“十三五”煤礦粉塵職業危害防治技術及發展方向

李德文，趙 政，郭勝均，鄭 磊，張小濤，隋金君

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國是全世界最主要的煤炭生產國家。隨著我國煤炭開采的機械化、自動化、智能化技術水平的不斷提高，煤炭年產量也在不斷提升。2021年全國原煤產量達到41.3億t，創歷史新高[1]，且隨著煤礦大型機械采掘設備的投入，尤其是大采高綜采和快速掘進裝備的推廣應用，在減員增效的同時，也造成了產塵強度增高、產塵量增大，導致塵肺病患病率增高等一系列新問題。

粉塵是煤礦五大災害之一。高濃度的粉塵不僅會引發煤塵爆炸、誘發礦工塵肺病，也會直接影響煤礦智能裝備中相關傳感元件的可靠性，已經成為當前煤礦井下亟待解決的重要難題[2-6]。截至2020年底，我國累計報告職業病101.1萬例，其中，職業性塵肺病90.3萬例，占90%，絕大部分來自煤礦從業人員[7-9]。近年來，我國煤礦煤塵爆炸事故也時有發生[10-12]，例如：2020年8月20日，山東能源集團肥城礦業公司梁寶寺能源有限公司發生煤塵爆炸事故，造成7人死亡、9人受傷[13]；2022年2月7日，國家能源集團寧夏煤業有限公司棗泉煤礦發生煤塵爆燃事故，造成1人死亡、8人受傷[14]。

近年來，國家對礦井安全生產和粉塵危害的重視程度越來越高。在《國家職業病防治規劃(2016—2020年)》《安全生產“十三五”規劃》及《“健康中國2030”規劃綱要》中明確要求，加強對高危粉塵、高毒物品等職業病危害源頭進行治理。粉塵職業危害防治已被列入國家戰略與重大需求，“十三五”以來，我國加大了礦山職業危害防治關鍵技術及裝備的研發力度，并取得了較大的進步，煤礦塵肺病的高發態勢得到了一定程度的遏制。為此，筆者梳理“十三五”期間煤礦井下粉塵職業危害防治技術取得的最新進展，總結存在的不足之處，并對未來的研究方向進行展望。

1 采掘工作面粉塵防治技術

采掘工作面是煤礦井下最為主要的粉塵產生場所，其產塵量約占全礦井產塵量的85%，是粉塵治理的重點和難點。由于采掘工作面粉塵質量濃度較高，僅采取單一的防塵措施，難以達到理想的降塵效果，通常需要采用多種措施相結合的綜合防塵技術。

1.1 普通綜采工作面綜合防塵技術

生產期間，當不采取防塵措施或防塵措施不到位時，綜采工作面粉塵質量濃度一般可達1 000～4 000 mg/m3，呼吸性粉塵質量濃度達1 100 mg/m3。“十三五”期間，難注水煤層注水減塵、采煤機二次負壓降塵及含塵氣流控制、采煤機塵源智能跟蹤噴霧降塵、液壓支架移架降架及放煤自動高壓噴霧降塵等綜采工作面的綜合防塵技術取得了較大進步[15-18]。

1.1.1 難注水煤層的注水減塵技術

針對難注水煤層，通過采取煤層注水措施增加煤體水分含量，可從根本上減少產塵量，最大限度減少截割時粉塵的產生量。

1)基于難濕潤煤塵的復配濕潤劑

針對難濕潤煤塵的疏水性，為降低水的表面張力，改善煤塵親水性能，提高煤層注水效果及噴霧降塵效果，采用正交試驗方法，研發了復配濕潤劑，在防塵用水中添加質量分數為0.2%的復配濕潤劑后，其表面張力可降低至33.20 mN/m，可大大提高煤層注水效果[19-20]。

2)難注水煤層注水逾裂增滲工藝

針對難注水煤層，采用“注—裂—滲—潤”的注水逾裂增滲方法：將壓力水注入注水鉆孔，低滲透性介質不再遵循線性達西公式，而呈現出非線性滲流特性，存在著啟動壓力梯度；煤體裂隙在水壓作用下逐步被壓裂擴展，形成次生裂隙；隨水壓增大，次生裂隙逐漸擴張，形成裂隙網絡，壓力水沿裂隙及部分孔隙進行注水驅氣及徑向滲流；水經毛細滲吸作用進入更小的孔隙空間以充分潤濕煤體。

在陽泉新元煤礦3417綜采工作面進行煤層注水逾裂增滲試驗，試驗結果表明：當注水壓力達到4.5～7.0 MPa時煤體被逐步壓裂、裂隙擴展，壓力水進入次生裂隙，保壓潤濕煤體；當流量小于設定值，再次提高注水壓力至11 MPa左右時，煤體次生裂隙繼續擴張，形成裂隙網絡，完成二次壓裂，在注水流量恢復至設定值后再次保壓潤濕煤體。

3)煤層注水及其自動監測系統

為提高煤層注水效率和保障注水過程中人員安全，利用煤層注水監控系統實現分時段自動注水控制、注水壓力和流量等參數的實時監測，以及動靜壓注水自動轉換，能監測注水過程中“跑水”現象，并可接入煤礦安全監控系統，實現煤層注水過程遠程監控[21]。

1.1.2 采煤機噴霧降塵技術

1)采煤機二次負壓降塵及含塵氣流控制

在采煤機搖臂安設噴霧降塵器，通過8～12 MPa水壓的高壓噴霧降低滾筒產塵量的同時產生負壓，將附近含塵氣流吸入降塵器，實現二次降塵；在采煤機機身布置噴霧引導裝置，引導含塵氣流沿煤壁一側運動，控制粉塵擴散。

2)采煤機塵源跟蹤智能噴霧降塵技術

利用傳感器自動檢測采煤機位置，按采煤機移動方向順次開啟或關閉采煤機前后滾筒對應支架上的噴霧裝置，使采煤機前后滾筒始終處于高壓霧流包絡之中，就近降低滾筒割煤時的產塵量[22]。與采煤機二次負壓降塵及含塵氣流控制系統相結合，可對采煤機形成立體噴霧包圍，實現對采煤機割煤區域的封閉降塵，有效降低采煤時的產塵量。

1.1.3 支架移架、放煤自動高壓噴霧降塵技術

針對液壓支架移架和放煤產塵，通過噴霧位置優化及噴嘴優選，對降柱移架和放煤過程中產生的粉塵進行控制和捕集。

綜采工作面采用上述多項技術相結合的綜合防塵體系后，可大大降低工作面生產期間空氣中的粉塵質量濃度。不同條件的綜采(放)工作面采取上述綜合防塵技術后的降塵效率如表1所示[4]。

表1 不同條件的綜采(放)工作面綜合防塵降塵效率

1.2 大采高綜采工作面“控、降、抽、除”粉塵精準防控技術

我國厚煤層儲量約占煤炭總儲量的40%～50%，大采高綜采技術具有煤炭采出率高、巷道掘進率低等優點，已然是實現煤炭生產向集約、高效、安全發展的開采技術[23-24]。目前我國西部榆神及神東礦區，相繼實現了采高5.0、6.0、7.2、8.0 m的技術跨越，2018年3月投產的神東上灣煤礦8.8 m超大采高綜采工作面，其單產能力達到1 600萬t[25]。近年來，我國8 m左右大采高綜采工作面已在多個礦區推廣應用，但大采高綜采技術在提高產能的同時，其工作面的產塵強度、粉塵擴散規律、粉塵危害程度和治理難度均遠超一般采高的綜采工作面，傳統防塵技術已不能滿足粉塵治理要求。在無防塵措施時，大采高綜采工作面的粉塵質量濃度高達3 000～5 000 mg/m3，割煤和移架時的瞬時原始總粉塵質量濃度甚至可達10 000 mg/m3以上[26]。

針對大采高綜采工作面采煤機割煤及液壓支架移降架兩大主要產塵工序，按照“控、降、抽、除”的防治思路，中煤科工集團重慶研究院有限公司開發出了“氣水噴霧+機載除塵+支架封閉控塵+高位抽塵與微霧凈化”粉塵綜合精準防控技術[27-28]，如圖1所示。

1—遠射程氣水噴霧；2—采煤機機載除塵器；3—液壓支架封閉控塵；4—負壓微霧控除塵。圖1 大采高綜采工作面粉塵綜合精準防控技術示意圖

首先，針對采煤機滾筒割煤和片幫垮落塵源，利用安裝布置在支架頂梁下方的耗水量低和射程遠的氣水噴霧對滾筒及其周邊區域的破碎煤體進行快速濕潤，從源頭上減少產塵量；再利用安裝在采煤機上風端頭行走位置的機載除塵器對垮落產生的粉塵進行源頭集中抽塵凈化，避免粉塵向后方擴散；針對液壓支架降柱移架產塵，則利用安裝在相鄰2個支架側護板縫隙處的滑移式封閉控塵裝置將高處產生的粉塵直接導入采空區，從根本上避免風流吹散粉塵；最后，針對綜采工作面上部空間長期懸浮的浮游粉塵，利用安裝在液壓支架立柱前方頂梁處的負壓抽塵微霧凈化裝置進行高效抽塵凈化和噴霧沉降。在神東補連塔煤礦現場綜合應用結果表明：大采高綜采工作面“控、降、抽、除”粉塵精準防控技術的綜合降塵效率在90%以上，工作面有人作業空間內粉塵質量濃度降至10 mg/m3以下，粉塵防控效果顯著[28]。

1.3 綜掘工作面長壓短抽自適應控風除塵技術

據實測，綜掘工作面不采取防塵措施時，工作面端頭粉塵質量濃度高達3 000 mg/m3以上，其中呼吸性粉塵占近40%[29-31]。特別是巖巷綜掘工作面，生產期間產生的粉塵分散度更高，嚴重危害礦工身心健康，影響安全生產。

綜掘工作面除塵技術措施主要有長壓短抽控風除塵、高壓噴霧降塵、泡沫降塵、注水除塵等，其中綜掘工作面長壓短抽控風除塵是最有效的除塵措施，在除塵系統控除塵工藝參數(壓抽風量比、控風裝置徑軸向風量比、控塵裝置出風口與端頭的距離、吸風口與端頭的距離等)匹配情況下的降塵效率能達到95%以上，其他措施只能達到80%左右[32-35]。但目前除塵系統控除塵工藝參數靠人工定時調節,工藝參數在掘進過程中不斷變化，導致降塵效果極不穩定，現場應用時降塵效率在75%～95%變化，不能滿足持續高效治理煤礦綜掘工作面粉塵的需要。

為解決這一難題，“十三五”期間以綜掘工作面長壓短抽控風除塵系統持續高效控除塵為目標，研究隨煤礦井下工藝參數變化自適應調節的智能除塵技術及裝備，保障粉塵治理效率持續在95%以上，有效降低作業人員勞動強度。綜掘工作面長壓短抽自適應控風除塵技術總體方案如圖2所示。

圖2 綜掘工作面長壓短抽自適應控風除塵技術總體方案

綜掘工作面長壓短抽自適應控風除塵系統主要由控風系統、除塵系統、高效控除塵安全保障系統、基于最佳協調機制的智能控制系統等組成?？仫L系統主要由徑軸向風量可自動調節的控風裝置、距離傳感器、距離自動調節裝置、供風風量監測裝置、供風風筒儲存裝置、配套的單軌吊移動裝置等組成；除塵系統主要由吸塵罩、抽塵風筒、除塵器、除塵器風量監測與自動調節裝置、配套移動裝置等組成；高效控除塵安全保障系統主要由除塵系統進出口粉塵濃度傳感器、抽塵管道內瓦斯濃度傳感器、巷道內粉塵濃度傳感器、壓抽風筒重疊段瓦斯濃度傳感器、區域控制器等組成；智能控制系統主要有各種傳感器監測裝置組成的感知層、區域控制器和地面控制系統形成的決策層、各種自動調節裝置組成的執行層等。

煤礦綜掘工作面智能化除塵系統可實現對各項技術參數、粉塵濃度、瓦斯濃度等的實時監測，當出現系統技術參數變化、除塵效率變化、瓦斯濃度超限等情況時，區域控制器自主決策系統計算最佳控除塵工藝技術參數，通過對執行層各種調節裝置的協同調控，保證系統處于最佳工作狀態，保證控除塵系統始終處于持續高效、安全控除塵狀態，滿足綜掘工作面粉塵防治智能化的需求。該系統與現有綜掘工作面控除塵系統的最大區別在于系統的技術參數由智能化調控取代人工定時調節。在神東寸草塔煤礦22120運輸巷道綜掘工作面應用長壓短抽自適應控風除塵系統的粉塵降塵效率對比見表2。由表2可以看出，通過自適應除塵系統不斷自動調節抽風量，實現了粉塵除塵效率大于等于95%的目標。

表2 寸草塔煤礦22120運輸巷道綜掘工作面自適應除塵效率對比

2 其他作業地點粉塵防治技術

2.1 錨噴作業粉塵防治技術

為解決支護噴漿過程中的粉塵污染問題，有關科技工作者開發了多種噴漿作業配套工藝及裝備[36-38]。針對潮式噴射工藝，先后研發了多種集裝料、攪拌、上料、錨噴和控除塵于一體的成套技術裝備，可大大降低噴漿作業人員處的粉塵質量濃度。濕式噴漿工藝可從根本上大大消除噴漿過程中的粉塵產生，國內已有研究者開發出了濕式噴漿機。另外，有些單位正在開展噴漿機械手和噴漿機器人研究，可實現噴漿作業自動化，進一步減少噴漿作業過程中的粉塵對人員的危害。

2.2 鉆孔作業粉塵防治技術

針對煤礦井下碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工時的粉塵污染問題，碎軟煤層定向鉆孔降塵裝置采用壓縮空氣環縫引射為動力，通過孔口壓氣控塵、環縫引射干式除塵的方式，能夠極大地降低鉆孔施工時周圍的粉塵濃度。現場應用效果表明，在碎軟煤層定向鉆孔施工過程中,作業場所周圍1 m內的粉塵降塵效率達99.3%以上[39]。

2.3 運輸、轉載及巷道自動噴霧降塵技術

煤礦井下煤流運輸膠帶、轉載點及輔助運輸大巷等位置的粉塵防治主要是采取噴霧降塵的方式。目前，我國煤礦井下這些位置的噴霧降塵控制方式正在由手動控制向自動控制轉變。礦用自動噴霧降塵裝置可以根據需要實現各種形式的自動控制，主要有以下幾種模式：①超限模式，用戶可以根據需要設置噴霧粉塵濃度，當作業場所的粉塵濃度超過設定的噴霧濃度時，裝置自動開始噴霧,而當粉塵濃度小于設定的噴霧濃度時，自動停止噴霧；②定時模式，用戶可以根據需要設置多個噴霧時間段，裝置在選擇的時間段內自動開啟噴霧,其他時間則自動停止噴霧；③觸控模式，當轉載膠帶在運煤時，裝置自動開啟噴霧,而當膠帶上沒有煤塊時，自動停止噴霧。

3 粉塵連續監測與塵肺預警技術

3.1 呼吸性粉塵連續監測技術

呼吸性粉塵是煤礦職業病高發的主要誘導因素。目前我國礦山防塵重點已逐步從總粉塵治理轉向呼吸性粉塵防治，但暫無礦山環境呼吸性粉塵連續監測裝置。“十三五”期間，中煤科工集團重慶研究院有限公司針對礦山高濃度粉塵環境，以沖擊分離理論為基礎，提出了一種基于虛擬沖擊原理的可滿足BMR分離效能曲線的呼吸性粉塵連續分離方法。研制的虛擬沖擊分離器樣件如圖3所示。

圖3 虛擬沖擊分離器樣件

根據MT 394—1995《呼吸性粉塵測量儀采樣效能測定方法》，不同粒徑的測試平均值與BMRC曲線的對比測試結果如表3所示，可以看出，分離效能的最大偏差為4.24%，滿足標準要求的不超過±5%。在松藻煤礦、石壕煤礦連續開展了30 d的工業性試驗，裝置試驗效果良好。

表3 測試平均值與BMRC曲線的對比結果

基于虛擬沖擊分離器，利用激光散射法對低濃度粉塵檢測精度高，靜電感應法對高濃度粉塵檢測精度高的特性，研發出融合2種檢測方法優點的礦山呼吸性粉塵傳感器，其量程為0～500 mg/m3，誤差小于12%，靈敏度為0.01 mg/m3，實現了煤礦井下呼吸性粉塵寬量程、高精度、高靈敏度的連續監測[40-42]。研制的呼吸性粉塵濃度傳感器的樣機如圖4所示。

圖4 呼吸性粉塵濃度傳感器樣機實物圖

3.2 個體呼吸性粉塵檢測儀

目前在礦山領域的呼吸性粉塵監測主要為針對作業場所的區域性或點位監測，不能反映出個體呼吸所吸入粉塵濃度情況。針對這一點，現國內有煤礦采用個體呼吸性粉塵采樣器取樣后通過濾膜稱重的方法進行測量?！笆濉逼陂g，研發了基于光散射法粉塵個體監測儀，能夠實現對職工個體呼吸性粉塵質量濃度的連續監測，實時顯示測量值(測量范圍0～200 mg/m3)與采樣器采樣測量的相對誤差最大為1.59%[43]。研制的個體呼吸性粉塵檢測儀實物如圖5所示。

圖5 個體呼吸性粉塵檢測儀實物圖

3.3 塵肺預警技術

3.3.1 累積接塵量實時監測技術

累積接塵量是引發塵肺病的重要因素，目前通用的監測方法是工班采樣法。但是，工班采樣法會進一步增加作業人員的負重，也不能實時監測作業人員的累積接塵量，對塵肺病預警的實時性較差?；诤粑苑蹓m濃度傳感器、呼吸性粉塵個體檢測儀等研究成果，提出一種累積接塵量實時監測技術，通過連續監測，實現對塵肺病的實時預警，該監測技術在國內外尚屬空白。

作業人員累積接塵量實時監測的基本思路：將布置的有限呼吸性粉塵傳感器實測濃度數據融合到綜掘工作面呼吸性粉塵時空分布模型中，推演得到作業人員任意位置的呼吸性粉塵實時濃度，結合人員定位系統的監測信息(作業位置、作業時間)，初步計算個體接塵量，再使用個體呼吸性粉塵監測儀進行修正，實現作業人員呼吸性粉塵累積接塵量的實時監測。該技術在神東寸草塔煤礦工業試驗的累積接塵量監測誤差不超過±28.6%。

3.3.2 粉塵職業危害預警技術

考慮呼吸性粉塵累積接塵量、個體呼吸量、游離SiO2含量、工齡等因素，采用擬合COX回歸分析，建立塵肺病預警模型：

h(ct,x)=h(ct)eβ1x

(1)

式中:h(ct,x)為發病風險；ct為累積暴露游離SiO2濃度；x為是否發??；h(ct)為針對不同累積呼吸塵性粉塵暴露量的風險系數；β1為回歸系數。

基于塵肺病預警模型，構建了煤礦粉塵職業危害預警信息系統，可適用于煤礦企業、煤礦集團、各級政府進行分級監督管理。預警系統構成見圖6。

圖6 煤礦粉塵職業危害預警系統構成示意圖

4 存在的問題及發展方向展望

4.1 存在問題

隨著國家對煤礦粉塵災害重視程度的不斷提高，以及粉塵防治技術及裝備研發投入力度的持續提升，煤礦粉塵職業危害防治技術及裝備水平也取得了長足的進步，具備了較高的水平。但由于我國煤礦數量眾多，各礦井的開采條件及生產裝備水平存在較大差距，現有防塵技術及裝備仍然不能完全滿足礦井粉塵災害防治的需要。

1)連采機及掘錨機等快速掘進工作面粉塵高效防塵工藝裝備仍需改進。為了解決礦井采掘比例失衡的問題，加快巷道掘進速度，連續采煤機、掘錨一體機、智能型大斷面快速掘錨等先進設備已越來越多地在煤礦井下投入使用，但現有的除塵設備及配套工藝還不能很好地滿足高效降塵的需要，經常存在控、除塵設備不易與掘進設備同步移動，最優降塵工藝參數無法保證等問題。

2)瓦斯抽采與煤層注水協調問題仍未有效解決。瓦斯抽采使煤層大多數水分流失，極大地增大了產塵量；煤層注水可有效提高煤層水分含量，濕潤煤體，減少生產時的產塵量。在已進行瓦斯抽采的工作面，利用瓦斯抽采鉆孔實施煤層注水，將大大減少煤層注水鉆孔的施工量，提高注水效率。但是，目前煤層注水與瓦斯抽采鉆孔共用技術仍不成熟，經常出現“跑水”“竄水”等現象，無法達到理想的注水減塵效果。

4.2 發展方向展望

隨著我國煤礦井下采掘裝備智能化水平的迅速提高，伴隨少人化、無人化開采技術的推廣，未來煤礦防塵的主攻方向是：①與職業危害智能化防控相關的基礎與理論研究；②與無人值守工作面配套的技術與裝備研究，如典型產塵點防塵機器人的研究，煤礦井下塵源分區智能化綜合防塵成套技術及裝備研究，采掘工作面呼吸性粉塵高效控制關鍵技術及裝備研究；③與職業健康相關的粉塵監測與預警技術研究，如煤礦井下空氣質量網格化監測技術及評價技術標準研究，粉塵危害預警技術及預警系統的完善提高研究，職業健康智能監管技術及監管體系研究；④與個體防護關聯的防塵智能穿戴用品研究。