矿井粉尘防治-新技术讲座

矿井粉尘防治新技术中国矿业大学二○一二年四月张云峰矿井粉尘防治新理论与技术讲座主要内容一、矿井粉尘的危害二、泡沫抑尘技术三、润湿剂喷雾降尘技术四、柔性附壁风筒辅助降尘技术矿井粉尘危害-尘肺病矿山尘肺病简介尘肺病是工人在生产中长期吸人大量微细粉尘而引起的以纤维组织增生为主要特征的肺部疾病。它是一种严重的矿工职业病，一旦患病，目前还很难治愈。因其发病缓慢，病程较长，且有一定的潜伏期，不同于瓦斯、煤尘爆炸和冒顶等工伤事故那么触目惊心，因此往往不被人们所重视。而实际上由尘肺病引发的矿工致残和死亡人数，在国内外都远远高于各类工伤事故的总和。煤矿尘肺病类型硅肺病(矽肺病)：由于吸人含游离SiO2含量较高的岩尘而引起的尘肺病称为硅肺病（患者多为长期从事岩巷掘进的矿工）；煤硅肺病(煤矽肺)：由于同时吸人煤尘和含游离SiO2的岩尘所引起的尘肺病称为煤硅肺病（患者多为岩巷掘进和采煤的混合工种矿工）；煤肺病：由于大量吸入煤尘而引起的尘肺病多属煤肺病（患者多为长期单一的在煤层中从事采掘工作的矿工）。煤矿尘肺病我国煤矿工人工种变动较大，长期固定从事单一工种的很少，因此煤矿尘肺病中以煤硅肺病比重最大，约占80％左右。作业人员从接触矿尘开始到肺部出现纤维化病变所经历的时间称为发病工龄。尘肺病中最危险的是硅肺病，发病工龄最短(一般10年左右)，煤肺病的发病工龄一般为20～30年，煤硅肺病介于两者之间。尘肺病的发生机理被毛细血管覆盖的气泡群鼻咽喉气管支气管细支气管影响尘肺病的发病因素(1)矿尘的成分

能够引起肺部纤维病变的矿尘，多半含有游离SiO2，其含量越高，发病工龄越短，病变的发展程度越快。对于煤尘，引起煤肺病的主要是它的有机质(即挥发分)含量。据试验，煤化作用程度越低，危害越大，因为煤尘的危害和肺内的积尘量都与煤化作用程度有关。影响尘肺病的发病因素(2)矿尘粒度及分散度

尘肺病变主要是发生在肺脏的最基本单元即肺泡内。矿尘粒度不同，对人体的危害性也不同。5µm以上的矿尘对尘肺病的发生影响不大；5µm以下的矿尘可以进入下呼吸道并沉积在肺泡中，最危险的粒度是2µm左右的矿尘。由此可见，矿尘的粒度越小，分散度越高，对人体的危害就越大。影响尘肺病的发病因素(3)矿尘浓度

尘肺病的发生和进入肺部的矿尘量有直接的关系，也就是说，尘肺的发病工龄和作业场所的矿尘浓度成正比。国外的统计资料表明，在高矿尘浓度的场所工作时，平均5～10年就有可能导致硅肺病，如果矿尘中的游离SiO2含量达80％～90％，甚至1.5～2年即可发病。空气中的矿尘浓度降低到《规程》规定的标准以下，工作几十年，肺部吸入的矿尘总量仍不足达到致病的程度。影响尘肺病的发病因素(4)个体方面的因素

矿尘引起尘肺病是通过人体而进行的，所以人的机体条件，如年龄、营养、健康状况、生活习性、卫生条件等，对尘肺的发生、发展有一定的影响。尘肺病在目前的技术水平下尽管很难完全治愈，但它是可以预防的。只要积极推广综合防尘技术，就可以达到降低尘肺病的发病率及死亡率的目的。2002年原国有重点煤矿有532处矿井煤尘有爆炸危险，占87.4%。91.35%的小煤矿煤尘具有爆炸危险，其中高达57.71%的具有强爆炸性。1960年5月9日，大同老白洞煤矿发生一次死亡684人的煤尘爆炸事故，影响深远；2005年11月27日，黑龙江七台河东风煤矿发生特大煤尘爆炸事故，造成171人死亡。

矿井粉尘危害-煤尘爆炸2005年11月27日21时22分，黑龙江龙煤矿业集团有限责任公司七台河分公司东风煤矿发生特别重大煤尘爆炸事故，造成171人死亡，48人受伤，直接经济损失4293万元。

（一）矿井概况东风煤矿是原国有重点煤矿，隶属于原七台河矿务局。2005年核准生产能力为50万吨/年。该矿为高瓦斯矿井，煤尘具有强爆炸性。（二）事故直接原因违规放炮处理主煤仓堵塞，导致煤仓给煤机垮落、煤仓内的煤炭突然倾出，带出大量煤尘并造成巷道内的积尘飞扬达到爆炸界限，放炮火焰引起煤尘爆炸。煤尘爆炸特征（1）易产生连续爆炸爆炸压力一次比一次增高，呈跳跃式发展。煤尘爆炸产生的火焰速度可达1120m／s，冲击波的速度可达2000m／s，爆炸的压力可达到1700kPa。在煤矿井下，这种爆炸有时沿巷道传播数千米以外，而且距爆源点越远其破坏性越严重。因此，煤尘爆炸具有易产生连续爆炸、受灾范围广、灾害程度严重的重要特点。煤尘爆炸特征（2）产生粘块与皮渣煤尘爆炸时，对于结焦性煤尘(气煤、肥煤及焦煤的煤尘)会产生焦炭皮渣与粘块粘附在支架、巷道壁或煤壁等上面。根据这些爆炸产物，可以判断发生的爆炸事故是属于瓦斯爆炸或煤尘爆炸。同时还可以根据煤尘爆炸产生的皮渣与粘块粘附在支柱上的位置直观判断煤尘爆炸的强度。但是只有气煤、肥煤、焦煤等粘结性煤尘爆炸时，才能产生“粘焦”。煤尘爆炸特征（3）产生大量有毒有害气体煤尘爆炸时，要产生比沼气爆炸生成量多的有毒有害气其生成量与煤质和爆炸的强度等有关。一次煤尘爆炸后气体成分组成的成分其中CO~CO2的浓度较大，O2浓度很小，（4）挥发分含量减少煤尘爆炸时，它的挥发分含量将减少，对于不结焦煤尘(即爆炸时不产生焦炭皮渣与粘块的煤尘)，可利用这一特点来判断井下的爆炸事故中煤尘是否参与了爆炸。

煤层注水

一般可降低粉尘浓度60%～90%左右，施工难度大，操作程序复杂，国内很少使用。

喷雾降尘

国内广泛使用，属传统降尘方式，除尘效果差。

除尘器除尘

除尘效果好，体积庞大，移动不方便，工作劳动强度高。国内粉尘治理技术现状

截留机理认为,粒子有大小而无质量或粒径小于5μm时，不同大小的粒子都跟着气体的流线而流动。如图所示，当流动的气体对着泡沫流动时，气流将在泡沫的上游折转而绕泡沫流过。如果在某一流线上的粒子中心正好使dp/2能接触到泡沫，则该粒子被截留。截留效应惯性碰撞效应

在惯性碰撞中，粒子沿流线运动绕流时,由于惯性作用而偏离流线,与泡沫相撞而被捕集,如图中虚线所示。一、泡沫抑尘技术泡沫降尘原理黏附效应

泡沫外表面具有黏附粉尘的功能,其捕尘机理如图所示。当具有一定速度的泡沫向粉尘运动,粉尘经过碰撞、截留和扩散等一系列作用后到达泡沫表面,被泡沫所黏附。扩散效应

微细尘粒(dp<1μm),在气流中受到热运动的气体分子撞击后,并不均衡地跟随流线,而是在气体中作布朗运动。由于这种不规则的热运动,在紧靠泡沫附近,微细尘粒可能与泡沫相碰撞而被捕集,称为扩散效应。随着粉尘颗粒减小,流速减慢,温度增加,尘粒的热运动加速,从而与泡沫的碰撞概率也就增加,扩散效应增强。一、泡沫抑尘技术

泡沫抑尘发生器利用矿井掘进工作面的高压风管及水管（或者利用掘进机的冷去水），在设备内部将发泡剂与水定量混合后，加入一定量的压风，通过发泡装置产生大体积高倍数气、液两相泡沫，经喷头喷出后形成实心锥体泡沫流来覆盖掘进机切割煤岩时产尘部位，抑制粉尘的扩散，从而有效的降低粉尘浓度泡沫抑尘发生器实物图泡沫抑尘技术简介一、泡沫抑尘技术

储液箱

由两个罐体组成，上下均有管路将罐体联通，罐体上方分别有加料口、进气口、排气口和出液口，通过高压胶管和其他设备相连。3.1设备主要部件

混合发泡器

集混合器与发泡器于一体，是发泡装置的核心部分，气、水、发泡剂在此混合并在出口形成泡沫。一、泡沫抑尘技术泡沫抑尘发生器

控制箱

用来开关和定量调节风、水、液的装置，外面是两个总控制阀门（分别开关风、水）和各管路的微调阀门（分别调节风、水、液），用来调节发泡效果，内部由高压胶管连接。

喷头及喷头支架

发泡器发出的泡沫通过喷头喷射并形成锥状，以完全包裹掘进机切割头，从而有效抑尘。喷头架用来将喷头固定在掘进机摇臂上，并能调节喷头角度。一、泡沫抑尘技术泡沫抑尘发生器设备发泡原理图3.2设备发泡原理一、泡沫抑尘技术风管路通过三通分为两路，一路将储液箱中的发泡剂通过管路经液流量计定量压入混合发泡器，另一路风直接进入混合器内，同时高压水通过管路经水流量计定量流入混合发泡器。气和定量的水、发泡剂在混合发泡器中形成了气、液两相流体共同存在的情形，两种流体相互吹击、冲撞、搅拌，从而产生一定体积的泡沫，通过喷头喷出连续的实心锥状泡沫流，覆盖尘源，抑制粉尘。不用电，不必进行防爆处理，工作时安全可靠；用水量小，节约水源50%以上；操作简便，方便井下工人操作和使用；安装在掘进机上，随掘进机行走，减少搬运工作。3.3设备主要特点一、泡沫抑尘技术泡沫抑尘发生器4.1晋城煤业集团寺河矿掘进工作面粉尘治理原状晋城矿区煤质坚硬，硬度系数为2～4，机械化开采程度高，开采强度大，煤尘亲水性差，产尘量极大。

概况

掘进工作面防尘措施

防治粉尘效果掘进工作面粉尘浓度达到600～1000mg/m3。喷雾降尘与除尘风机相结合的除尘方式。一、泡沫抑尘技术现场应用应用泡沫抑尘设备后，寺河矿掘进巷道93226巷、92103巷和92104巷掘进工作面抑尘效率都有明显提高，平均抑尘率达到75%以上。泡沫抑尘较除尘风机（除尘效率约为40%）效果而言也有明显的优势，充分说明泡沫抑尘方法能够有效降低掘进工作面粉尘浓度，保障工人的身心健康。应用效果泡沫抑尘效率综合分析图泡沫抑尘后粉尘浓度综合分析图一、泡沫抑尘技术泡沫完全覆盖截割部截割煤岩时泡沫射向尘源，抑尘效果明显司机拥有良好的工作视线应用泡沫抑尘全景应用效果一、泡沫抑尘技术4.2河南神火集团薛湖矿的应用2018机巷掘进工作面粉尘治理原状薛湖矿区煤质较软，硬度系数为1～2，机械化掘进程度高、强度大，煤尘亲水性差，产尘量极大。粉尘概况

2018机巷掘进工作面防尘措施

防治粉尘效果掘进工作面粉尘浓度极高，可达到600～1200mg/m3。喷雾、洒水降尘一、泡沫抑尘技术现场应用

采用喷雾、洒水降尘措施，平均全尘粉尘浓度只能降960.07mg/m3，而采用泡沫抑尘技术平均全尘粉尘浓度可见到206.38mg/m3，抑尘效率提高了78.50%。采用喷雾、洒水降尘措施，平均呼吸性粉尘浓度只能降到267.42mg/m3，而采用泡沫抑尘技术后，平均呼吸性粉尘浓度可降到49.75mg/m3，抑尘效率提高了81.40%。采用不同降尘措施后全尘粉尘浓度采用不同降尘措施后呼吸性粉尘浓度应用效果一、泡沫抑尘技术加快掘进速度，提高工作效率与传统湿式除尘相比，耗水量减少50%以上减少工作量，降低工人劳动强度

经济效益

降低尘肺病发病概率杜绝煤尘爆炸事故的发生降低工作面瓦斯浓度

社会效益

一、泡沫抑尘技术经济效益和社会效益分析

泡沫抑尘技术的成功应用，大大提高机械化掘进工作面的抑尘效率，节约大量水源，为掘进工作面创造良好的工作环境，提高井下作业人员的工作效率；大大降低采掘一线职工患职业病的概率，充分体现企业关爱职工的真谛，对建设社会主义和谐社会具有重大意义。该项技术研究成果填补了我国采掘工作面泡沫抑尘技术的空白，该项技术现已在晋城煤业集团、河南神火集团全面推广使用，受到矿领导和矿工一致好评。

一、泡沫抑尘技术市场需求及应用前景润湿剂单体的初选无毒；无臭；降低水表面张力的能力强；储存及运输时溶液性质不变；在矿井水中溶解度大；低温不结晶；无可燃性；无侵蚀性；成本低、运输方便。润湿剂单体表面活性剂(试剂)：十二烷基苯磺酸钠；十二烷基硫酸钠；OP-10；JFC助剂：Nacl，Na2SO4

标准二、润湿剂喷雾降尘技术润湿剂单体的优选实验水对煤饼的接触角实验

试剂1对煤饼的接触角实验

试剂2对煤饼的接触角实验

试剂3对煤饼的接触角实验

试剂4对煤饼的接触角实验

润湿剂单体优选的接触角实验试剂的接触角为：水（92.1°)>试剂4(55.7°)>试剂1(45.1°)>试剂3(39.5°)>试剂2(25.4°)。试剂2的接触角最小，实验的润湿性能最好，试剂4的接触角最大，单独使用润湿效果不佳。表面活性剂复配后产生协同效应和增效作用，有时能出现单一表面活性剂所没有的功能。煤尘沉降实验简单易行，并且比较能说明溶液对煤尘润湿能力的强弱，对表面活性剂复配后的溶液进行煤尘沉降实验，煤尘沉降时间越短，除尘效果越好。

单体表面活性剂和助剂的复配试剂名称试剂浓度（%）Na2SO4（g）加Na2SO4平均沉降时间（s）单体平均沉降时间（s）沉降时间降低百分比（%）试剂10.40.54658.621.5试剂20.40.510.514.226.1试剂30.40.520.120.62.4试剂40.40.567.3681.1表面活性剂加入助剂Na2SO4后煤尘沉降变化

向试剂1和试剂2中分别加入无水Na2SO4后，平均沉降时间比单体平均沉降时间分别下降了21.5%和26.1%，下降幅度比较大，复配效果明显。

二、润湿剂喷雾降尘技术润湿剂的复配实验试剂名称试剂浓度（%）NaCl（g）加NaCl平均沉降时间（s）单体平均沉降时间（s）沉降时间降低百分比（%）试剂10.40.55658.64.4试剂20.40.513.614.24.2试剂30.40.520.420.61.0试剂40.40.567.8680.3表面活性剂加入助剂NaCl后煤尘沉降变化

表面活性剂两两复配表面活性剂两两复配后，复配协调效果不明显。表面活性剂加入助剂NaCl后，复配协调效果不明显。单体表面活性剂和助剂的复配二、润湿剂喷雾降尘技术注：试验时试剂2做成100ml的溶液，助剂1和助剂2加入溶液中兑成混合溶液配方。

水平因素试剂2（g）助剂1（g）助剂2（g）10.10.20.120.30.40.230.50.60.3

正交设计因素表

试验号因素煤尘平均沉降时间（s）试剂2（g）助剂1(g)助剂2(g)10.10.20.138.620.10.40.222.330.10.60.324.740.30.20.215.650.30.40.39.860.30.60.110.670.50.20.317.180.50.40.113.590.50.60.214.9正交试验数据及试验结果

以除尘剂除尘效果为研究对象，采用正交试验设计方法设计试验，通过直观分析和方差分析寻确定影响配方除尘效果的显著因子，最后找到除尘剂的最佳配方的优化设计。选取四个因素三个水平的正交表L9(34)

二、润湿剂喷雾降尘技术润湿剂配方的正交实验影响因素直观分析表

指标综合平均值因素试剂2（g）助剂1(g)助剂2(g)煤尘平均沉降时间K157.0647.5441.80K224.0030.4033.34K330.3433.4635.86k128.5323.7720.90k212.0015.2016.67k315.1716.7317.93R16.538.574.43通过直观分析方法，利用正交试验所得试验数据，分别计算Ki、ki和R.评价指标与试验因素影响趋势图

试验结果：在试剂2为0.3g，助剂1为0.4g，助剂2为0.2g时，煤尘平均沉降时间应为最小，除尘剂配方的除尘效率最好。二、润湿剂喷雾降尘技术试验结果分析葛泉矿掘进工作面粉尘治理原状葛泉矿煤质坚硬，硬度系数为1～3，机械化开采程度高，开采强度大，煤尘亲水性差，产尘量极大。

概况

11912掘进工作面防尘措施

防治粉尘效果产尘量较大，平均全尘粉尘浓度达到600mg/m3以上，工作面10m范围内能见度不到2m。喷雾降尘与除尘风机相结合的除尘方式。二、润湿剂喷雾降尘技术现场应用

润湿剂喷雾降尘技术降尘效果示意图使用润湿剂喷雾降尘技术时，平均全尘粉尘浓度由631.2mg/m3降到了88.5mg/m3，全尘平均降尘效率为85.98%

。润湿剂喷雾降尘技术在葛泉矿11912综掘工作面现场应用后，有效地治理了11912综掘进工作面粉尘灾害，改善了工人作业环境。

二、润湿剂喷雾降尘技术应用效果分析1-筒体；2-条状导风筒；3-挂钩；4-锥状出风筒；5-出风口；6-筒壁出风口；7-风筒变径。柔性附壁风筒结构示意图柔性附壁风筒包括柔性筒体，挂钩，柔性筒体两侧壁上设有柔性条状导风管，柔性条状导风管沿柔性筒体成螺旋线型布置，一端与柔性筒体的筒壁相连、贯通，另一端则是柔性条状导风管的出风口，沿螺旋线方向向前开启；筒体前端安装锥状风筒。整个柔性附壁风筒由阻燃、抗静电材料制成，结构简单、安装拆卸，可对风流进行自然导向、分配，安全可靠，持久耐用，风筒长度小，可折叠，携带方便，适用于煤矿井下采用压入式通风系统。其具体制作尺寸需根据应用地点的实际情况确定。三、柔性附壁风筒辅助降尘技术简介由于条状导风筒的存在，降低了附壁风筒末端出风口处的风速，减缓了掘进机掘进时产生的粉尘向巷道后方扩散的速度，使得大量的粉尘在掘进机司机前方积聚。从附壁风筒条状导风管出来的风流沿巷道壁形成具有一定动能的螺旋状风流，产生良好的附壁效