李志红+梁立勋+卓军
摘 要：文章针对矿井粉尘污染环境、危害人体健康、加速仪器磨损以及容易诱发粉尘爆炸事故等系统问题，详细介绍了矿井粉尘的分类、产生、特性及危害，简要总结了矿井粉尘的六种防控技术和矿井不同产尘点的防尘措施，为矿井粉尘治理提供借鉴。
关键词：矿井粉尘；煤尘爆炸；粉尘防治；煤尘爆炸
前言
矿井在开采、生产作业过程中会产生大量粉尘，一方面，矿井粉尘对作业人员身体健康造成严重影响，根据2010年全国职业病统计报告显示，2010年全国累计报告职业病749970例，其中累计报告尘肺病676541例，死亡149110例；每年有约2.3万人患上尘肺病，而在所有因各种矿尘引起的尘肺病中，煤矿工人占到的比例最高，以2013年为例，占2013年全国职业病例的87.72%[2]。另一方面，高浓度粉尘对现场作业环境污染严重，降低作业现场能见度，增加安全威胁，同时高浓度粉尘加速机械设备磨损，缩短机械设备的使用寿命；甚至诱发粉尘爆炸事故。因此，加强矿井粉尘危害的认识和防治，采取有针对性的防尘、降尘技术措施，对确保从业人员生命健康和预防事故的发生尤为重要。
1 煤矿粉尘危害
煤矿粉尘具有的分散度、吸湿性、爆炸等特性决定了其危害性：污染作业环境，严重危害作业人员身体健康，引起尘肺病等；高浓度粉尘能加速机械磨损，缩短精密仪器的使用寿命；降低作业场所能见度，增加工伤机率，甚至引起燃烧和爆炸。
1.1 煤矿粉尘的产生及特性
1.1.1 煤矿粉尘的产生
煤矿粉尘是指矿井生产过程中产生的粉尘。能较长时间在空气中悬浮于空气中的粉尘称为浮尘，已沉落的粉尘称为积尘；在煤矿开采过程中，如钻孔、打眼、爆破、采煤、掘进落煤、顶板来压、装载运输等各个生产环节，都会产生大量的矿尘。随着矿井综合机械化开采的升级，工作面产尘浓度也随之上升。采煤机和综掘机割煤、支架移架和煤炭装运是采掘工作面的四大产尘源，产尘量分别约占60%、30%、5%和5%左右[3]。此外，煤层抽采钻孔施工和立眼溜煤系统也是井下主要产尘源之一，在无任何防尘措施的情况下，煤层钻孔施工现场、下煤立眼等处产生的高浓度粉尘，尤其是下煤立眼产生的粉尘浓度有时甚至达到煤尘爆炸浓度界限。
1.1.2 煤矿粉尘的分类
煤矿粉尘按粒径可分为粗尘、细尘、微尘和超微尘；按存在状态可分为浮游粉尘和沉积粉尘；按游离二氧化硅的含量分为硅尘与煤尘[4]；按矿尘粒径组成范围可分为全尘和呼吸性粉尘；粉尘粒径越小、游离二氧化硅的含量越高，引起尘肺病的程度越重，病情发展越快，危害也越大。
1.1.3 煤矿粉尘的特性
（1）矿尘分散度。矿尘分散度是反映煤、岩等矿物质被粉碎的程度，是表示粉尘颗粒直径大小组成百分比的一个指标，小粒径的粉尘越多，分散度越高，在空气中沉降速度愈慢，悬浮时间就越长，被人体吸入的机会就愈多；反之则分散度愈低。而矿尘的分散度愈高，其活性越高，易引起粉尘的自燃或爆炸[4]。
（2）矿尘吸湿性。粉尘的湿润性指粉尘对液体的亲和能力[3]。与粉尘的成分、结构有关，可分为亲水性粉尘与疏水性粉尘两大类。另外，粉尘越细，比表面积增加，表面吸附能力随之增强，容易吸附空气而在尘粒表面形成气膜，降低了尘粒间的聚集及尘粒的吸湿性，更难于把尘粒从空气中捕捉分离出来。在除尘技术中，粉尘的吸湿性是选用除尘设备的主要依据之一。
（3）煤尘爆炸性。按照煤尘的爆炸性煤尘可以分为有爆炸性煤尘和无爆炸性煤尘。检验标准为：取煤样，在10次煤样试验中有（无）出现火焰，如10次煤样中任何一次试验中出现火焰，则该煤样为“有煤尘爆炸性”，否则该煤样为“无煤尘爆炸性”。煤的炭化程度越低，挥发分越高，煤尘的爆炸性就越强。
（4）沉降速度慢，在空气中悬浮时间长，扩散系数较大，附着速度较快。在静止空气中的粉尘，根据其粒径的大小按一定规律沉降：通常粒径大于100μm的尘粒呈加速度沉降；1μm～100μm粒径的尘粒呈等速度沉降；粒径小于1μm的尘粒很难沉降，在空气中呈布朗运动，易吸入肺部沉积，诱发肺部病变。
1.2 主要健康危害
矿井粉尘的危害重要有以下几点：
（1）全身作用：作业人员长期吸入较高浓度粉尘可引起肺部弥漫性纤维化为主的全身疾病，矿井粉尘会直接或间接引起呼吸系统疾病，主要包括煤肺、硅肺、煤硅肺。
（2）局部作用：接触或吸入粉尘，首先对皮肤、角膜、粘膜等产生局部的刺激作用，并产生一系列的病变。如粉尘作用于呼吸道，早期可引起鼻腔粘膜机能亢进，毛细血管扩张，久之便形成肥大性鼻炎，最后由于粘膜营养供应不足而形成萎缩性鼻炎。还可形成咽炎、喉炎、气管及支气管炎。作用于皮肤、可形成粉刺、毛囊炎、脓皮病。对于煤矿粉尘中含有大量的煤尘，增加了粉尘对皮肤、呼吸道等局部的刺激作用。
（3）致癌作用：对于一些接触镍、铬、铬酸盐的粉尘，可引起肺癌；接触放射性粉尘，容易生成肺癌等。在煤矿生产过程中，常有伴生矿物，伴生矿物中可能含有某种致癌因子，增加的煤矿工人的致癌机率。
1.3 煤尘爆炸
煤尘爆炸是指高浓度煤尘在高温火源的作用下，与空气中氧气急剧氧化的反应过程。煤体被破碎过程中，产生大量细微尘粒，其体积和表面积增加，与氧气的接触面积和被氧化的能力大大增强，在外界高温热源的作用下，悬浮的煤尘单位时间内能吸收到足够的热量（约300℃～400℃）时[1]，就放出可燃气体，此时游离基迅速增加，燃烧产物的迅速膨胀并在火焰波波阵面前方形成压缩波且不断地压缩传播，从而形成叠加效果，使火焰传播速度不断叠加；当能量叠加到一定临界条件时，由燃烧转变为爆炸。爆炸有三个条件：（1）粉尘在空气中有足够的浓度，在爆炸区域粉尘浓度在45mg/m3～2000mg/m3范围之内；（2）必须具有高温（700℃～800℃或有明火、火花、放电）情况出现，其中最易引爆的也是爆炸力最强的浓度为300mg/m3～500mg/m3。（3）充足的氧气，氧气浓度≥18%。
2煤矿粉尘的控制技术
2.1 防尘控制技术措施
（1）湿润煤体防尘：湿润煤体防尘主要是利用裂隙或采用煤层钻孔注水的方法，即预先在煤层中每间隔一定距离施工钻孔并封孔，采用高压水通过钻孔和裂隙注入尚未开采的煤体，增加煤的水分，使煤体裂隙原生粉尘得到充分湿润，降低煤体产生浮游粉尘的能力，通过煤层注水，防尘效果可达到60%以上。通常情况下，常见的煤层注水方式主要有以下三种，低压注水（Ps<2.5MPa～3.0MPa），中压注水（Ps=3.0MPa～15.0MPa），高压注水（Ps>10.0MPa～20.0MPa）。
（2）喷雾降尘：喷雾降尘是指向悬浮在空气中的粉尘喷射水雾，通过湿润粉尘，增加尘粒的重量，达到降尘的目的。喷雾降水的效果取决于雾体的分散度以及尘粒与水滴的相对速度。喷雾分散度越低，水滴越大，水的数量就越少，捕尘效果较差。雾体的分散度过高，水滴越细，则容易汽化，降尘效率也不高。一般水滴的直径在10μm～15μm时，捕尘效果最好。水滴与尘粒的相对速度越大，二者碰撞时的动能也越大，有利于冲破水的表面张力而将尘粒捕获。而尘粒表面吸附空气形成气膜或覆盖油层时，也难被水湿润。密度大的尘粒相对易于被水捕获。喷雾洒水除尘简单方便，被广泛用于采掘机械切割、爆破、装载、运输等生产过程中，缺点是对微细尘粒捕集效率低。目前矿井常用的喷雾器，按其动力可分为水力和风水联动（引射式）两类。
（3）除尘器除尘：采用除尘器将空气中的粉尘分离出来，从而达到净化空气含量的目的。按其作用原理可分为过滤式除尘器、静电除尘器、磁力除尘器三类；按除尘方式可分为干式除尘器、半干式除尘器、湿式除尘器三类；目前，国外一些主要产煤国家都在煤矿井下广泛用除尘器进行除尘。
（4）泡沫除尘：泡沫除尘[5]是利用井下的除尘水管和压风管路，在水管中加入一定量的添加剂，通过专用发泡装置，引入压风，产生高倍数泡沫，泡沫通过良好的覆盖、湿润和黏附等方式作用于粉尘，从根本上防止粉尘的扩散，有效降低空气中的粉尘尝试，泡沫除尘同湿式抑尘相比，其耗水量减少30～80%，抑尘效率比喷雾洒水高3～5倍。
（5）添加降尘剂降尘：是在喷雾降尘基础上发展起来的降尘技术，主要是通过在水中添加降尘剂，和水发生聚合反应，提高水溶液的积极分子，增加水溶液对粉尘的吸附作用，从而提高降尘效率。降尘剂是一种活性剂，它是由亲水基和亲油基两种不同性质的基团组成的化合物，除尘剂的选择方法应能满足无毒、无臭，能完全溶于矿井防尘用水中，低温时不发生结冰现象，无沉淀或盐析现象，对金属无腐蚀，不延燃，成本低，运输方便等。目前降尘剂的添加方法应用较为广泛的为负压引射器添加法，其原理为：降尘器溶液被负压引射器所造成的负压吸入，并与水混合添加于供水管路中。
（6）磁化水除尘：指普通水源经过磁水器处理后，水的结构和性质发生暂时变化，使水的表面张力、吸附、溶解渗透能力增加，水磁化后，水溶液湿润性变强，吸附能力增大，水雾粒径变小，有利于提高水的雾化程度，增加与粉尘的接触机会，加快粉尘沉降速度，从而得到较好的降尘效果。
2.2 不同产尘点的防尘措施
2.2.1 综合机械化采煤工作面作业时的防尘措施
（1）对采煤机的截割结构选择合理的结构参数及工作参数，即选择合理的截齿几何形状，适当布置同一截线上的截齿数量，使采落的矿岩块块度增大，达到减少粉尘产生的目的。此外，当采煤机的滚筒转速与牵引速度适当匹配时，也可降低粉尘的生成量。（2）在采煤机上喷雾系统的基础上，增设磁化水装置，提高水雾的湿润性和吸附能力，达到提高降尘的目的。（3）对自移式液压支架设置合理的喷雾系统。（4）采用最佳排尘风速和合理的通风技术。最佳风速随煤的水分增加而升高，一般在1.5～4m/s之间。采用下行通风（煤与瓦斯突出矿井严禁采用下行通风）可以有效地降低回采工作面的粉尘浓度。
2.2.2 综合机械化掘进工作面作业时的防尘措施
（1）在综掘机上喷雾系统的基础上，增设磁化水装置，提高水雾的湿润性和吸附能力，达到提高降尘的目的。（2）预先在预掘走向方向进行煤层注水，增加煤体水分。（3）合理的除尘系统，正常使用掘进机内外喷雾洒水。（4）气、水喷射器除尘。（5）在掘进机上或掘进机二运皮带滑槽上安设除尘风机除尘，当掘进机前移时，除尘器定期向前移动。
2.2.3 炮采工作面的防尘措施
炮采工作面的防尘必须采用长深孔向煤层注水，湿润煤体、湿式打眼、水泡泥、放炮前后冲洗工作面及煤壁、转载点喷雾及采用最佳排尘风速等综合措施，降低作业面的粉尘浓度。
2.2.4 打眼放炮作业的防尘措施
采用湿式打眼、水炮泥充填炮眼、放炮前后喷雾洒水、自动水幕净化等措施，据实测：采取多种防尘措施后，打眼放炮作业的降尘率最高可达90%左右。此外，还可以采用湿式除尘器、气水喷射器及环形洒水措施，来净化放炮时产生的炮烟和粉尘。
2.2.5 锚喷支护作业的防尘措施
在锚喷支护作业中，可产生大量粉尘，可采用气力自动输送、机械搅拌、湿喷机喷射等措施，来降低锚喷支护作业时的粉尘浓度。
2.2.6 装载运输时的防尘措施
在装岩机上安装自动喷雾洒水装置，在装车点安装自动喷雾装置、利用湿润管湿润溜煤眼中的煤炭。或者使用密闭罩、半密闭罩将尘源密封起来，从下部将含尘空气抽至除尘器中净化。在下落煤高度大的地方，装设密闭罩、内喷雾装置或除尘器除尘，从而达到净化空气的目的。
2.2.7 采空区防尘措施
在回采作业过程中，每推进两米，对采空区进行撤水冲尘，湿润采空顶底板，减少采空区来压垮顶时浮游粉尘的产生量。
2.2.8 下煤系统防尘措施
优化溜煤系统；为从根本上解决下煤系统粉尘，有必要优化溜煤系统，改变传统在煤层中施工溜煤眼的做法，目前，随着钻孔设备技术的不断发展，钻孔施工工艺的进步，在采区布置时，在采区中部利用反进钻孔施工大直径Ф1400mm钻孔与采区煤仓相连，利用大直径钻孔代替传统溜煤眼在采区内形成下煤立眼系统，立眼及煤仓上口与专用回风上山相连，避免了溜煤眼堵塞及人工处理时的安全风险，也减少了煤巷工程量和巷道粉尘。同时在立眼上口安设防尘喷嘴，并将钻孔与采区煤仓连接部位全部封闭，形成密封的下煤系统，而部分产生的粉尘也直接进入专用回风上山，从而降低粉尘对作业人员的身体伤害。
2.2.9 钻孔施工点防尘措施
利用钻孔捕尘设备降尘，现国内也有多种较为先进的除尘器，但价格较贵，推广有一定的难度。目前矿井常用的作法有：一是加工简易的捕尘器，在钻孔施工时，将捕尘器安装在钻孔内，利用捕尘器将粉尘捕捉集中，采取喷雾集中防尘；二是实施孔内防尘，将防尘喷嘴伸入钻孔内，直接喷雾防尘，其使用要求是钻孔施工倾角较大，防尘水压力、水量要充足。三是在上述两种防尘的基础上，在钻孔回风侧增设1～2组气水防尘喷雾装置，封闭巷道全断面，可有效降低钻孔施工时巷道粉尘。
2.2.10 个体防护
要求所有井下作业人员必须使用防尘口罩，熟记粉尘危害及防治的各项规定并严格执行，同时按要求使用各类防尘设施，及时清收巷道、设备附近的浮煤，冲洗工作面及巷道粉尘，通过提高对粉尘危害的认识和防范意识，从而实现个体防护的目的。
3 结束语
矿井粉尘防治是一项系统工程，涉及到人-物-环境-管理等多方面因素，因此，通过强化现场防尘管理，提升职工的防尘意识和粉尘危害认识，使用好防尘设施和防护用品，根据煤矿不同点作业时粉尘产生的方式，采取相应的粉尘控制技术和防尘、降尘措施，可有效地防止粉尘对人体的危害，确保作业人员身体健康和矿井安全生产。
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作者简介：李志红（1975-），男，四川华蓥人，通安技术员，现任四川省华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿通风瓦斯科副科长。
