矿井防尘高效抑制技术与装备

王金峰+章雪帆+陈义灿+句海洋

在煤矿生产中，粉尘的来源主要有掘进机截割煤（岩）产尘、综采（放）工作面采煤机割煤产尘、巷道锚喷产尘等。据实测，在综掘工作面不采用任何防尘措施的情况下，迎头的粉尘浓度为1200～1500mg/m3，个别高达2000mg/m3；在没有防尘措施的情况下，一般综采工作面的粉尘浓度可达2500～3000mg/m3；在综放工作面，采煤机割煤和移架平行作业时，有些煤矿个别瞬时原始总粉尘浓度甚至高达7000mg/m3。即使采取措施，多数工作面的情况依然相当恶劣，采煤机下风向粉尘浓度最大可达1000mg/m3以上，已经严重超过国家标准规定；锚喷巷道时，喷浆生产现场人员作业区域的平均全尘和呼尘浓度高达500mg/m3和150mg/m3以上，而且粉尘中二氧化硅成分极高。

生产现场存在高浓度粉尘，会产生极大危害。首先，高浓度煤尘易造成爆炸，影响矿井的安全生产。据统计，2007年原国有重点煤矿有532处矿井煤尘有爆炸危险，占87.40%；小煤矿中91.35%煤矿的煤尘具有爆炸危险，其中高达57.71%的具有强爆炸性，瓦斯爆炸参与煤尘爆炸所造成的重大特大事故占煤矿事故的很大比重。其次，高浓度粉尘造成煤矿工人尘肺病患病率居高不下，带来了一系列负面影响。尘肺病已成为一种“隐形”矿难，它损害的群体更多、更广，潜在的危害性更重，破坏性更强。目前我国煤矿约有尘肺病人40多万人，每年死于尘肺病的约有2500人，每年新增尘肺病人约8000人。近几年我国煤矿安全形势更是严峻，数量众多的职业尘肺病患者，要花费大量的人力和物力来进行治疗，不仅经济损失巨大，也给患者及家属带来了很大的痛苦。另外，高浓度粉尘还会增加机械的磨损率，降低现场设备的使用寿命。从以上情况可以看出，煤矿粉尘不但严重威胁着井下工作人员的职业安全健康，也影响企业生产的发展和社会的稳定。为实现企业的快速、健康、可持续发展，维护员工职业安全健康和社会稳定，必须对生产过程中工作面现场的粉尘进行治理。

传统防尘方式

传统的机掘工作面防尘设备，主要包括掘进机内外喷雾、掘进机液压除尘风机，以及除尘器的抽尘净化系统。但是，传统除尘技术存在较多的缺陷和局限性。针对综采（放）工作面而言，尽管大部分矿井采用了采煤机内外喷雾和移架喷雾、转载喷雾和净化水幕技术，取得了一定的降尘效果，但降尘效果十分有限，不能满足现代化综采（放）工作面降尘的需要。

多年来，我国矿山井下锚喷作业一直采用干喷或潮喷工艺，此工艺技术极易导致工人尘肺病的形成。为此，在国家安全监督管理总局、国家煤矿安全监察局于2010年9月发布的《关于发布禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第三批）》中，已明确将干式混凝土喷射机列入淘汰产品。

2012年，国家安全监管总局公布第一批安全科技“四个一批”项目名单，将“矿井综合防尘系统技术工艺及其装备示范”列为研究课题之一。为此，项目承担单位——大屯煤电（集团）有限责任公司成立了课题组，开展大屯矿区矿井采掘面气载粉尘高效抑制技术与装备研究，以解决采掘面防尘系统各子系统的关键技术，降低采掘面人员作业区域居高不下的粉尘浓度。这项研究是我国矿井目前急需解决的重要课题，对有效降低工作面现场粉尘浓度，提高现场员工的职业安全健康程度，具有重要的作用和意义。

研究过程

课题组针对粉尘产生的不同部位和特点，分别研发出相应的产品，抑制或减少粉尘的发生。

针对不同煤层煤种、煤质的类别，课题组通过表面活性剂表面张力实验、粉尘接触角实验、沉降实验和保水性等实验，研发了高效、环保、经济的降尘用新型复配湿润剂。并同时研发出湿润剂自动、定量添加装置，实现了湿润剂添加工艺的自动、集约化管理。

针对综采工作面在移架、放顶煤及采煤机割煤时产生大量粉尘问题，课题组研发设计了综采工作面井上监控型支架自动喷雾降尘系统，如图1所示。

根据大屯矿区综采（放）工作面的具体情况，课题组合理设计了煤层高压注水的钻孔布置方式、钻孔间距、钻孔长度、注水压力、钻孔倾角等参数，并确定出煤层注水用的煤层气动注水泵、坑道注钻一体机、煤层注水流量表、耐振压力表、封孔器，以及专用封孔泵、管材及阀门和连接件等注水配套设备，如图2所示。

针对锚喷巷道干喷作业粉尘浓度大、游离二氧化硅浓度高，对矿工身心健康构成严重威胁的现状，课题组研制了井下连续式搅拌机，以及结构紧凑、体积小、重量轻、拆装搬运方便的混凝土湿喷机。同时为减少湿喷作业的劳动强度，最终形成连续搅拌、活塞泵送、辅助作业的喷浆混凝土湿喷设备，构成新型湿喷作业系统，如图3所示。

课题组还研发了矿井粉尘在线监测监控数据上传平台，系统由6个井下监控分站、1个数据通信、1个地面监控计算机构成，如图4所示。该平台可实现粉尘在线监测、汇报、数据上传等功能，便于安全管理人员进行实时监管。

成果转化及应用

所有研发成果形成了一套完整的防尘体系，即“矿井综合防尘系统技术”。该项技术使井下产尘的各个环节，均被采用有效手段加以控制，使井下的粉尘浓度得到大幅降低。

新型复配湿润剂，可以加在喷雾用的水中，有效捕捉空气中的粉尘并使之沉降，从而达到降尘的目的。同时，湿润剂还可以用于煤层注水，使注水后的煤层在掘进时不会产生大量粉尘。

井上监控型支架自动喷雾降尘系统，可以在移架、放顶煤时实现自动喷雾降尘，同时还可随采煤机移动，在采煤机下风端形成数条随采煤机移动的水幕，有效降低粉尘的浓度和阻挡粉尘扩散。由于喷洒点的位置及喷雾量可以合理设置，从而达到用最少水量实现最佳除尘效果。系统还可将工作面移架、放煤、采煤机位置等参数通过井下环网传到井上，实现安全监控。

煤层高压注水技术，可有效预防冲击地压及高粉尘灾害。通过钻孔向煤体预注高压水，高压水沿着煤的裂隙，向被裂隙分割的煤块渗透，并储存于裂隙和孔隙中，增加煤体水分，湿润煤体内原生煤尘，使其失去飞扬能力，减少采煤时产生浮游粉尘的能力。

矿井粉尘在线监测监控数据上传平台，可以实现井下粉尘情况的实时上传，井下监控分站实现现场的数据采集、数据处理和除尘控制输出、语音报警等功能。数据通信部分，负责井下监控分站与地面监控计算机之间实时、可靠的数据传输；监控计算机负责接收、显示、并存储来自现场的监测数据。监控平台是管理人员掌握井下矿尘状况的重要手段，是尘害防治的关键环节。

目前，整个系统已在大屯矿区龙东煤矿使用。据测算，已使采掘工作面的全尘降尘率达到90%以上；采掘工作面的呼尘降尘率达到85%以上。由此可以看出，该项目可使矿山的安全隐患大大降低，职工的作业环境大大改善，逐步实现“无尘化”煤矿的目的。

该成果不仅可以应用到矿山，还可以应用到水泥厂、面粉厂、制砖厂等容易产生大量粉尘的生产企业。

发展前景

矿井粉尘作为煤炭生产加工过程中的必然产物，是导致矿井发生事故的主要原因之一。它不仅会引起职业病，而且许多粉尘还具有爆炸性，严重威胁着矿井的安全生产。

长期以来，由于人们对于粉尘的危害认识不足，致使关于矿尘防治领域的理论研究和应用技术研究比较薄弱，至今没有形成成套的理论系统和技术体系，以至于采掘工作面粉尘污染问题随着机械化程度的提高越来越严重。因此，搞好采掘工作面防尘，对于保护矿工的身心健康和保证矿井的安全生产，具有十分重要的现实意义。

此外，国外一些发达国家在吸尘滚筒、隔离尘源、声波雾化降尘、磁化降尘、预荷电喷雾降尘、泡沫降尘等方面，进行了一系列探索研究，取得了一定的成果，这为我国矿井综合防尘探索了一条新途径。目前我国对这些先进方法的研究正不断取得进展，但离真正意义上的推广还有一段距离。在下一步的研究中，大屯煤电（集团）有限责任公司将联合相关高校、科研院所进行深入探索研究。

编辑 杨 璇