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礦井粉塵防治新技術

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礦井粉塵防治新技術
主要內容
一、礦井粉塵的危害
二、泡沫抑塵技術
三、潤濕劑噴霧降塵技術
四、柔性附壁風筒輔助降塵技術
備注：全文分為6個部分。。。
礦井粉塵危害-塵肺病
礦山塵肺病簡介
           塵肺病是工人在生產中長期吸人大量微細粉塵而引起的以纖維組織增生為主要特征的肺部疾病。它是一種嚴重的礦工職業病，一旦患病，目前還很難治愈。因其發病緩慢，病程較長，且有一定的潛伏期，不同于瓦斯、煤塵爆炸和冒頂等工傷事故那么觸目驚心，因此往往不被人們所重視。而實際上由塵肺病引發的礦工致殘和死亡人數，在國內外都遠遠高于各類工傷事故的總和。

煤礦塵肺病類型
硅肺病(矽肺病)：由于吸人含游離SiO2含量較高的巖塵而引起的塵肺病稱為硅肺病（患者多為長期從事巖巷掘進的礦工）；
煤硅肺病(煤矽肺)：由于同時吸人煤塵和含游離SiO2的巖塵所引起的塵肺病稱為煤硅肺病（患者多為巖巷掘進和采煤的混合工種礦工）；
煤肺病：由于大量吸入煤塵而引起的塵肺病多屬煤肺病（患者多為長期單一的在煤層中從事采掘工作的礦工）。
煤礦塵肺病
我國煤礦工人工種變動較大，長期固定從事單一工種的很少，因此煤礦塵肺病中以煤硅肺病比重最大，約占80％左右。
作業人員從接觸礦塵開始到肺部出現纖維化病變所經歷的時間稱為發病工齡。塵肺病中最危險的是硅肺病，發病工齡最短(一般10年左右)，煤肺病的發病工齡一般為20～30年，煤硅肺病介于兩者之間。 
塵肺病的發生機理
被毛細血管覆蓋的氣泡群
鼻咽
喉
氣管
支氣管
細支氣管
影響塵肺病的發病因素
(1)礦塵的成分 
 能夠引起肺部纖維病變的礦塵，多半含有游離SiO2，其含量越高，發病工齡越短，病變的發展程度越快。對于煤塵，引起煤肺病的主要是它的有機質(即揮發分)含量。據試驗，煤化作用程度越低，危害越大，因為煤塵的危害和肺內的積塵量都與煤化作用程度有關。
影響塵肺病的發病因素
(2)礦塵粒度及分散度 
塵肺病變主要是發生在肺臟的最基本單元即肺泡內。礦塵粒度不同，對人體的危害性也不同。5μm以上的礦塵對塵肺病的發生影響不大；5μm以下的礦塵可以進入下呼吸道并沉積在肺泡中，最危險的粒度是2μm左右的礦塵。由此可見，礦塵的粒度越小，分散度越高，對人體的危害就越大。 
影響塵肺病的發病因素
(3)礦塵濃度 
    塵肺病的發生和進入肺部的礦塵量有直接的關系，也就是說，塵肺的發病工齡和作業場所的礦塵濃度成正比。國外的統計資料表明，在高礦塵濃度的場所工作時，平均5～10年就有可能導致硅肺病，如果礦塵中的游離SiO2含量達80％～90％，甚至1.5～2年即可發病。空氣中的礦塵濃度降低到《規程》規定的標準以下，工作幾十年，肺部吸入的礦塵總量仍不足達到致病的程度。
影響塵肺病的發病因素
(4)個體方面的因素  
           礦塵引起塵肺病是通過人體而進行的，所以人的機體條件，如年齡、營養、健康狀況、生活習性、衛生條件等，對塵肺的發生、發展有一定的影響。
          塵肺病在目前的技術水平下盡管很難完全治愈，但它是可以預防的。只要積極推廣綜合防塵技術，就可以達到降低塵肺病的發病率及死亡率的目的。
2002年原國有重點煤礦有532處礦井煤塵有爆炸危險，占87.4%。91.35%的小煤礦煤塵具有爆炸危險，其中高達57.71%的具有強爆炸性。
1960年5月9日，大同老白洞煤礦發生一次死亡684人的煤塵爆炸事故，影響深遠；
2005年11月27日，黑龍江七臺河東風煤礦發生特大煤塵爆炸事故，造成171人死亡。 
礦井粉塵危害-煤塵爆炸
2005年11月27日21時22分，黑龍江龍煤礦業集團有限責任公司七臺河分公司東風煤礦發生特別重大煤塵爆炸事故，造成171人死亡，48人受傷，直接經濟損失4293萬元。 
（一）礦井概況
　　東風煤礦是原國有重點煤礦，隸屬于原七臺河礦務局。2005年核準生產能力為50萬噸/年。該礦為高瓦斯礦井，煤塵具有強爆炸性。
（二）事故直接原因
　　違規放炮處理主煤倉堵塞，導致煤倉給煤機垮落、煤倉內的煤炭突然傾出，帶出大量煤塵并造成巷道內的積塵飛揚達到爆炸界限，放炮火焰引起煤塵爆炸。
煤塵爆炸特征
（1）易產生連續爆炸
爆炸壓力一次比一次增高，呈跳躍式發展。煤塵爆炸產生的火焰速度可達1120m／s，沖擊波的速度可達2000 m／s，爆炸的壓力可達到1700kPa。在煤礦井下，這種爆炸有時沿巷道傳播數千米以外，而且距爆源點越遠其破壞性越嚴重。因此，煤塵爆炸具有易產生連續爆炸、受災范圍廣、災害程度嚴重的重要特點。
煤塵爆炸特征
（2）產生粘塊與皮渣
煤塵爆炸時，對于結焦性煤塵(氣煤、肥煤及焦煤的煤塵)會產生焦炭皮渣與粘塊粘附在支架、巷道壁或煤壁等上面。根據這些爆炸產物，可以判斷發生的爆炸事故是屬于瓦斯爆炸或煤塵爆炸。同時還可以根據煤塵爆炸產生的皮渣與粘塊粘附在支柱上的位置直觀判斷煤塵爆炸的強度。但是只有氣煤、肥煤、焦煤等粘結性煤塵爆炸時，才能產生“粘焦”。
煤塵爆炸特征
（3）產生大量有毒有害氣體
煤塵爆炸時，要產生比沼氣爆炸生成量多的有毒有害氣其生成量與煤質和爆炸的強度等有關。一次煤塵爆炸后氣體成分組成的成分其中CO~CO2的濃度較大，O2濃度很小，
（4）揮發分含量減少
煤塵爆炸時，它的揮發分含量將減少，對于不結焦煤塵(即爆炸時不產生焦炭皮渣與粘塊的煤塵)，可利用這一特點來判斷井下的爆炸事故中煤塵是否參與了爆炸。
備注：之所以介紹如此多的粉危害方面的內容，目的就是讓大家引起重視。希望大家在基層工作管理上能夠要求工人做好防護，采取有效的控制方法。
 煤層注水     
     一般可降低粉塵濃度60%～90%左右，施工難度大，操作程序復雜，國內很少使用。      
 噴霧降塵    
    國內廣泛使用，屬傳統降塵方式，除塵效果差。
 除塵器除塵  
    除塵效果好，體積龐大，移動不方便，工作勞動
強度高。

國內粉塵治理技術現狀
       截留機理認為,粒子有大小而無質量或粒徑小于5μm時，不同大小的粒子都跟著氣體的流線而流動。如圖所示，當流動的氣體對著泡沫流動時，氣流將在泡沫的上游折轉而繞泡沫流過。如果在某一流線上的粒子中心正好使dp/2 能接觸到泡沫，則該粒子被截留。
截留效應
慣性碰撞效應 
      在慣性碰撞中，粒子沿流線運動繞流時,由于慣性作用而偏離流線,與泡沫相撞而被捕集,如圖中虛線所示。
一、泡沫抑塵技術 
泡沫降塵原理
備注：在礦井中，沒有防塵措施的情況下，
這些高濃度礦塵對礦井工人的身體健康造成了很大傷害。。
此外，有爆炸危險性的礦塵給礦井的安全造成了很大威脅。。。現在大多數礦井煤塵都具有爆炸危險性。。。
機掘工作面是煤礦粉塵污染的重災區之一，因此，研究機掘工作面的除塵技術具有重大的意義。。。
黏附效應
        泡沫外表面具有黏附粉塵的功能,其捕塵機理如圖所示。當具有一定速度的泡沫向粉塵運動,粉塵經過碰撞、截留和擴散等一系列作用后到達泡沫表面,被泡沫所黏附。
擴散效應 
　　　微細塵粒(dp<1μm) ,在氣流中受到熱運動的氣體分子撞擊后,并不均衡地跟隨流線,而是在氣體中作布朗運動。由于這種不規則的熱運動,在緊靠泡沫附近,微細塵粒可能與泡沫相碰撞而被捕集,稱為擴散效應。隨著粉塵顆粒減小,流速減慢,溫度增加,塵粒的熱運動加速,從而與泡沫的碰撞概率也就增加,擴散效應增強。
一、泡沫抑塵技術 
    泡沫抑塵發生器利用礦井掘進工作面的高壓風管及水管（或者利用掘進機的冷去水），在設備內部將發泡劑與水定量混合后，加入一定量的壓風，通過發泡裝置產生大體積高倍數氣、液兩相泡沫，經噴頭噴出后形成實心錐體泡沫流來覆蓋掘進機切割煤巖時產塵部位，抑制粉塵的擴散，從而有效的降低粉塵濃度
泡沫抑塵發生器實物圖
泡沫抑塵技術簡介
一、泡沫抑塵技術 
     儲液箱  由兩個罐體組成，上下均有管路將罐體聯通，罐體上方分別有加料口、進氣口、排氣口和出液口，通過高壓膠管和其他設備相連。
3.1 設備主要部件
   混合發泡器 集混合器與發泡器于一體，是發泡裝置的核心部分，氣、水、發泡劑在此混合并在出口形成泡沫。

一、泡沫抑塵技術 
泡沫抑塵發生器
      控制箱  用來開關和定量調節風、水、液的裝置，外面是兩個總控制閥門（分別開關風、水）和各管路的微調閥門（分別調節風、水、液），用來調節發泡效果，內部由高壓膠管連接。
       噴頭及噴頭支架 發泡器發出的泡沫通過噴頭噴射并形成錐狀，以完全包裹掘進機切割頭，從而有效抑塵。噴頭架用來將噴頭固定在掘進機搖臂上，并能調節噴頭角度。
一、泡沫抑塵技術 
泡沫抑塵發生器
設備發泡原理圖
3.2 設備發泡原理
一、泡沫抑塵技術 
風管路通過三通分為兩路，一路將儲液箱中的發泡劑通過管路經液流量計定量壓入混合發泡器，另一路風直接進入混合器內，同時高壓水通過管路經水流量計定量流入混合發泡器。
氣和定量的水、發泡劑在混合發泡器中形成了氣、液兩相流體共同存在的情形，兩種流體相互吹擊、沖撞、攪拌，從而產生一定體積的泡沫，通過噴頭噴出連續的實心錐狀泡沫流，覆蓋塵源，抑制粉塵。

不用電，不必進行防爆處理，工作時安全可靠；
用水量小，節約水源50%以上；
操作簡便，方便井下工人操作和使用；
安裝在掘進機上，隨掘進機行走，減少搬運工作。
3.3 設備主要特點
一、泡沫抑塵技術 
泡沫抑塵發生器
4.1 晉城煤業集團寺河礦
掘進工作面粉塵治理原狀
   晉城礦區煤質堅硬，硬度系數為2～4，機械化開采程度高，開采強度大，煤塵親水性差，產塵量極大。
 概況
 掘進工作面防塵措施
 防治粉塵效果
   掘進工作面粉塵濃度達到600～1000mg/m3。
噴霧降塵與除塵風機相結合的除塵方式。
一、泡沫抑塵技術 
現場應用
應用泡沫抑塵設備后，寺河礦掘進巷道93226巷、92103巷和92104巷掘進工作面抑塵效率都有明顯提高，平均抑塵率達到75%以上。
泡沫抑塵較除塵風機（除塵效率約為40%）效果而言也有明顯的優勢，充分說明泡沫抑塵方法能夠有效降低掘進工作面粉塵濃度，保障工人的身心健康。
應用效果
泡沫抑塵效率綜合分析圖
泡沫抑塵后粉塵濃度綜合分析圖
一、泡沫抑塵技術 
泡沫完全覆蓋截割部
截割煤巖時泡沫射向塵源，抑塵效果明顯 
司機擁有良好的工作視線
應用泡沫抑塵全景 
應用效果
一、泡沫抑塵技術 
4.2 河南神火集團薛湖礦的應用
2018機巷掘進工作面粉塵治理原狀
   薛湖礦區煤質較軟，硬度系數為1～2，機械化掘進程度高、強度大，煤塵親水性差，產塵量極大。
粉塵概況
 2018機巷掘進工作面防塵措施
 防治粉塵效果
   掘進工作面粉塵濃度極高，可達到600～1200mg/m3。
噴霧、灑水降塵
一、泡沫抑塵技術 
現場應用
    
采用噴霧、灑水降塵措施，平均全塵粉塵濃度只能降960.07mg/m3，而采用泡沫抑塵技術平均全塵粉塵濃度可見到206.38mg/m3，抑塵效率提高了78.50%。
采用噴霧、灑水降塵措施，平均呼吸性粉塵濃度只能降到267.42mg/m3，而采用泡沫抑塵技術后，平均呼吸性粉塵濃度可降到49.75mg/m3，抑塵效率提高了81.40%。
采用不同降塵措施后全塵粉塵濃度
采用不同降塵措施后呼吸性粉塵濃度
應用效果
一、泡沫抑塵技術 
加快掘進速度，提高工作效率
與傳統濕式除塵相比，耗水量減少50%以上
減少工作量，降低工人勞動強度 
 經濟效益 
降低塵肺病發病概率
杜絕煤塵爆炸事故的發生
降低工作面瓦斯濃度 
社會效益 
一、泡沫抑塵技術 
經濟效益和社會效益分析
 泡沫抑塵技術的成功應用，大大提高機械化掘進工作面的抑塵效率，節約大量水源，為掘進工作面創造良好的工作環境，提高井下作業人員的工作效率；
大大降低采掘一線職工患職業病的概率，充分體現企業關愛職工的真諦，對建設社會主義和諧社會具有重大意義。
該項技術研究成果填補了我國采掘工作面泡沫抑塵技術的空白，該項技術現已在晉城煤業集團、河南神火集團全面推廣使用，受到礦領導和礦工一致好評。
    
一、泡沫抑塵技術 
市場需求及應用前景
潤濕劑單體的初選
無毒；無臭；降低水表面張力的能力強；儲存及運輸時溶液性質不變；在礦井水
中溶解度大；低溫不結晶；無可燃性；無侵蝕性；成本低、運輸方便。 
表面活性劑(試劑)：
十二烷基苯磺酸鈉；十二烷基硫酸鈉；
OP-10；JFC  
助劑：Nacl，Na2SO4 
二、潤濕劑噴霧降塵技術
潤濕劑單體的優選實驗
備注：因為煤礦屬于特殊的工作場所，初選的標準為 
水對煤餅的接觸角實驗 
試劑1對煤餅的接觸角實驗 
試劑2對煤餅的接觸角實驗 
試劑3對煤餅的接觸角實驗 
試劑4對煤餅的接觸角實驗 
潤濕劑單體優選的接觸角實驗
試劑的接觸角為：水（92.1 °)>試劑4(55.7°)>試劑1(45.1°)>試劑3(39.5°)>試劑2(25.4°)。試劑2的接觸角最小，實驗的潤濕性能最好，試劑4的接觸角最大，單獨使用潤濕效果不佳。
表面活性劑復配后產生協同效應和增效作用，有時能出現單一表面活性劑所沒有的功能。煤塵沉降實驗簡單易行，并且比較能說明溶液對煤塵潤濕能力的強弱，對表面活性劑復配后的溶液進行煤塵沉降實驗，煤塵沉降時間越短，除塵效果越好。  
單體表面活性劑和助劑的復配
試劑名稱	試劑濃度（%）	Na2SO4（g）	加Na2SO4平均沉降時間（s）	單體平均沉降時間（s）	沉降時間降低百分比（%）
試劑1	0.4	0.5	46	58.6	21.5
試劑2	0.4	0.5	10.5	14.2	26.1
試劑3	0.4	0.5	20.1	20.6	2.4
試劑4	0.4	0.5	67.3	68	1.1
表面活性劑加入助劑Na2SO4后煤塵沉降變化 
向試劑1和試劑2中分別加入無水Na2SO4后，平均沉降時間比單體平均沉降時間分別下降了21.5%和26.1%，下降幅度比較大，復配效果明顯。 
二、潤濕劑噴霧降塵技術
潤濕劑的復配實驗
試劑名稱	試劑濃度（%）	NaCl（g）	加NaCl平均沉降時間（s）	單體平均沉降時間（s）	沉降時間降低百分比（%）
試劑1	0.4	0.5	56	58.6	4.4
試劑2	0.4	0.5	13.6	14.2	4.2
試劑3	0.4	0.5	20.4	20.6	1.0
試劑4	0.4	0.5	67.8	68	0.3
表面活性劑加入助劑NaCl后煤塵沉降變化 
表面活性劑兩兩復配
表面活性劑兩兩復配后，復配協調效果不明顯。
表面活性劑加入助劑NaCl后，復配協調效果不明顯。
單體表面活性劑和助劑的復配
二、潤濕劑噴霧降塵技術
注：試驗時試劑2做成100ml的
溶液，助劑1和助劑2加入溶液
中兌成混合溶液配方。 
水平	因素	因素	因素
水平	試劑2（g）	助劑1（g）	助劑2（g）
1	0.1	0.2	0.1
2	0.3	0.4	0.2
3	0.5	0.6	0.3
 正交設計因素表 
試驗號	因素	因素	因素	煤塵平均沉降時間（s）
試驗號	試劑2（g）	助劑1(g)	助劑2(g)	煤塵平均沉降時間（s）
1	0.1	0.2	0.1	38.6
2	0.1	0.4	0.2	22.3
3	0.1	0.6	0.3	24.7
4	0.3	0.2	0.2	15.6
5	0.3	0.4	0.3	9.8
6	0.3	0.6	0.1	10.6
7	0.5	0.2	0.3	17.1
8	0.5	0.4	0.1	13.5
9	0.5	0.6	0.2	14.9
正交試驗數據及試驗結果 
以除塵劑除塵效果為研究對象，采用正交試驗設計方法設計試驗，通過直觀
分析和方差分析尋確定影響配方除塵效果的顯著因子，最后找到除塵劑的最佳配方的優化設計。
選取四個因素三個水平的
正交表L9(34) 
二、潤濕劑噴霧降塵技術
潤濕劑配方的正交實驗
影響因素直觀分析表 
指標	綜合平
均值	因素	因素	因素
指標	綜合平
均值	試劑2（g）	助劑1(g)	助劑2(g)
煤塵平均
沉降時間	K1	57.06	47.54	41.80
煤塵平均
沉降時間	K2	24.00	30.40	33.34
煤塵平均
沉降時間	K3	30.34	33.46	35.86
煤塵平均
沉降時間	k1	28.53	23.77	20.90
煤塵平均
沉降時間	k2	12.00	15.20	16.67
煤塵平均
沉降時間	k3	15.17	16.73	17.93
煤塵平均
沉降時間	R	16.53	8.57	4.43
通過直觀分析方法，利用正交試驗所得試驗數據，分別計算Ki、ki和R .
評價指標與試驗因素影響趨勢圖 
 試驗結果：在試劑2為0.3g，助劑1為0.4g，助劑2為0.2g時，煤塵平均
沉降時間應為最小，除塵劑配方的除塵效率最好 。
二、潤濕劑噴霧降塵技術
試驗結果分析 
備注：極差R
葛泉礦掘進工作面粉塵治理原狀
葛泉礦煤質堅硬，硬度系數為1～3，機械化開采程度高，開采強度大，煤塵親水性差，產塵量極大。
 概況
 11912掘進工作面防塵措施
 防治粉塵效果
產塵量較大，平均全塵粉塵濃度達到600 mg/m3以上，工作面10m范圍內能見度不到2m。

噴霧降塵與除塵風機相結合的除塵方式。
二、潤濕劑噴霧降塵技術
現場應用
  
潤濕劑噴霧降塵技術降塵效果示意圖
使用潤濕劑噴霧降塵技術時，平均全塵粉塵濃度由631.2 mg/m3降到了88.5 mg/m3，全塵平均降塵效率為85.98% 。
潤濕劑噴霧降塵技術在葛泉礦11912綜掘工作面現場應用后，有效地治理了11912綜掘進工作面粉塵災害，改善了工人作業環境。 
二、潤濕劑噴霧降塵技術
應用效果分析
1-筒體；2-條狀導風筒；3-掛鉤；4-錐狀出風筒；
5-出風口； 6-筒壁出風口；7-風筒變徑。
柔性附壁風筒結構示意圖
柔性附壁風筒包括柔性筒體，掛鉤，柔性筒體兩側壁上設有柔性條狀導風管，柔性條狀導風管沿柔性筒體成螺旋線型布置，一端與柔性筒體的筒壁相連、貫通，另一端則是柔性條狀導風管的出風口，沿螺旋線方向向前開啟；筒體前端安裝錐狀風筒。
整個柔性附壁風筒由阻燃、抗靜電材料制成，結構簡單、安裝拆卸，可對風流進行自然導向、分配，安全可靠，持久耐用，風筒長度小，可折疊，攜帶方便，適用于煤礦井下采用壓入式通風系統。其具體制作尺寸需根據應用地點的實際情況確定。
三、柔性附壁風筒輔助降塵技術
簡介
備注：因為煤礦屬于特殊的工作場所，初選的標準為 
由于條狀導風筒的存在，降低了附壁風筒末端出風口處的風速，減緩了掘進機掘進時產生的粉塵向巷道后方擴散的速度，使得大量的粉塵在掘進機司機前方積聚。
從附壁風筒條狀導風管出來的風流沿巷道壁形成具有一定動能的螺旋狀風流，產生良好的附壁效應，抑制粉塵飛揚。    
柔性附壁風筒附壁效應示意圖
當該風筒配合潤濕劑噴霧除塵系統使用時，這種有效地封閉粉塵、防止粉塵向外擴散的空氣帷幕，就為含有潤濕劑的噴霧與粉塵相互接觸提供了充足的時間，增加了噴霧潤濕粉塵的幾率，可有效地提高潤濕噴霧除塵系統的除塵效率。這樣就大大地提高了綜掘工作面的降塵效率，改善了掘進工作面作業環境。
三、柔性附壁風筒輔助降塵技術
工作原理
   
柔性附壁風筒現場應用示意圖
當該風筒配合除塵風機使用時，這股螺旋狀風流的動能就會在除塵風機吸風口吸入含塵空氣產生的軸向速度的共同作用下大大增加，從而可在掘進機司機工作區前方建立起可阻擋粉塵向外擴散的空氣帷幕。             
這樣有效地封閉了掘進機工作時產生的粉塵，防止粉塵向外擴散，同時通過除塵風機的集塵風筒插入空氣帷幕內，可將含塵風流吸入除塵器中加以凈化，從而為井下掘進機司機提供清潔的空氣環境。 
三、柔性附壁風筒輔助降塵技術
工作原理
葛泉礦掘進工作面粉塵治理原狀
葛泉礦煤質堅硬，硬度系數為1～3，機械化開采程度高，開采強度大，煤塵親水性差，產塵量極大。
 概況
 11912掘進工作面防塵措施
 防治粉塵效果
產塵量較大，平均全塵粉塵濃度達到600 mg/m3以上，工作面10m范圍內能見度不到2m。
噴霧降塵與除塵風機相結合的除塵方式。
三、柔性附壁風筒輔助降塵技術
現場應用
柔性附壁風筒與潤濕劑噴霧系統配合使用時，平均全塵粉塵濃度由100.4 mg/m3降到了88.5 mg/m3，使潤濕劑噴霧的全塵平均降塵效率提高了11.86%
柔性附壁風筒與除塵風機配合使用時，平均全塵粉塵濃度由142.7 mg/m3降到了123 mg/m3，使除塵風機的全塵平均除塵效率提高了13.78%。
應用潤濕劑噴霧降塵措施時使用附壁
風筒與正常風筒降塵效果對比
應用除塵風機降塵措施時使用附壁
風筒與正常風筒降塵效果對比
三、柔性附壁風筒輔助降塵技術
應用效果分析

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