我国煤矿综放工作面粉尘治理技术进展与发展趋势
时间：2023-01-15 08:35:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
赵 凯，宁掌玄*，高 瑞，李文正，杨伯虎，吴季洪
（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003）
贫油少气富煤是我们国家能源结构的显著特点。煤炭开采带来的大气污染、土地沙化、地表沉陷、水土流失等环境问题备受社会各界关注。杜绝煤炭粗放型开采，不断推进精准开采、智能开采、绿色开采是煤炭行业跨越转型发展的必由之路[1]！
煤炭开采中，粉尘的危害主要表现为以下四点：①造成尘肺病，严重影响工人健康；
②遮挡工人视线，容易造成煤炭工人对机械的错误操作；
③长期在粉尘环境下机械的寿命会受到严重影响；
④一定浓度的粉尘会造成粉尘爆炸。
据国家卫生健康委数据统计，2020 年全国报告职业病新增病例合计17 064 例，见表1。其中，职业性尘肺病及其它呼吸性疾病14 408 例，占比84.4%[2]。尘肺病发病是由粉尘引起的，治理煤矿粉尘是解决煤矿工人健康问题和减少尘肺病发病率的必要手段，具有重大的社会价值。
表1 2020 年我国法定职业病患病人数统计
煤矿粉尘问题是制约我国煤炭行业发展的重要因素，是煤炭行业转型发展面临的难题之一[3]。目前我国在防尘技术上有很多研究：开采前利用注水降尘技术从源头上减少粉尘产生；
开采过程中，通过喷雾降尘技术、化学降尘技术、泡沫降尘技术等方式降低粉尘浓度[4]。但是目前综采放顶煤工作面切眼处粉尘浓度依然很高，甚至可达8 000 mg/m3，这意味着传统的防尘方法对粉尘治理效果不理想，所以许多企业都引入了大量的防尘技术与设备,如自动喷雾降尘技术、中压喷雾除尘技术、采煤机液压支架隔尘帘技术、采煤机空气幕隔尘技术等。目前综放工作面粉尘防治主要采取了减尘、排尘、降尘、捕尘、个体防护五类技术措施，具体情况如图1。
图1 综放工作面采用的粉尘防治技术措施
目前，我国主要从粉尘浓度检测、喷雾防尘、煤层注水、除尘器除尘、空气幕隔尘等方面着手解决综采工作面采煤运煤过程中的粉尘问题。
2.1 煤矿粉尘检测
粉尘浓度是衡量井下空气质量及施工环境卫生的关键指标，粉尘浓度大小决定粉尘对机械设备及施工人员危害程度的高低，快速准确检测矿井粉尘浓度至关重要。目前我国矿井粉尘浓度检测主要使用粉尘检测器，该型粉尘采样器主要由过滤器取样头、流量计、抽气泵等组成。其原理是用该仪器吸取了工作面以及巷道附近的定量气体后，当气体通过探测器上的滤网层时，空气中所含的灰尘就会被过滤到滤膜上，通过取样后的滤层质量变化情况可以得出该点附近粉尘含量的高低程度。通过在采样头上加一前置预捕捉器就能采集非呼吸性粉尘，将对人类危害的吸入性粉尘与非吸入性粉尘分离，提高了检测质量和效率。该检测器在使用过程中有以下问题：首先粉尘样品在采样头取下时容易出现粉尘脱落或捕获其它颗粒造成二次污染，这些会影响粉尘检测的精度；
其次滤膜需要在干燥器内存放2 h 才能消除静电，检测效率较低。
2.2 喷雾防尘技术
喷雾防尘技术是用喷嘴将管道里的水以水雾的形式喷洒出来，从而达到降尘效果的一种方法，目前大部分煤矿企业都通过该方法来控制和降低粉尘含量[5]。将喷雾防尘技术与过滤设备和高压喷雾设备相结合，能更高效的控制粉尘浓度，保障采煤的正常进行以及施工人员的安全。喷雾防尘技术是目前煤矿企业使用最普遍的技术之一，但是其降尘效果并不理想，综放工作面这种粉尘浓度很大的场所难以将粉尘降到生产标准所要求水平，并且喷雾降尘喷头易损坏，给煤矿生产带来很大麻烦。
2.3 煤层注水防尘技术
采煤生产中煤尘的产生不可避免，在用喷雾除尘的方法的基础上，从煤尘的产生过程中降低煤尘含量是防尘的一种方法，配合喷雾除尘技术能更好更有效降低井下粉尘含量。煤层注水防尘技术是矿上应用广泛的一种防尘技术，利用钻孔将煤层润湿后，在煤层开采表面涂水和活性剂，增加煤层开采的含水率和湿润量，使得在采掘过程中可以减少细粉煤尘的形成，从根源上减少了空气中煤尘的浓度。目前常用长钻孔方式注水[6]，极大提高了防尘工作的效率，改善了矿井高粉尘浓度的环境，为煤矿工人安全健康提供保障。长钻孔注水施工难度较高，后期维修方面难度也较大，在选择注水防尘方法时，应根据具体情况来选择最合适的防尘方法[7]。动压注水如图2。
图2 动压注水示意图
2.4 除尘器防尘技术
该技术利用除尘滚筒吸收粉尘的方式降尘。除尘器一般安装在采煤机内部，用以改善矿井施工环境，提高开采效率。除尘器设备多种多样，可以应用于不同除尘环境，比如外旋多层雾流罩封尘源式除尘设备就是廉价且除尘效果较好的一种除尘设备。不过目前国内由于除尘器的类型与功能还不够齐全，创新能力不强，这也使得各种除尘装置无法适应不同环境的需要，一定程度限制了国内煤矿企业对该技术的应用。
2.5 空气幕隔尘技术
空气幕隔尘技术主要用于为采煤机司机隔离粉尘，其基本原理是利用条缝射流原理将粉尘隔断，形成一道空气墙，有效降低采煤机司机工作区的粉尘浓度[8]。空气幕安装在采煤机机身上，将采煤机滚筒位置产生的煤尘冲向顶板，阻隔粉尘扩散，达到控制粉尘运移的目的，如图3。
图3 空气幕隔尘示意图
旋转风幕隔尘技术是空气幕隔尘技术的升级版，增加了一条隔尘垂帘，该垂帘与空气幕平行，设置在靠近顶板处用于阻挡粉尘的流动，控制粉尘的运移[9]。垂帘位置如图4。
图4 旋转风幕示意图
采煤机机身上的窄缝以固定风速射出气体，形成一道气流，该气流携带粉尘冲向顶板，粉尘会分为两路一边冲向煤壁侧得到控制，另一边会冲向司机侧，此时隔尘垂帘就会将其阻拦，并在垂帘、顶板、采煤机、底板作用下形成旋风，即旋转风幕，其卷吸效应会为粉尘控制带来更好的效果，增强其隔尘能力，粉尘在产尘区旋转随后被工作面风场吹走达到预期目的。
我国煤矿企业综放工作面粉尘防治技术不断发展，其机械化、自动化水平也随之增加，提高了煤矿开采的产量和开采效率。目前国内综采放顶煤工作面粉尘防治的主要途径是控制粉尘的运移，各大企业使用不同喷雾降尘技术相配合的办法来降低粉尘浓度，调整水幕，防尘工艺也在不断创新，这不但提高了煤矿企业自身工作效率，还能为我国煤矿开采事业营造一个更好的工作环境，保证工人的身体健康，为我国社会主义现代化建设提供发展动力。
3.1 技术研究
3.1.1 特殊煤质的煤层注水技术完善研究
煤层注水技术是煤矿防尘技术的关键一步，它可以在源头上降低粉尘浓度。目前我国煤层注水技术还有待完善，对于渗透性、疏水性较低的煤层难以达到预期效果，所以需要针对该类煤层的注水展开研究。例如：在注水前为煤层增加裂隙，增大煤层孔隙率[10]；
在水中添加湿润剂，提高疏水性难煤层的渗透效果；
研究高压水力增透技术，为水源提供更高动力；
研究瓦斯抽放与煤层注水耦合技术，有效提高煤层注水效果。
3.1.2 喷雾降尘系统科学化、自动化研究
针对喷雾降尘技术现存缺点进行完善，主要研究内容包括喷嘴的高效雾化设计、喷雾降尘剂研制、喷雾点布置方式研究以及自动喷雾降尘系统研究。
3.2 产品研发
3.2.1 智能粉尘传感器的开发应用
智能化防尘技术的应用离不开一个高可靠性、高精度的传感器，传感器的发展一般会带来智能控制的革新。智能粉尘传感器需要对呼吸性粉尘实时检测，需要向远距离传输、抗干扰、小型化、低功耗发展。
3.2.2 大风量控尘、除尘设备研发
大风量控尘、除尘设备的研发是我国粉尘防控的重要环节，在此基础上可将风幕控尘与除尘器除尘技术相结合，控制粉尘运移与除尘相结合，研发一种更高效更清洁的除尘技术。
3.3 智能化体系
3.3.1 智能化防尘技术的应用
物联网、大数据、云计算的不断发展，给智慧矿山的发展带来了技术基础，煤矿粉尘防治同样也会受到其影响。由于智慧矿山是一个整体化的概念，即煤炭开采的各个环节都实现智能化，在机械设备智能化的同时，粉尘防治也必将走向智能化，所以煤矿粉尘防治技术的发展是在现有基础上增加智能化、无人化技术，为智慧矿山提供前提[11]，打造绿色、安全、高效的少人化无人化矿山。
3.3.2 煤矿粉尘危害预警系统的建立
煤矿粉尘危害预警系统的建立，有利于避免粉尘对人体的危害。该系统需要在煤矿粉尘检测技术的基础上结合当下尘肺病研究成果，参照呼吸性粉尘粒径、质量、浓度等参数科学的对尘肺病的防治与企业管理做出指导，这对实现绿色安全开采具有重大意义。
3.4 管理方面
结合实际情况制定正确、先进的粉尘浓度标准和员工操作规范。由于综放工作面尘源多、浓度高，需要做好个人保护，合理佩戴防尘面罩、口罩和防尘矿帽，减少粉尘给身体带来的危害。另外根据产尘的具体类型，选择合适的防尘技术手段，做到经济、高效的防尘。
综放工作面煤矿粉尘的防治需要考虑煤矿开采的各个环节，而且要紧跟当代科学技术的发展，只有选择合适的防尘降尘方案，才能更有效的减少煤尘的出现，抑制煤尘的扩散，减轻对矿工健康的影响以及对综放工作面的污染，保证综放工作面的安全高效生产。对于当下国内外防尘技术的引进，要在借鉴中结合实际情况进行创新和改动，实事求是，加大粉尘治理技术的重视程度和资金投入，对综放工作面粉尘防治工作进行动态监控，实验室实验获取关键数据，并分析结果，为我国综放工作面粉尘防治夯实基础[12]。
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