煤礦綜合防塵技術研究

黃成玉 張全柱 鄧永紅

(華北科技學院信息與控制技術研究所,北京東燕郊101601)

煤礦綜合防塵技術研究

黃成玉 張全柱 鄧永紅

(華北科技學院信息與控制技術研究所,北京東燕郊101601)

隨著煤礦機械化程度和開采強度的不斷加大,導致綜采工作面的產塵強度及作業(yè)環(huán)境中粉塵濃度也越來越大,嚴重影響煤礦安全生產和作業(yè)人員身體健康。本文分析了煤塵防治的意義，闡述了國內外防塵理論技術，并對防塵系統(tǒng)動態(tài)可視化技術進行了研究，以期對煤礦防塵降塵工作具有一定的參考價值。

煤礦；煤塵；防塵；可視化

煤塵屬于粉塵，影響礦井安全生產，威脅職工身體健康，是煤礦五大災害之一。在煤炭生產過程中，幾乎所有的作業(yè)均可產生粉塵。隨著煤炭生產機械化程度的加大和采煤強度的不斷提高，鑿巖、爆破、裝卸、破碎、運輸?shù)雀鱾€作業(yè)段的煤塵產生量在大量增加。嚴重污染作業(yè)場所的環(huán)境和影響煤礦安全生產。因此有必要開展防塵技術研究，對抓好礦井綜合防塵測塵工作，促進煤礦安全生產，保障職工身體健康具有重大意義。

1 煤塵防治的意義

1.1 煤塵污染

煤炭是我國的主要能源，在國民經濟能源結構中占據(jù)很重要的位置，在我國一次能源消費中占76%以上。隨著經濟發(fā)展，煤炭的需求量越來越大。隨著生產規(guī)模的擴大，煤塵污染情況也越來越嚴重。在無防塵措施的情況下，炮采工作面的粉塵濃度可達到300-500mg/m3，機采工作面的粉塵濃度可達到1 000～3 000mg/m3，綜采工作面的粉塵濃度可達到4 000～8 000mg/m3。

1.2 煤塵危害

（1）危害職工身體健康

在我國，塵肺病是主要職業(yè)病之一。隨著經濟的迅猛發(fā)展，社會對能源和工礦產品需求的增大，粉塵災害產生的影響正在逐步擴大。就煤礦行業(yè)而言，煤礦塵肺病的發(fā)病情況十分嚴重,據(jù)統(tǒng)計,截至2005年底,我國煤炭行業(yè)累計塵肺病患病人數(shù)達30萬以上,約占全國已檢出塵肺病人數(shù)的50%。每年死于塵肺病的人數(shù)達2 000～3 000人，塵肺病患者死亡人數(shù)是煤礦工傷死亡人數(shù)的5倍。

（2）煤塵爆炸

煤塵具有爆炸性，懸浮于空中并達到一定濃度，這時如果有一個能引燃煤塵的熱源就會發(fā)生煤塵爆炸。煤塵爆炸的后果比瓦斯爆炸更嚴重。此外，還有大量的礦塵排入大氣，對環(huán)境危害也相當大。

2 國內外防塵理論技術

2.1 防塵理論研究

（1）關于氣流場理論的研究

目前，國內外專家已總結出許多經典的流場，并建立了各自的數(shù)學模型，廣泛應用于各類工程實踐，流場中每個流體微團如不存在繞自身的旋轉運動，這種流動稱為勢流。勢流對于工程研究和應用極有價值。

（2）關于煤層滲流理論的研究

主要從以下幾方面進行研究：①三維滲流的Darcy定律；②煤層在支撐壓力的作用下壓實特性；③煤層的水力傳導系數(shù)和滲透率；④煤層的單位吸水量；⑤煤層的濕潤能力與煤層注水的關系。對于水在煤體中的運動規(guī)律，國內外研究人員進行了大量的研究。一般認為，水進入煤體后其運動可分為壓力滲流和自然滲流兩部分。壓力滲流使注入水在較大孔隙和裂隙中運動，起到為自然滲流形式提供水源的作用。壓力滲流時水受注水壓力、瓦斯壓力、毛細管力的作用。而自然滲流時水運動的動力主要是吸附、擴散和毛細凝結作用。

2.2 防塵技術研究

近年來煤塵危害得到越來越廣泛的重視，煤礦防塵技術也有了很大發(fā)展。目前國內外研究的煤礦井下粉塵控制技術主要有煤層注水、噴霧降塵、除塵器除塵、通風除塵等，這些除塵技術對降低粉塵濃度起到了重要作用。

（1）煤層注水

煤是非均質、成分復雜的不同孔隙的多孔介質，煤層內具有的孔隙和裂隙，形成了煤體內既有連通網絡又有孤立空間的空間系統(tǒng)，它們有巨大的孔隙表面。這個空間系統(tǒng)，既是氣、水在煤體內運移的通道，又是煤體內儲存氣、水的空間。煤層注水就是水在該空間系統(tǒng)中運移、擴散、儲運的極復雜的水動力學和物理化學過程。煤層注水時，首先是水在壓力作用下，沿煤體裂隙和大孔隙的滲透過程,繼而是水在毛細管力和表面現(xiàn)象等物理化學作用下進行的自運動。

煤層注水分為工作面短鉆孔注水和順槽長鉆孔注水。影響注水難易程度的因素主要有煤層裂隙孔隙的發(fā)育程度、煤層的埋藏深度與地壓的集中程度、煤層的物理力學性質、煤層內的瓦斯壓力和煤的濕潤性等。

（2）噴霧除塵

噴霧除塵是向浮游于空氣中的粉塵噴射水霧，通過增加塵粒的重量，達到降塵的目的。這一技術的關鍵是噴嘴要能形成具有良好降塵效果的霧流。主要包括煤機內、外噴霧，架間噴霧，采煤機負壓二次降塵噴霧及巷道噴霧簾噴霧。內噴霧是指噴嘴裝在滾筒葉片上，將水從滾筒里向截齒噴射。外噴霧是指噴嘴裝在機身上，將水從滾筒外向滾筒及煤壁噴射。負壓二次降塵噴霧是指由水箱向高壓水泵供水,水泵通過供水管路和噴霧控制閥、噴霧裝置進行高壓噴霧。由于壓力較高,產生的霧氣流速很快,動能較大,加之高速霧氣流把負壓筒密閉充滿,在所有負壓筒的后部及整個降塵裝置周圍產生了很強的負壓空間,起到負壓降塵的作用。

（3）化學抑塵

化學抑塵是指在水中添加化學抑塵藥劑來改善水溶液的物理化學特性，使其對粉塵具有更好的捕集能力。按照化學抑塵劑的抑塵機理分類，化學抑塵劑可以分為潤濕型化學抑塵劑、粘結型化學抑塵劑和凝聚型化學抑塵劑三類。

濕潤型化學抑塵劑由一種或多種表面活性劑組成，是由親水基和疏水基組成的化合物。濕潤型化學抑塵劑主要用于提高水的抑塵效率，在水中添加由表面活性劑組成的潤濕型化學抑塵劑，可以有效地降低水的表面張力，提高其潤濕性能，國內外現(xiàn)有的大多數(shù)潤濕型化學抑塵劑主要用于煤層注水預潤濕。另外也可應用于控制大氣飄塵的噴霧系統(tǒng)，濕式除塵器，各種細顆粒物的預潤濕，顆粒物料和廢物料的預潤濕，以及道路揚塵控制等。

粘結型化學抑塵劑是利用覆蓋、粘結、硅化和聚合等原理防止泥土和粉塵飛揚，其經常應用于以下領域：①土質路面揚塵控制；②物料搬運過程產塵控制；③土質堤壩、路基、地基的穩(wěn)定土；④地表和地下巖土結構工程漏水控制等。

凝聚型化學抑塵劑是由能吸收大量水分的吸水劑組成，它們能使泥土或粉塵保持較高的含濕量從而防止揚塵。凝聚劑主要用于保水和吸收大氣中的水分以便使泥土或粉塵聚合。它們常用于路面揚塵控制，物料搬運和物料倉庫產塵的防治。

（4）除塵器除塵

除塵器除塵是利用除塵器運行中產生的負壓，通過吸塵風筒與靠近塵源的吸塵罩，在塵源處造成一個負壓區(qū)，使含塵空氣由吸塵罩經吸塵風筒進入除塵器中凈化處理。除塵器包括濕式除塵器和干式除塵器。濕式除塵器主要有濕式旋流除塵器、濕式風流除塵器、濕式振弦除塵器、文丘里除塵器和濕式纖維除塵器等。

（5）泡沫除塵

泡沫除塵的概念最初是前蘇聯(lián)列寧格勒工學院M.E.波律教授等人提出，但當時研制的是一種強化氣體與液體間相互作用的方法，泡沫狀態(tài)的形成基于相應的流體力學條件，不需添加任何起泡劑。隨后在70年代，美國、前蘇聯(lián)、加拿大、日本、西德及東歐等國家集中研究了泡沫除塵。

泡沫除塵在國內的起步較晚，湖北省勞保所于1986年開始研究泡沫鑿巖除塵技術，并在五臺煤礦的毛口灰?guī)r和武鋼程潮鐵礦的花崗巖鑿巖工作面進行了現(xiàn)場試驗，與干打眼相比，環(huán)境的除塵率達99.8%；與清水相比，不但用水量小，對捕集呼吸性粉塵也有較好的效果。隨著泡沫除塵的高效性被逐漸認可，中國礦業(yè)大學近年來開始了對煤礦井下采掘工作面泡沫除塵技術的研究，并對泡沫除塵機理，包括攔截、黏附、濕潤和沉降的作用機理及數(shù)學模型，除塵用泡沫的產生及破滅機理、兩相泡沫的一些性質進行了研究。北京科技大學對掘進工作面壓縮空氣泡沫滅塵系統(tǒng)進行了實驗及現(xiàn)場應用，并分析了壓力、液氣比例、氣液混合方式等因素對泡沫性能的影響。

（6）空氣幕除塵

空氣幕是利用噴射氣流的射流原理使污染源散發(fā)出來的污染物與周圍空氣隔離，以保證工作區(qū)的衛(wèi)生條件。采煤工作面空氣幕安裝在采煤機機身上。其作用在于使?jié)L筒截煤時向采煤機司機擴散的微塵折轉向上，并攜帶周圍的空氣沖向頂板，氣流同時向兩側分散，微塵被阻隔在煤壁側，同時煤壁側的粉塵被工作面風流帶走。

（7）通風除塵

抽出式通風時，新鮮風流沿掘進巷道進入，稀釋沿途巷道及作業(yè)場所的粉塵和有害氣體，然后經伸縮風筒直接排至回風流中。當綜掘巷道的瓦斯涌出量比較大時，單一抽出式通風方式不能解決掘進工作面的瓦斯問題，建議采用長壓短抽的混合通風方式。通風除塵的最終目的是在保證工作面安全生產的前提下，有足夠的風量使采取其它措施后剩余的粉塵稀釋和排出，同時又不至于因風速過大而使落塵轉化為浮塵。

各種除塵方式都有其優(yōu)缺點和適用范圍，如表1所示。

表1 各種除塵方式優(yōu)缺點分析

3 防塵系統(tǒng)動態(tài)可視化研究

現(xiàn)代數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）技術指的是運用計算機圖形學和圖像處理技術；將數(shù)據(jù)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。根據(jù)側重點不同，可視化可分為三個分支，它們分別是科學計算可視化(Scientific Visualization)，數(shù)據(jù)可視化(DataVisualization)和信息可視化(Information Visualization)。

3.1 礦井防塵系統(tǒng)可視化方法、現(xiàn)狀及特點

礦井的防塵可視化一般與通風可視化共同應用在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中，在國外，澳大利亞開發(fā)的VentSim礦井通防三維仿真系統(tǒng)可以用于礦井通風設計、通風系統(tǒng)優(yōu)化、除塵降溫為基礎的安全決策支持等領域，使用該系統(tǒng)可以幫助礦山企業(yè)進行合理的安全管理，節(jié)約成本，提升礦山企業(yè)整體形象；波蘭科學院研制的Mine Firesimulat軟件能夠以動態(tài)圖形化方式表示火災蔓延、通風系統(tǒng)中燃燒物、溫度、流體等參數(shù)變化過程。在國內，西安科技學院、山東礦業(yè)學院和遼寧工程技術大學等單位也先后研制出了自己的礦井通風防塵可視化軟件。

3.2 礦井防塵系統(tǒng)可視化軟件主要有以下幾種：

1）利用專用繪圖軟件(如：AutoCAD)進行礦井防塵系統(tǒng)圖形繪制，利用計算機管理整個礦井防塵系統(tǒng)的圖形，其主要缺點是很難查到和礦井防塵系統(tǒng)相關屬性數(shù)據(jù)，一旦礦井防塵系統(tǒng)發(fā)生改變，數(shù)據(jù)需要修改，工作量大，容易出錯，與監(jiān)控系統(tǒng)集成后運行效率較低；很難保持數(shù)據(jù)和圖形的一致性，且容易出錯。

2）利用現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)平臺進行礦井通風系統(tǒng)可視化。地理信息系統(tǒng)對實體的位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行管理，圖形開發(fā)效率較高，但地理信息系統(tǒng)提供的決策支持和分析功能對于礦井防塵系統(tǒng)沒有意義，礦井防塵系統(tǒng)附屬功能需進一步研制和開發(fā)。

3）利用現(xiàn)有的成熟的軟件開發(fā)語言、及在此基礎上開發(fā)的圖形控件、結合現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)靈活且高效的防塵可視化系統(tǒng)。其主要優(yōu)點是圖形開發(fā)效率高、圖形易于修改、管理人員不需要專業(yè)計算機知識。

3.3 實時動態(tài)監(jiān)控

我國監(jiān)測監(jiān)控技術目前主要有：KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等監(jiān)控系統(tǒng)，在我國煤礦已大量使用。實踐表明，安全監(jiān)控系統(tǒng)為煤礦安全生產和管理起到了十分重要的作用。隨著電子技術、計算機軟硬件技術的迅猛發(fā)展和企業(yè)自身發(fā)展的需要，國內各主要科研單位和生產廠家又相繼推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等監(jiān)控系統(tǒng)，以及MSNM、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網絡監(jiān)測管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)由早期的地面單微機監(jiān)測監(jiān)控已發(fā)展成為網絡化監(jiān)測監(jiān)控以及不同監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網監(jiān)測。其主要由監(jiān)測終端、監(jiān)控中心站、通信接口裝置、井下分站、傳感器組成。結構如圖1所示。

圖1 可視化監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

利用現(xiàn)有的各種編程技術結合計算機網絡，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時訪問、動態(tài)監(jiān)控，系統(tǒng)以任意無級縮小或無級放大圖形的形式達到圖形和數(shù)據(jù)的無縫集成和瀏覽；提供完備的安全監(jiān)測與安全信息管理功能；實現(xiàn)了通風系統(tǒng)圖及防塵系統(tǒng)圖的動態(tài)瀏覽；安全信息的網上公開（公司內部、礦務局內部）。

結語

目前國內外煤礦主要采取通風除塵、煤層注水、噴霧降塵、除塵器除塵、泡沫除塵等各種技術，如何根據(jù)煤礦煤層特點，研究高效的綜合防塵技術措施，對于降低工作環(huán)境粉塵濃度、改善采煤工人的作業(yè)環(huán)境、保障工人的身體健康具有重大的現(xiàn)實意義。

可視化技術的運用，可使井上工作人員實時監(jiān)控井下生產情況，明確了解井下各處的煤塵濃度，發(fā)現(xiàn)煤塵濃度超限時可及時提醒井下進行防塵工作，統(tǒng)一調度各處防塵措施的使用，使煤礦防塵工作更加直觀、簡便并具有針對性。