒徑比重大，泡沫顆粒層過濾效果應該最好的預期完全相反。這可能跟巷道內風速分布有關[15]。受巷道內風筒布置的影響，掘進機司機處的風速最高，可達0.7 m/s，當面向掘進面呼吸時，巷道內的風速直接吹向泡沫顆粒層，使泡沫顆粒層中表層的泡沫顆粒產生動態變化，使過濾效率較低。當距離掘進面越遠，巷道內的風速逐漸減低，最終趨近于平緩的0.2 m/s，對于顆粒層表面的影響降低，從而使過濾效率逐步提升至96%。

圖8 巷道內不同地點泡沫顆粒層的過濾效率及濾膜過濾阻力

4 結論

1)基于輕質微球的多級過濾防塵面罩能很好地適應煤礦的高濃度粉塵環境。1級輕質微球能夠阻擋煤塵中93%以上的粉塵。

2)現場試驗表明輕質微球的過濾效率隨著使用時間的增長而不斷增加；巷道風速越大，輕質泡沫顆粒層的過濾效率越低，但過濾效率均保持在93%以上。

3)輕質泡沫層能有效延長高效濾膜的使用時間，隨著使用時間的增長，輕質泡沫層在降低纖維濾料過濾阻力方面的效果越明顯。