煤矿综合防尘技术研究

黄成玉 张全柱 邓永红

(华北科技学院信息与控制技术研究所,北京东燕郊101601)

煤矿综合防尘技术研究

黄成玉 张全柱 邓永红

(华北科技学院信息与控制技术研究所,北京东燕郊101601)

随着煤矿机械化程度和开采强度的不断加大,导致综采工作面的产尘强度及作业环境中粉尘浓度也越来越大,严重影响煤矿安全生产和作业人员身体健康。本文分析了煤尘防治的意义，阐述了国内外防尘理论技术，并对防尘系统动态可视化技术进行了研究，以期对煤矿防尘降尘工作具有一定的参考价值。

煤矿；煤尘；防尘；可视化

煤尘属于粉尘，影响矿井安全生产，威胁职工身体健康，是煤矿五大灾害之一。在煤炭生产过程中，几乎所有的作业均可产生粉尘。随着煤炭生产机械化程度的加大和采煤强度的不断提高，凿岩、爆破、装卸、破碎、运输等各个作业段的煤尘产生量在大量增加。严重污染作业场所的环境和影响煤矿安全生产。因此有必要开展防尘技术研究，对抓好矿井综合防尘测尘工作，促进煤矿安全生产，保障职工身体健康具有重大意义。

1 煤尘防治的意义

1.1 煤尘污染

煤炭是我国的主要能源，在国民经济能源结构中占据很重要的位置，在我国一次能源消费中占76%以上。随着经济发展，煤炭的需求量越来越大。随着生产规模的扩大，煤尘污染情况也越来越严重。在无防尘措施的情况下，炮采工作面的粉尘浓度可达到300-500mg/m3，机采工作面的粉尘浓度可达到1 000～3 000mg/m3，综采工作面的粉尘浓度可达到4 000～8 000mg/m3。

1.2 煤尘危害

（1）危害职工身体健康

在我国，尘肺病是主要职业病之一。随着经济的迅猛发展，社会对能源和工矿产品需求的增大，粉尘灾害产生的影响正在逐步扩大。就煤矿行业而言，煤矿尘肺病的发病情况十分严重,据统计,截至2005年底,我国煤炭行业累计尘肺病患病人数达30万以上,约占全国已检出尘肺病人数的50%。每年死于尘肺病的人数达2 000～3 000人，尘肺病患者死亡人数是煤矿工伤死亡人数的5倍。

（2）煤尘爆炸

煤尘具有爆炸性，悬浮于空中并达到一定浓度，这时如果有一个能引燃煤尘的热源就会发生煤尘爆炸。煤尘爆炸的后果比瓦斯爆炸更严重。此外，还有大量的矿尘排入大气，对环境危害也相当大。

2 国内外防尘理论技术

2.1 防尘理论研究

（1）关于气流场理论的研究

目前，国内外专家已总结出许多经典的流场，并建立了各自的数学模型，广泛应用于各类工程实践，流场中每个流体微团如不存在绕自身的旋转运动，这种流动称为势流。势流对于工程研究和应用极有价值。

（2）关于煤层渗流理论的研究

主要从以下几方面进行研究：①三维渗流的Darcy定律；②煤层在支撑压力的作用下压实特性；③煤层的水力传导系数和渗透率；④煤层的单位吸水量；⑤煤层的湿润能力与煤层注水的关系。对于水在煤体中的运动规律，国内外研究人员进行了大量的研究。一般认为，水进入煤体后其运动可分为压力渗流和自然渗流两部分。压力渗流使注入水在较大孔隙和裂隙中运动，起到为自然渗流形式提供水源的作用。压力渗流时水受注水压力、瓦斯压力、毛细管力的作用。而自然渗流时水运动的动力主要是吸附、扩散和毛细凝结作用。

2.2 防尘技术研究

近年来煤尘危害得到越来越广泛的重视，煤矿防尘技术也有了很大发展。目前国内外研究的煤矿井下粉尘控制技术主要有煤层注水、喷雾降尘、除尘器除尘、通风除尘等，这些除尘技术对降低粉尘浓度起到了重要作用。

（1）煤层注水

煤是非均质、成分复杂的不同孔隙的多孔介质，煤层内具有的孔隙和裂隙，形成了煤体内既有连通网络又有孤立空间的空间系统，它们有巨大的孔隙表面。这个空间系统，既是气、水在煤体内运移的通道，又是煤体内储存气、水的空间。煤层注水就是水在该空间系统中运移、扩散、储运的极复杂的水动力学和物理化学过程。煤层注水时，首先是水在压力作用下，沿煤体裂隙和大孔隙的渗透过程,继而是水在毛细管力和表面现象等物理化学作用下进行的自运动。

煤层注水分为工作面短钻孔注水和顺槽长钻孔注水。影响注水难易程度的因素主要有煤层裂隙孔隙的发育程度、煤层的埋藏深度与地压的集中程度、煤层的物理力学性质、煤层内的瓦斯压力和煤的湿润性等。

（2）喷雾除尘

喷雾除尘是向浮游于空气中的粉尘喷射水雾，通过增加尘粒的重量，达到降尘的目的。这一技术的关键是喷嘴要能形成具有良好降尘效果的雾流。主要包括煤机内、外喷雾，架间喷雾，采煤机负压二次降尘喷雾及巷道喷雾帘喷雾。内喷雾是指喷嘴装在滚筒叶片上，将水从滚筒里向截齿喷射。外喷雾是指喷嘴装在机身上，将水从滚筒外向滚筒及煤壁喷射。负压二次降尘喷雾是指由水箱向高压水泵供水,水泵通过供水管路和喷雾控制阀、喷雾装置进行高压喷雾。由于压力较高,产生的雾气流速很快,动能较大,加之高速雾气流把负压筒密闭充满,在所有负压筒的后部及整个降尘装置周围产生了很强的负压空间,起到负压降尘的作用。

（3）化学抑尘

化学抑尘是指在水中添加化学抑尘药剂来改善水溶液的物理化学特性，使其对粉尘具有更好的捕集能力。按照化学抑尘剂的抑尘机理分类，化学抑尘剂可以分为润湿型化学抑尘剂、粘结型化学抑尘剂和凝聚型化学抑尘剂三类。

湿润型化学抑尘剂由一种或多种表面活性剂组成，是由亲水基和疏水基组成的化合物。湿润型化学抑尘剂主要用于提高水的抑尘效率，在水中添加由表面活性剂组成的润湿型化学抑尘剂，可以有效地降低水的表面张力，提高其润湿性能，国内外现有的大多数润湿型化学抑尘剂主要用于煤层注水预润湿。另外也可应用于控制大气飘尘的喷雾系统，湿式除尘器，各种细颗粒物的预润湿，颗粒物料和废物料的预润湿，以及道路扬尘控制等。

粘结型化学抑尘剂是利用覆盖、粘结、硅化和聚合等原理防止泥土和粉尘飞扬，其经常应用于以下领域：①土质路面扬尘控制；②物料搬运过程产尘控制；③土质堤坝、路基、地基的稳定土；④地表和地下岩土结构工程漏水控制等。

凝聚型化学抑尘剂是由能吸收大量水分的吸水剂组成，它们能使泥土或粉尘保持较高的含湿量从而防止扬尘。凝聚剂主要用于保水和吸收大气中的水分以便使泥土或粉尘聚合。它们常用于路面扬尘控制，物料搬运和物料仓库产尘的防治。

（4）除尘器除尘

除尘器除尘是利用除尘器运行中产生的负压，通过吸尘风筒与靠近尘源的吸尘罩，在尘源处造成一个负压区，使含尘空气由吸尘罩经吸尘风筒进入除尘器中净化处理。除尘器包括湿式除尘器和干式除尘器。湿式除尘器主要有湿式旋流除尘器、湿式风流除尘器、湿式振弦除尘器、文丘里除尘器和湿式纤维除尘器等。

（5）泡沫除尘

泡沫除尘的概念最初是前苏联列宁格勒工学院M.E.波律教授等人提出，但当时研制的是一种强化气体与液体间相互作用的方法，泡沫状态的形成基于相应的流体力学条件，不需添加任何起泡剂。随后在70年代，美国、前苏联、加拿大、日本、西德及东欧等国家集中研究了泡沫除尘。

泡沫除尘在国内的起步较晚，湖北省劳保所于1986年开始研究泡沫凿岩除尘技术，并在五台煤矿的毛口灰岩和武钢程潮铁矿的花岗岩凿岩工作面进行了现场试验，与干打眼相比，环境的除尘率达99.8%；与清水相比，不但用水量小，对捕集呼吸性粉尘也有较好的效果。随着泡沫除尘的高效性被逐渐认可，中国矿业大学近年来开始了对煤矿井下采掘工作面泡沫除尘技术的研究，并对泡沫除尘机理，包括拦截、黏附、湿润和沉降的作用机理及数学模型，除尘用泡沫的产生及破灭机理、两相泡沫的一些性质进行了研究。北京科技大学对掘进工作面压缩空气泡沫灭尘系统进行了实验及现场应用，并分析了压力、液气比例、气液混合方式等因素对泡沫性能的影响。

（6）空气幕除尘

空气幕是利用喷射气流的射流原理使污染源散发出来的污染物与周围空气隔离，以保证工作区的卫生条件。采煤工作面空气幕安装在采煤机机身上。其作用在于使滚筒截煤时向采煤机司机扩散的微尘折转向上，并携带周围的空气冲向顶板，气流同时向两侧分散，微尘被阻隔在煤壁侧，同时煤壁侧的粉尘被工作面风流带走。

（7）通风除尘

抽出式通风时，新鲜风流沿掘进巷道进入，稀释沿途巷道及作业场所的粉尘和有害气体，然后经伸缩风筒直接排至回风流中。当综掘巷道的瓦斯涌出量比较大时，单一抽出式通风方式不能解决掘进工作面的瓦斯问题，建议采用长压短抽的混合通风方式。通风除尘的最终目的是在保证工作面安全生产的前提下，有足够的风量使采取其它措施后剩余的粉尘稀释和排出，同时又不至于因风速过大而使落尘转化为浮尘。

各种除尘方式都有其优缺点和适用范围，如表1所示。

表1 各种除尘方式优缺点分析

3 防尘系统动态可视化研究

现代数据可视化（Data Visualization）技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术；将数据换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。根据侧重点不同，可视化可分为三个分支，它们分别是科学计算可视化(Scientific Visualization)，数据可视化(DataVisualization)和信息可视化(Information Visualization)。

3.1 矿井防尘系统可视化方法、现状及特点

矿井的防尘可视化一般与通风可视化共同应用在矿井监控系统中，在国外，澳大利亚开发的VentSim矿井通防三维仿真系统可以用于矿井通风设计、通风系统优化、除尘降温为基础的安全决策支持等领域，使用该系统可以帮助矿山企业进行合理的安全管理，节约成本，提升矿山企业整体形象；波兰科学院研制的Mine Firesimulat软件能够以动态图形化方式表示火灾蔓延、通风系统中燃烧物、温度、流体等参数变化过程。在国内，西安科技学院、山东矿业学院和辽宁工程技术大学等单位也先后研制出了自己的矿井通风防尘可视化软件。

3.2 矿井防尘系统可视化软件主要有以下几种：

1）利用专用绘图软件(如：AutoCAD)进行矿井防尘系统图形绘制，利用计算机管理整个矿井防尘系统的图形，其主要缺点是很难查到和矿井防尘系统相关属性数据，一旦矿井防尘系统发生改变，数据需要修改，工作量大，容易出错，与监控系统集成后运行效率较低；很难保持数据和图形的一致性，且容易出错。

2）利用现有的地理信息系统平台进行矿井通风系统可视化。地理信息系统对实体的位置数据和属性数据进行管理，图形开发效率较高，但地理信息系统提供的决策支持和分析功能对于矿井防尘系统没有意义，矿井防尘系统附属功能需进一步研制和开发。

3）利用现有的成熟的软件开发语言、及在此基础上开发的图形控件、结合现有监控系统实现灵活且高效的防尘可视化系统。其主要优点是图形开发效率高、图形易于修改、管理人员不需要专业计算机知识。

3.3 实时动态监控

我国监测监控技术目前主要有：KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统，以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。

系统由早期的地面单微机监测监控已发展成为网络化监测监控以及不同监测监控系统的联网监测。其主要由监测终端、监控中心站、通信接口装置、井下分站、传感器组成。结构如图1所示。

图1 可视化监控系统结构图

利用现有的各种编程技术结合计算机网络，实现了监测数据的实时访问、动态监控，系统以任意无级缩小或无级放大图形的形式达到图形和数据的无缝集成和浏览；提供完备的安全监测与安全信息管理功能；实现了通风系统图及防尘系统图的动态浏览；安全信息的网上公开（公司内部、矿务局内部）。

结语

目前国内外煤矿主要采取通风除尘、煤层注水、喷雾降尘、除尘器除尘、泡沫除尘等各种技术，如何根据煤矿煤层特点，研究高效的综合防尘技术措施，对于降低工作环境粉尘浓度、改善采煤工人的作业环境、保障工人的身体健康具有重大的现实意义。

可视化技术的运用，可使井上工作人员实时监控井下生产情况，明确了解井下各处的煤尘浓度，发现煤尘浓度超限时可及时提醒井下进行防尘工作，统一调度各处防尘措施的使用，使煤矿防尘工作更加直观、简便并具有针对性。