煤矿粉尘与现有除尘技术及优化

王会琼

云南能源职业技术学院 65 50 01

煤矿粉尘与现有除尘技术及优化

王会琼

云南能源职业技术学院 65 50 01

谈到煤矿安全问题，人们往往联想到煤矿瓦斯爆炸、火灾和透水等事故，而对煤矿粉尘这个威胁煤矿安全生产、严重危害矿工身体健康的潜在杀手有些许漠视。实际上，煤矿粉尘是煤矿的五大灾害（指瓦斯、顶板、矿尘、火、水）之一，煤矿粉尘防治也是煤矿“一通三防”（矿井通风、防瓦斯、防尘、防灭火）技术体系的重要组成部分，因此，在煤矿安全生产工作中，煤矿粉尘问题不容小视。特别在近几年，煤炭产量发展迅速，机械化水平大幅度提高，煤矿井下在掘进、采煤、运输等环节中都会产生大量的粉尘，严重威胁矿井的安全生产和职工的身体健康。有效控制粉尘，降低粉尘浓度，改善工作环境、杜绝煤尘事故，是煤矿安全生产的一个重要环节，抓好矿井防尘工作，对促进矿井安全生产，保障职工身体健康具有重大意义。

1、煤矿粉尘的性质及危害

要制定合理的煤矿粉尘防治措施、完善的除尘技术，我们首先应该正视由煤矿粉尘带来的危害，应该对粉尘的特性有进一步的了解，这样在防治煤矿粉尘时才能做到知己知彼，才能使防尘技术、措施和装备发挥其最大功效。

1.1 粉尘的性质

（1）粉尘的湿润性能

尘粒能否与液体相互附着或附着的难易的性质称为粉尘的湿润性。通常用湿润边界角 来衡量水（液体）对粉尘的湿润程度。图1为粉尘润湿边界角。

当θ＝0°时，固体完全湿润

当θ＝180°时，固体完全不湿润

当θ＝0°～90°时，固体的湿润性能良好

当θ＞90°时，固体的湿润性能差

煤层的湿润能力是指煤体与水接触时是否容易被水所湿润[1]，它表现在煤体孔隙对水的毛细作用力大小和水对细粒煤尘的黏合能力强弱，这都决定于水与煤的湿润边角和水的表面张力系数。水与煤的湿润边角大小反映了水分子和煤炭分子间的吸引力大小，吸引力愈大则湿润边角愈小，愈易于湿润。相反，如水分子之间的吸引力增大，也即水的表面张力系数增大，则湿润边角变大，使煤尘难于湿润。

图1 粉尘润湿边界角

（2）粉尘的爆炸性

凡能燃烧的粉尘都具有爆炸危险性，当一定粒度的粉尘，其在空气中的浓度达到一定值时，在有明火、电火花或其它高温热源存在条件下可能形成爆炸。如煤尘、泥炭尘、钙粉、铝粉、木粉等均有爆炸性。对于煤尘，含尘量为112～500g/m3，温度为700～800℃时，具有爆炸性。爆炸最强烈时为112g/ m3。含硫大于10%的硫化矿尘，发生爆炸的范围是250～1500g/m3，温度435～450℃。

（3）粉尘的凝并性

凝并是单个粉尘粒子之间相对运动和碰撞的结果。布朗运动，或是布朗运动之外再加上流体动力、静电力、重力等其他力的作用，都能使粉尘粒子相互靠近而接触。就约小于1μm的粉尘粒子来说，促使其互相接触的主要原因是粉尘粒子的布朗运动。这是一种由于气体分子和原子撞击粉尘粒子而引起的热运动。如图2所示。

图2 粉尘凝并性

式（2）为粉尘浓度随时间变化表达式[2]。

式中，n0表示开始时的粉尘粒子计数浓度；n表示时间t时的浓度；k表示波兹曼常数；T表示绝对温度；uf表示空气粘度。

1.2 煤矿粉尘的产生及危害

矿山粉尘是矿井在建设和生产过程中所产生的各种岩矿微粒的总称。矿山生产的主要环节如采矿、掘进、运输、提升的几乎所有作业工序都不同程度地产生粉尘。采掘机械化和开采强度、采矿方法、作业地点的通风状况、地质构造及矿层赋存条件都是影响粉尘产生的因素。如图3所示为矿山粉尘的产生过程。

图3 矿山粉尘的产生过程

煤矿粉尘主要是长时间悬浮于空气中的岩石和煤炭的细微颗粒。煤矿粉尘的危害性主要表现在4个方面：

（1）煤尘的自燃性和爆炸性，煤尘爆炸危险普遍存在，危害严重。中国煤矿爆炸危险普遍存在，2007年国有重点煤矿有548处矿井煤尘有爆炸危险，占87. 4%[3]。（2）严重的职业危害，粉尘对人体的危害，最直接、最严重的是矿肺、煤矽肺和煤肺病，统称为尘肺病。矽肺病致病的主要工种是岩石爆破，接触的是游离二氧化硅粉尘；煤矽肺病致病的主要工种是煤岩爆破，接触的是煤尘中含二氧化硅；煤肺病主要工种是煤层爆破，接触的是煤尘[4]。(3)降低了工作场所的能见度，在井下某些工作面煤尘浓度高，其能见度极低，往往导致误操作，增加工伤事故的发生。（4）加速机械磨损，矿尘对机械设备的影响，表现在加速机械的磨损及腐蚀、缩短精密仪器的寿命、加速仪器的老化、降低了仪器的效率，同时也浪费了能源。

2、煤矿粉尘防治技术

针对粉尘造成的威胁前人做了大量研究，20世纪50年代中期到60年代，国内研究员较系统地进行煤层注水机理及工艺的研究；70年代研制出煤层注水专用的高压注水泵及配套注水仪表和器具，形成了煤层注水成套技术；80年代煤矿机械化发展迅速，采掘工作面产尘强度也急剧增加，针对采掘面高产尘强度的现状，相关研究员先后研究成功采煤机内外喷雾降尘技术、机采工作面含尘气流控制技术，液压支架自动喷雾降尘技术、综采放顶煤工作面综合防尘技术、机掘工作面通风除尘技术、湿式和干式掘进机用除尘器、锚喷除尘器、转载运输系统自动喷雾降尘、泡沫除尘等多种降尘技术与装备；90年代，则进行了超声雾化、荷电喷雾、高压喷雾等高效喷雾降尘技术的研究，使呼吸性粉尘的降尘率大大提高。随着现代科学技术的不断发展，目前研究员们成功研制出了涡流控尘装置、KCS系列新型湿式除尘器和CPC高压喷雾降尘装置，使机掘工作面综合除尘技术配套装备更加完善，采煤机高压喷雾总粉尘降尘效率进一步提高，用水量显著减少；近年来，直读式测尘仪和粉尘浓度传感器的出现，实现了粉尘浓度的快速、实时检测，达到国际先进水平。

表1 影响除尘效果的主要因素

表2 国内外三种注水状况[10]

2.1 通风除尘技术

（1）净化风流技术，通风井和采掘工作面的新鲜风流含尘量不得超过0.5，风流净化包括井口净化和井内净化，井口净化方法有定期清洗进风井与附近环境的粉尘，井口风流喷雾净化以及改善井口环境条件，比如在井口周围附近植树造林，种植草坪等，井内净化一般在进回风巷道内安装水幕，定期清洗。

（2）最优风速选择[5]

式中，a表示巷道摩擦阻力，N ·S2/m2；Vp表示平均风速，m/s。在回采进回风道、回采工作面，掘进煤巷及半煤岩巷，允许风速为0.25m/s～4m/ s，一般在干燥煤岩巷道中，最优排尘风速为1.2m/s～2m/s之间。

2.2 湿式除尘技术

根据粉尘的湿润性能，湿式除尘技术可以分为：①用水湿润，冲洗初生和沉积的粉尘；②用水捕集悬浮于空气中的粉尘。粉尘的湿润机理，即液体将粉尘表面气体挤出后，从其表面扩展的过程，实质上湿润过程也就是固液气三相界面上表面能变化的过程，粉尘的湿润性取决于液体和尘粒表面的接触角，如图1所示。影响除尘效果的主要因素我们可以归纳为表1所示。

在喷雾降尘过程中，降尘效果与采用的喷嘴类型、喷雾机理、喷嘴的布置、喷雾参数及煤尘性质等因素密切相关[7][8]。

2.3 煤层注水除尘技术

煤层注水是通过钻孔将高压水注入煤体，使煤体预先湿润。将原生煤尘润湿，使其失去飞扬的能力，且水能有效地包裹煤体的每个细小部分，当煤体在开采中破碎时，有水存在就可避免细粒煤尘的飞扬。1890年煤尘注水技术首次在德国的萨尔煤田进行试验，以后便逐步引起了各国的重视。德国，法国及前苏联等国家分别于20世纪60～70年代对注水参数进行了相关研究，得出结论为：当注水速度与煤体吸水速度相等时，注水效果最好。前苏联已研制出测定煤层注水前后煤层水分的仪器。我国煤矿最早于1956在本溪彩屯煤矿进行了煤层注水试验[9]。目前,我国在煤层注水湿润煤体的机理、孔隙分布与注水关系、煤层注水渗透特性、煤层注水中添加湿润剂等方面进行了研究，提出煤层注水的渗透介质模型、可注水孔径范围、湿润剂的选择方法、煤层注水压力选择等理论及实际应用技术。煤层注水是防尘工作中一项预防性治本措施。国内外注水的状况主要有三种，如表2所示。

2.4 减尘技术

减尘措施是防尘工作治本性措施,减尘的思想是减少各个产尘工序的产尘总量和产尘强度,从产尘数量上把关和减少对人体危害最大的呼吸性粉尘所占的比例,在降尘质量上设防。主要减尘技术有：

（1）水炮泥和水封爆破

水炮泥是利用特制的塑料袋装水，代替粘土炮泥填入炮眼内，在爆炸的瞬间，水在高温高压下汽化，大量水汽急剧向周围扩散，同时水在爆炸压力作用下强力渗透到煤体中，从而有效地抑制大量煤尘的产生。

水封爆破是在堵塞炮眼的两炮泥中用装水的塑料袋填于炮眼中，其作用主要借助爆破产生的冲击波。将充填于炮孔中的水飞散在工作面有限空问，吸收空气中飞扬的粉尘和炮烟，以达到消除炮烟与粉尘的目的。水封爆破与水泡泥的不同之处在于，水封爆破是用两段炮泥封存一段水柱。

（2）湿式打眼，即在打眼过程中，将压力水通过凿岩机或煤电钻送入钻孔，以湿润、冲洗和排除产生的粉尘[11]。

2.5 物理化学方法除尘技术

我国从20世纪80年代开始试验推广应用降尘剂等物理化学方法除尘技术，目前常用的技术有以下几种：（1）添加降尘剂除尘技术，几乎所有的煤尘都具有一定的疏水性，加之水的表面张力又较大，添加降尘剂后，则可大大增加水溶液对粉尘的浸润性，即粉尘粒子原有的固气界面被固液界面所代替，致使液体对粉尘的浸润程度大大提高，从而提高了降尘效率，我国煤矿应用的降尘剂有：渗透剂JFC、除尘剂HY、湿润剂SR-1[12]；

（2）泡沫除尘技术，泡沫除尘是一种用无空隙的泡沫体覆盖尘源，使刚产生的粉尘得以湿润、沉积而失去飞扬能力的除尘方法，泡沫除尘可应用于综采机组、掘进机组、带式运输机及尘源较固定的地点；

（3）磁化水除尘技术，磁化水是经过磁化器处理过的水，这种水的物理化学性质发生了暂时的变化，此过程称作水的磁化。磁化水性质变化的程度与磁化器的磁场强度、水中所含杂质的性质、水在磁化器内的流动速度等因素有关。水经磁化处理后，其表面张力、吸附能力、溶解能力及渗透能力增加，使水的结构和性质暂时发生显著的变化，使水的黏度降低，晶构变小，水珠也变小，有利于提高水的雾化程度，增加水与粉尘的接触机会，提高降尘效率。目前我国矿山推广应用的磁化器主要有TFL系列与RMJ系列磁水器；

（4）声波雾化除尘技术，超声雾化技术是利用超声波特殊性能来雾化水的新兴喷雾技术，该技术能使水充分雾化，实现微细水雾捕尘。影响超声雾化性能的主要因素有气压和水量，雾化效果的衡量指标有两个，一是雾滴粒径，以小于50雾滴所占比例表示；一是单位面积内的雾滴数量[13]。

2.6 防尘装备及仪器

当前,我国煤矿掘进工作面有湿式凿岩、放炮喷雾,装岩洒水、冲洗岩邦、风流净化等五项综合防尘措施。回采工作面有煤层注水、采空区灌水湿润煤体,机组内外喷雾降尘。此外,还研制出防尘帽,防尘口罩等个体防尘用具,光电式煤尘、岩尘、水泥粉尘浓度快速测定仪等检测仪表。表3为国内煤矿防尘设备的研究及成果。

3、对现有煤矿除尘技术的思考

以上根据粉尘的性质，介绍了几种煤尘防治的常用措施.这些措施在煤矿粉尘防治方面也取得了一定的成绩。但随着煤矿机械化程度的提高，开采强度的增大，矿井的防尘问题日益突出。要怎样提高防尘效率我们需要作出新的思考。

（1）提高除尘设备的自动化水平，我们应该利用现有计算机技术，和网络智能化，探究除尘设备的自动化性能。特别在采煤机、液压支架移架喷雾降尘的自动化水平还有待于进一步的提高。这样我们才能使除尘设备有高效的除尘能力。

（2）合理地选择通风方式和工作面风量是通风除尘的关键，适时合理确定工作面风量，使工作面风量既有利于排放瓦斯，又有利于工作面防尘和防火，使工作面的风速达到最优排尘风速。

（3）应根据井下环境实际情况，合理配置和安装除尘设备，因为不同矿井粉尘的性质、类型等有差异，只有技术人员合理的配置和安装才能使除尘设备发挥各自的潜能。同时以上各种防尘技术应该结合起来，互补遗漏和不足之处，这样才能发挥其最大的经济效益。

（4）应该充分考虑粉尘对职工的危害性，根据作业人员的身体健康状况，划分工作场所等级，作出在不同粉尘危害等级场所的工作时间等规定，并按照规定严格执行，以保证作业人员在整个在职期间不会患职业病。

（5）充分利用现有科技力量改进现有除尘技术和创造新的技术和设备，这样才能使未来煤矿安全技术在煤矿安全上发挥重要作用，能够为煤矿创造一个安全、卫生、舒适的井下环境，以适应煤炭工业可持续发展的需要。

表3 国内煤矿防尘设备的研究及成果[14-19]

[1]聂百胜,何学秋,王恩元等.煤吸附水的微观机理[J].中国矿业大学学报.20 04,33 (4):37 9-38 3

[2]向晓东.电凝交理论及在除尘应用中的新进展[J].通风除尘.19 94(4):28-42

[3]苗江平.煤矿粉尘防治技术探讨[J].中小企业管理与科技(下旬刊).20 09:28 3-28 4

[4]李楠.矿井粉尘的危害[J].中国能源报. 20 10(23):1-2

[5]马俊生.煤矿粉尘综合防治技术[J].山西煤炭科技.20 06(6):45-46

[6]姜初炎.强化煤炭综合防尘技术降低尘肺病发生率[J].能源与环境.20 05(1):5-7

[7]赵继云,张德生等.综采工作面粉尘综合防治技术研究[J].煤矿机械.20 08,29(2): 15 2-15 3

[8]郭书敏.综放工作面粉尘综合防治技术的研究和应用[J].煤炭技术.20 08,27(10): 53-55

[9]韩晋平,王洋等.煤层注水研究现状及影响因素分析[J].科技创新导报.20 10(3): 73-74

[10]刘增超,史东涛.煤矿粉尘治理技术现状及展望[J].科技信息.20 08(7):29 8-29 9

[11]訾美幸,颜瑞.煤矿井下矿尘防治[J].山东煤炭科技.20 10(3):18 1-18 3

[12]梁扬宝.刘启荣.降低煤矿粉尘浓度的新途径[J].科技情报开发与经济.20 02,12 (6):12 4-12 5

[13]张小艳,郭强等.微细水雾除尘技术的实验研究[J].环境污染与防治.20 03,25(4): 23 4-23 6

[14]宋马俊.国外煤矿粉尘控制措施的新

进展[J].中国职业安全卫生管理体系认证. 20 03(3):21-22

[15]卢鉴章.煤矿瓦斯与粉尘防治技术的发展展望[J].煤炭学报.19 97,22(12):26 1-26 4

[16]陈宇,冯小军,魏颖.浅谈煤矿粉尘综合治理技术[J].煤矿现代化.20 10(1):28-30

[17]卢鉴章.我国煤矿一通三防技术的发展与进步[J].煤炭科学技术.20 07,35(1):8-13

[18]张延松.煤矿粉尘传感器及测量仪器的研究[J].煤矿自动化.19 94(2):24-31

[19]陈作宾,陈锐,等.中国煤矿安全技术进展[J].中国安全科学学报.19 91,1(4):30-37

Coal-mine Dust and Removal Technology and Optimization of Existing

Wang Huiqiong
Yunnan Vocational Institute of Energy Technology 655001

coal-mine dust; dust hazards; safety technology; removes dust; remove dust technology; dust removal equipment

针对煤矿粉尘防治的重要性，首先介绍了粉尘的几个重要特性：润湿性、凝并性等，分析了其机理，随后简单叙述了煤矿粉尘可能引起的四大危害；接着根据煤矿粉尘的特性为出发点，以消除煤矿粉尘危害为目标，介绍了针对国内煤矿开采新形势下的煤矿粉尘防治技术：通风除尘技术、湿式除尘技术、煤层注水除尘技术等，并归纳总结了煤矿除尘设备和仪表仪器研究进展及成果；最后结合现状对现有除尘技术提出了新的思考。

煤矿粉尘；粉尘危害；安全技术；除尘；

For the importance of prevention and treatmentof coal-mine dust. First, the author introduced some important properties of dust: wet ability, coagulation and so on, and analyzed its mechanism. Followed by a brief description of the four harm coal-mine dust may cause. Then, the characteristics of coal mine dust are based on the starting point. The target is to eliminate coal-mine dust hazard. Described the coal-mine dust control technology was used for the new situation of the domestic coal mining. Such as ventilation and dust removal technology, wet dust removal technology and coal dustinjectiontechnology. Andtheauthorsummarized the coal-mine dust removal equipment and instrumentationresearchprogressandresults. Finally, with the status quo of the existing dust removal technology presented new ideas.

X 91 5.5

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.24.006

王会琼（1982-），女，汉族，云南宣威人，工学学士，助讲，主要从事煤矿安全技术研究及教学。

除尘技术；除尘设备