矿井开采过程中矿尘的产生与危害的分析

矿井开采过程中矿尘的产生与危害的分析

裴 立

铁煤集团大兴煤矿保安区，调兵山 辽宁（112705）

摘要

掘进工作面是煤矿最主要的产尘点之一。随着机械化掘进程度的不断提高，巷道断面的不断加大，采用单一的降(除)尘技术和措施越来越不能满足生产的需要。它主要讲采掘机截割粉尘的成因及控制方法的研究。论文从掘进工作面粉尘的构成入手，确定了掘进工作面粉尘产生的根源。

关键词：呼吸性粉尘 浮游矿尘 沉积矿尘 矿尘粒度 矿尘的分散度 矿尘的湿润性最低排尘风速 最优排尘风速

1 绪论

1.1 矿尘及其性质

矿尘是指在矿山生产和建设过程中所产生的各种煤、岩微粒的总称。在矿山生产过程中，如钻眼作业、炸药爆破、掘进机及采煤机作业、顶板管理、矿物的装载及运输等各个环节都会产生大量的矿尘。在同一矿井里，产尘的多少也因地因时发生着变化。一般来说，在现有防尘技术措施的条件下，各生产环节产生的浮游矿尘比例大致为：采煤工作面产尘量占45％～80％；掘进工作面产尘量占20％～38％，锚喷作业点产尘量占10％～15％；

运输通风巷道产尘量占5％～10％，其他作业点占2％～5％。各作业点随机械化程度的提高，矿尘的生成量也将增大，因此防尘工作也就更加重要。

矿尘除按其成分可分为岩尘、煤尘、烟尘、水泥尘等多种有机、无机粉尘外，尚有多种不同的分类方法，下面介绍几种常用的分类方法。

1．1．1按矿尘粒径划分

（1）粗尘：粒径大于40um，相当于一般筛分的最小颗粒，在空气中极易沉降。

（2）细尘：粒径10～40um，肉眼可见，在静止空气中作加速沉降。

（3）微尘：粒径0.25～10um，用光学显微镜可以观察到，在静止空气中作等速沉降。

（4）超微尘：粒径小于0.25um，要用电子显微镜才能观察到，在空气中作扩散运动。

1．1．2按矿尘的存在状态划分

（1）浮游矿尘：悬浮于矿内空气中的矿尘，简称浮尘。

（2）沉积矿尘：从矿内空气中沉降下来的矿尘，简称落尘。 浮尘和落尘在不同环境下可以相互转化。浮尘在空气中飞扬的时间不仅与尘粒的大小、重量、形式等有关，还与空气的湿度、风速等大气参数有关。

1．1．3按矿尘的粒径组成范围划分

（1）全尘(总粉尘)：各种粒径的矿尘之和。对于煤尘，常指粒径为1mm以下的尘粒。

（2）呼吸性粉尘：主要指粒径在5um以下的微细尘粒，它能通过人体上呼吸道进入肺区，是导致尘肺病的病因，对人体危害甚大。

1.2 矿尘的危害矿尘的危害矿尘的危害矿尘的危害

矿尘具有很大的危害性，表现在以下几个方面：

1.2.1污染工作场所，危害人体健康，引起职业病。

工人长期吸入矿尘后，轻者会患呼吸道炎症、皮肤病，重者会患尘肺病，而尘肺病引发矿工致残和死亡人数在国内外都十分惊人。据我国某矿务局统计，尘肺病的死亡人数为工伤事故死亡人数的6倍；联邦德国煤矿死于尘肺病的人数比工伤事故死亡人数大10倍。

1.2.2 某些矿尘(如煤尘、硫化尘)在一定条件下可以爆炸。

煤尘能够在完全没有瓦斯存在的情况下爆炸，对于瓦斯矿井，煤尘则有可能参与瓦斯同时爆炸。煤尘或瓦斯煤尘爆炸，都将给矿山以突然性的袭击，酿成严重灾害。

1.2.3加速机械磨损，缩短精密仪器使用寿命。

随着矿山机械化、电气化、自动化程度的提高，矿尘对设备性能及其使用寿命的影响将会越来越突出，应引起高度的重视。

1．2．4降低工作场所能见度，增加工伤事故的发生。

在某些综采工作面割煤时，工作面煤尘浓度高达4000～8000㎎/m3，有的甚至更高，这种情况下，工作面能见度极低，往往会导致误操作，造成人员的意外伤亡。此外，煤矿向大气排放的粉尘对矿区周围的生态环境也会产生很大影响，对生活环境、植物生长环境可能造成严重破坏。

1.3 影响矿尘产生量的因素

影响矿尘产生量的因素主要包括以下两个方面：

1.3.1 自然因素

（1）地质构造

地质构造破坏严重的地区，断层、褶曲比较发育，煤岩较为破碎，矿尘的产生量大。

（2）煤层赋存条件

同样技术条件下，开采厚煤层比开采薄煤层的产尘量大；开采急倾斜煤层比开采缓倾斜煤层的产尘量多。

（3）煤岩的物理性质

节理发育、结构疏松、水分低、脆性大的煤岩，开采时产尘量较大；反之则小。

1.3.2 生产技术因素

（1）采煤方法

不同的采煤方法，产生量也不一样。如：急倾斜煤层采用倒台阶采煤法比水平分层采煤法产尘量要大的多；全部冒落法管理顶板比充填法管理顶板产尘量要大。

（2）机械化程度

机械化程度越高，煤岩破碎程度越严重，产尘量就越大。

（3）开采强度

随着开采强度的加大，采掘推进速度加快，产量增加，产尘量将显著加大；同时，由于矿井的风量加大，风速加快，扬起积尘且飘浮时间长，传播远，矿内空气中的矿尘浓度将增大。

（4）开采深度

随着开采深度的增加，地温增高，煤（岩）体内原始水分降低，煤（岩）干燥，开采时产尘量就大。

（5）通风状况

风速太小，不能将浮尘带出矿井。风速过大，又将积尘扬起。单从降尘角度考虑，工作面风速以1.2～1.6m/s较好，产尘最少。

2 现代化综合防尘技术原理

2.1 物理化学降尘技术原理

自20世纪60年代在国外井下矿山应用表面活性剂降尘以来，物理化学降尘技术得到了迅猛发展。中国是从20世纪80年代开始试验并推广应用湿润剂等物理化学降尘技术的，目前已在井下进行实验与应用的物理化学防尘方法主要有：水中添加湿润剂降尘、泡沫除尘及磁化水降尘等。

2．1．1添加湿润剂降尘

在以水为主体的湿式综合防尘中，因粉尘具有一定的疏水性，水的表面张力又较大，对2um粒径粉尘捕获率只有1～28％左右，2um粒径以下的粉尘捕获率更低，为了提高水对呼吸性粉尘的捕获率，国内外很重视湿润剂除尘的研究，取得了一定进展，且应用日益广泛。

添加湿润剂除尘机理：湿润剂是于亲水基和疏水基两种不同性质基团组成的化合物，溶于水后其分子完全被水分子包围，亲水基—端被水分子吸引，疏水基一端被水分子排斥，在水溶液表面形成界面吸附层，而使水与空气接触面积大大缩小，导致水的表面张力降低，同时伸向空气的疏水基与粉尘粒子之间有吸附件用，而把尘粒带入水中，得到充分湿润。

添加湿润剂还可应用于其它各种湿式作业生产环节，如用于喷雾降尘。

2.1.2 泡沫除尘

20世纪70年代中期，英国最先开展有关泡沫除尘的研究，此后，美国、前苏联、前西德、日本等国相继进行了试验与研究，取得了一定的成果。近年来，中国已在潞安、汾

西、铁法等矿务局进行了研究与试验，取得了良好效果。

泡沫除尘原理：利用表面活性剂的特点，使其与水一起通过泡沫发生器，产生大量的高倍数的空气机械泡沫，利用无空隙的泡沫体覆盖和遮断尘源。泡沫除尘原理包括拦截、粘附、湿润、沉降等，几乎可以捕集所有与之相遇的粉尘，尤其对微细粉尘具有更强的聚集能力。泡沫的产生有化学方法和物理方法两种，除尘的泡沫一般是物理方法的，属机械泡沫。

泡沫除尘可应用于综采机组、掘进机组、带式运输机以及尘源较固定的地点，一般泡沫除尘效果较高，可达90%以上，尤其是对降低呼吸性粉尘效果显著。

2．1．3磁化水降尘

目前，国内外对水系磁化技术的应用日趋广泛，水系磁化这门边缘学科引起各领域的高度重视。前苏联最先进行了磁化水除尘试验，并与常水降尘率进行了对比，其平均降尘率可提高8.15%～21.08% 。中国是从20世纪80年代开始在井下进行有关实验研究的。

磁化水降尘原理：水经磁化后，物理化学性质可发生暂时的变化。水的粘度减低，吸附能力、溶解能力及渗透能力增加，再加上水珠变小，有利于提高水的雾化程度，增加与粉尘的接触机会，提高降尘效率。

磁化水除尘优点包括：设备简单、安装方便、性能可靠，成本低，易于实施。

除上述理化除尘方法外，国内外一些粉尘研究部门还在探讨超声波除尘、电离水除尘、 荷电水雾降尘技术等，均取得了一定的进展和成效。

通过以上的实习内容,就煤矿综合除尘来说.矿山综合防尘是指采用各种技术手段减少矿山粉尘的产生量、降低空气中的粉尘浓度，以防止粉尘对人体、矿山等产生危害的措施。多年来我国煤矿一直侧重于对矿尘污染的末端治理，多采用以风水为主的防尘技术措施，随着科学技术的飞速发展，认识到从矿尘的源头抓起，控制矿尘源并减少矿尘源的产生以及实行生产的全过程控制是解决矿尘问题的根本途径。首先必须改革工艺设备和工艺操作方法，从根本上杜绝和减少有害物的产生以消除或控制尘源。在此基础上再采用合理的通风除尘措施，建立严格的检查管理制度，这样才能有效地防治粉尘。

大体上煤矿目前综合防尘技术措施包括技术措施和组织措施两个方面，其基本内容为通风除尘、湿式作业、密闭抽尘、净化风流、个体防护及一些特殊的除、降尘措施；科学管理、建立规章制度，加强宣传教育，定期进行测尘和健康检查。下面主要讨论有关技术措施方面的内容。

2.2 通风除尘

通风除尘是指通过风流的流动将井下作业点的悬浮矿尘带出，降低作业场所的矿尘浓度，因此搞好矿井通风工作能有效地稀释和及时地排出矿尘。

决定通风除尘效果的主要因素是风速及矿尘密度、粒度、形状、湿润程度等。风速过低，粗粒矿尘将与空气分离下沉，不易排出；风速过高，能将落尘扬起，增大矿内空气中的粉尘浓度。因此，通风除尘效果是随风速的增加而逐渐增加的，达到最佳效果后，如果再增大风速，效果又开始下降。排除井巷中的浮尘要有一定的风速。我们把能使呼吸性粉尘保持悬浮并随风流运动而排出的最低风速称为最低排尘风速。同时，我们把能最大限度排除浮尘而又不致使落尘二次飞扬的风速称为最优排尘风速。一般来说，掘进工作面的最优风速为0.4～0.7m/ｓ，机械化采煤工作面为1.5～2.5m/ｓ。《规程》规定的采掘工作面

最高容许风速为4m/ｓ，不仅考虑了工作面供风量的要求，同时也充分考虑到煤、岩尘的二次飞扬问题。

随着掘进机械化水平的提高，掘进工作面的瓦斯涌出量和产尘量急剧上升，单一的压入式通风方式将会使大量的粉尘吹出工作面，造成有人工作的巷道及回风系统被严重污染，直接影响着工人的身体健康。由工作面吹出来的粉尘逐渐沉积下来也是矿井安全的一大隐患。故单一的压入式通风方式已不能适应除尘要求。可采用以下两种通风除尘系统：长压短抽通风除尘系统和长抽通风除尘系统。

2.3湿式作业

湿式作业是利用水或其它液体，使之与尘粒相接触而捕集粉尘的方法，它是矿井综合防尘的主要技术措施之一，具有所需设备简单、使用方便、费用较低和除尘效果较好等优点。缺点是增加了工作场所的湿度，恶化了工作环境，能影响煤矿产品的质量，除缺水和严寒地区外，一般煤矿应用较为广泛，我国煤矿较成熟的经验是采取以湿式凿岩为主，配合喷雾洒水、水封爆破和水炮泥以及煤层注水等防尘技术措施。

2．3．1湿式凿岩、钻眼

该方法的实质是指在凿岩和打钻过程中，将压力水通过凿岩机、钻杆送入并充满孔底，以湿润、冲洗和排出产生的矿尘。在煤矿生产环节中，井巷掘进产生的粉尘不仅量大，而且分散度高，而掘进过程中的矿尘又主要来源于凿岩和钻眼作业。据实测：干式钻眼产尘量约占掘进总产尘量的80％～85％，而湿式凿岩的降尘率可达90％左右，并能提高凿岩速度15％～25％。因此，湿式凿岩、钻眼能有效降低掘进工作面的产尘量。

2．3．2洒水及喷雾洒水

洒水降尘是用水湿润沉积于煤堆、岩堆、巷道周壁、支架等处的矿尘。当矿尘被水湿润后，尘粒间会互相附着凝集成较大的颗粒，附着性增强，矿尘就不易飞起。在炮采炮掘工作面放炮前后洒水，不仅有降尘作用，而且还能消除炮烟、缩短通风时间。煤矿井下洒水，可采用人工洒水或喷雾器洒水。对于生产强度高、产尘量大的设备和地点，还可设自动洒水装置。多用于湿式凿岩、湿式钻眼等作业和煤岩的装、运作业。

喷雾洒水是用水捕捉悬浮于空气中矿尘的技术措施。喷雾洒水的工作机理是：将压力水通过喷雾器（又称喷嘴），在旋转或（及）冲击的作用下，使水流雾化成细微的水滴喷射于空气中；在雾体作用范围内，高速流动的水滴与浮尘碰撞接触后，尘粒被湿润，在重力作用下下沉；高速流动的雾体将其周围的含尘空气吸引到雾体内湿润下沉；将已沉落的尘粒湿润粘结，使之不易飞扬。影响喷雾洒水捕尘效率的主要因素包括雾体的分散度、水滴与尘粒的相对速度、水压、单位体积空气的耗水量、粉尘的密度、空气含尘浓度和粉尘的湿润性等。主要包括采掘机械的内、外喷雾洒水和井巷定点喷雾洒水。

掘进机喷雾洒水

掘进机喷雾分内外两种。外喷雾多用于捕集空气中悬浮的矿尘，内喷雾则通过掘进机切割机构上的喷嘴向割落的煤岩处直接喷雾，在矿尘生成的瞬间将其抑制。掘进机的外喷雾采用高压喷雾时，高压喷嘴安装在掘进机截割臂上，启动高压泵的远程控制按钮和喷雾开关均安装在掘进机司机操纵台上。掘进机截割时，开动喷雾装置；掘进机停止工作时，关闭喷雾装置。

2．3．3．水炮泥和水封爆破

水炮泥就是将装水的塑料袋代替一部分炮泥，填于炮眼内，爆破时水袋破裂，部分水借助于爆破产生的压力压入煤层裂隙中湿润煤体，部分水在高温高压下汽化；放烟后，温度降低，水蒸气冷却成雾滴，碰撞、湿润尘粒，从而达到降尘的目的。采用水炮泥比单纯用土炮泥时的矿尘浓度低20%～50％，尤其是呼吸性粉尘含量有较大的减少。水炮泥的塑料袋是用无毒、不燃的聚乙烯塑料薄膜热压成型的，有一定的强度。水袋封口是关键，目前使用的自动封口水袋。装满水后，和自行车内胎的气门芯一样，能将袋口自行封闭。 水封爆破是将炮眼的爆药先用一小段炮泥填好，然后再给炮眼口填一小段炮泥填好，两段炮泥之间的空间，插入细注水管注水，注满后抽出注水管，并将炮泥上的小孔堵塞。

2.4 个体防护

个体防护是指通过佩戴各种防护面具以减少吸入人体粉尘的一项补救措施。个体防护的用具主要有防尘口罩、防尘风罩、防尘帽、防尘呼吸器等，其目的是使佩戴者能呼吸净化后的清洁空气而不影响正常工作。

矿井要求所有接触粉尘作业人员必须佩戴防尘口罩，对防尘口罩的基本要求是：阻尘率高，呼吸阻力和有害空间小，佩戴舒适，不妨碍视野，普通纱布口罩阻尘率低，呼吸阻力大，潮湿后有不舒适的感觉，应避免使用。防尘安全帽防治效果较好，它可以截留99%以上的粉尘。此外压风呼吸器是一种隔绝式的新型个人和集体呼吸的防护装置。它利用的矿井压缩空气，在经离心力作用脱去油雾和活性炭吸附过滤等净化过程后，经减压阀同时向多人均衡配气以供呼吸。

个体防护不可以也不能完全代替其他防尘技术措施。鉴于目前绝大部分矿井尚未达到国家规定的卫生标准的情况，采取一定的个体防护措施是必要的。

目前，传统的内外喷雾除尘技术还存在着可靠性低效果差等问题，而体积庞大的巷道除尘风机又因结构复杂，占用工作面面积的空间大，费用高而难以在只有中小断面的我国广泛使用；降尘技术随使部分粉尘降于地面，但是爆破和其他震动冲击仍能使大量粉尘在短时间内飞扬，达到爆炸浓度而发生爆炸；而为了减少落尘的爆炸性危害而采取的防爆措施，无疑会使生产成本增加。在这五类防尘措施中，减尘措施是防尘工作治本性措施，是实现粉尘浓度达到国家标准的根本措施，在矿井防尘技术措施中应优先考虑采用。

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