我國(guó)煤礦綜放工作面粉塵治理技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

趙 凱，寧掌玄*，高 瑞，李文正，楊伯虎，吳季洪

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003）

貧油少氣富煤是我們國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)。煤炭開(kāi)采帶來(lái)的大氣污染、土地沙化、地表沉陷、水土流失等環(huán)境問(wèn)題備受社會(huì)各界關(guān)注。杜絕煤炭粗放型開(kāi)采，不斷推進(jìn)精準(zhǔn)開(kāi)采、智能開(kāi)采、綠色開(kāi)采是煤炭行業(yè)跨越轉(zhuǎn)型發(fā)展的必由之路[1]！

煤炭開(kāi)采中，粉塵的危害主要表現(xiàn)為以下四點(diǎn)：①造成塵肺病，嚴(yán)重影響工人健康；②遮擋工人視線(xiàn)，容易造成煤炭工人對(duì)機(jī)械的錯(cuò)誤操作；③長(zhǎng)期在粉塵環(huán)境下機(jī)械的壽命會(huì)受到嚴(yán)重影響；④一定濃度的粉塵會(huì)造成粉塵爆炸。

據(jù)國(guó)家衛(wèi)生健康委數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年全國(guó)報(bào)告職業(yè)病新增病例合計(jì)17 064 例，見(jiàn)表1。其中，職業(yè)性塵肺病及其它呼吸性疾病14 408 例，占比84.4%[2]。塵肺病發(fā)病是由粉塵引起的，治理煤礦粉塵是解決煤礦工人健康問(wèn)題和減少塵肺病發(fā)病率的必要手段，具有重大的社會(huì)價(jià)值。

表1 2020 年我國(guó)法定職業(yè)病患病人數(shù)統(tǒng)計(jì)

1 綜采放頂煤工作面防塵技術(shù)現(xiàn)狀

煤礦粉塵問(wèn)題是制約我國(guó)煤炭行業(yè)發(fā)展的重要因素，是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展面臨的難題之一[3]。目前我國(guó)在防塵技術(shù)上有很多研究：開(kāi)采前利用注水降塵技術(shù)從源頭上減少粉塵產(chǎn)生；開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)噴霧降塵技術(shù)、化學(xué)降塵技術(shù)、泡沫降塵技術(shù)等方式降低粉塵濃度[4]。但是目前綜采放頂煤工作面切眼處粉塵濃度依然很高，甚至可達(dá)8 000 mg/m3，這意味著傳統(tǒng)的防塵方法對(duì)粉塵治理效果不理想，所以許多企業(yè)都引入了大量的防塵技術(shù)與設(shè)備,如自動(dòng)噴霧降塵技術(shù)、中壓噴霧除塵技術(shù)、采煤機(jī)液壓支架隔塵簾技術(shù)、采煤機(jī)空氣幕隔塵技術(shù)等。目前綜放工作面粉塵防治主要采取了減塵、排塵、降塵、捕塵、個(gè)體防護(hù)五類(lèi)技術(shù)措施，具體情況如圖1。

圖1 綜放工作面采用的粉塵防治技術(shù)措施

2 粉塵檢測(cè)與防塵技術(shù)

目前，我國(guó)主要從粉塵濃度檢測(cè)、噴霧防塵、煤層注水、除塵器除塵、空氣幕隔塵等方面著手解決綜采工作面采煤運(yùn)煤過(guò)程中的粉塵問(wèn)題。

2.1 煤礦粉塵檢測(cè)

粉塵濃度是衡量井下空氣質(zhì)量及施工環(huán)境衛(wèi)生的關(guān)鍵指標(biāo)，粉塵濃度大小決定粉塵對(duì)機(jī)械設(shè)備及施工人員危害程度的高低，快速準(zhǔn)確檢測(cè)礦井粉塵濃度至關(guān)重要。目前我國(guó)礦井粉塵濃度檢測(cè)主要使用粉塵檢測(cè)器，該型粉塵采樣器主要由過(guò)濾器取樣頭、流量計(jì)、抽氣泵等組成。其原理是用該儀器吸取了工作面以及巷道附近的定量氣體后，當(dāng)氣體通過(guò)探測(cè)器上的濾網(wǎng)層時(shí)，空氣中所含的灰塵就會(huì)被過(guò)濾到濾膜上，通過(guò)取樣后的濾層質(zhì)量變化情況可以得出該點(diǎn)附近粉塵含量的高低程度。通過(guò)在采樣頭上加一前置預(yù)捕捉器就能采集非呼吸性粉塵，將對(duì)人類(lèi)危害的吸入性粉塵與非吸入性粉塵分離，提高了檢測(cè)質(zhì)量和效率。該檢測(cè)器在使用過(guò)程中有以下問(wèn)題：首先粉塵樣品在采樣頭取下時(shí)容易出現(xiàn)粉塵脫落或捕獲其它顆粒造成二次污染，這些會(huì)影響粉塵檢測(cè)的精度；其次濾膜需要在干燥器內(nèi)存放2 h 才能消除靜電，檢測(cè)效率較低。

2.2 噴霧防塵技術(shù)

噴霧防塵技術(shù)是用噴嘴將管道里的水以水霧的形式噴灑出來(lái)，從而達(dá)到降塵效果的一種方法，目前大部分煤礦企業(yè)都通過(guò)該方法來(lái)控制和降低粉塵含量[5]。將噴霧防塵技術(shù)與過(guò)濾設(shè)備和高壓噴霧設(shè)備相結(jié)合，能更高效的控制粉塵濃度，保障采煤的正常進(jìn)行以及施工人員的安全。噴霧防塵技術(shù)是目前煤礦企業(yè)使用最普遍的技術(shù)之一，但是其降塵效果并不理想，綜放工作面這種粉塵濃度很大的場(chǎng)所難以將粉塵降到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)所要求水平，并且噴霧降塵噴頭易損壞，給煤礦生產(chǎn)帶來(lái)很大麻煩。

2.3 煤層注水防塵技術(shù)

采煤生產(chǎn)中煤塵的產(chǎn)生不可避免，在用噴霧除塵的方法的基礎(chǔ)上，從煤塵的產(chǎn)生過(guò)程中降低煤塵含量是防塵的一種方法，配合噴霧除塵技術(shù)能更好更有效降低井下粉塵含量。煤層注水防塵技術(shù)是礦上應(yīng)用廣泛的一種防塵技術(shù)，利用鉆孔將煤層潤(rùn)濕后，在煤層開(kāi)采表面涂水和活性劑，增加煤層開(kāi)采的含水率和濕潤(rùn)量，使得在采掘過(guò)程中可以減少細(xì)粉煤塵的形成，從根源上減少了空氣中煤塵的濃度。目前常用長(zhǎng)鉆孔方式注水[6]，極大提高了防塵工作的效率，改善了礦井高粉塵濃度的環(huán)境，為煤礦工人安全健康提供保障。長(zhǎng)鉆孔注水施工難度較高，后期維修方面難度也較大，在選擇注水防塵方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況來(lái)選擇最合適的防塵方法[7]。動(dòng)壓注水如圖2。

圖2 動(dòng)壓注水示意圖

2.4 除塵器防塵技術(shù)

該技術(shù)利用除塵滾筒吸收粉塵的方式降塵。除塵器一般安裝在采煤機(jī)內(nèi)部，用以改善礦井施工環(huán)境，提高開(kāi)采效率。除塵器設(shè)備多種多樣，可以應(yīng)用于不同除塵環(huán)境，比如外旋多層霧流罩封塵源式除塵設(shè)備就是廉價(jià)且除塵效果較好的一種除塵設(shè)備。不過(guò)目前國(guó)內(nèi)由于除塵器的類(lèi)型與功能還不夠齊全，創(chuàng)新能力不強(qiáng)，這也使得各種除塵裝置無(wú)法適應(yīng)不同環(huán)境的需要，一定程度限制了國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用。

2.5 空氣幕隔塵技術(shù)

空氣幕隔塵技術(shù)主要用于為采煤機(jī)司機(jī)隔離粉塵，其基本原理是利用條縫射流原理將粉塵隔斷，形成一道空氣墻，有效降低采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)的粉塵濃度[8]?？諝饽话惭b在采煤機(jī)機(jī)身上，將采煤機(jī)滾筒位置產(chǎn)生的煤塵沖向頂板，阻隔粉塵擴(kuò)散，達(dá)到控制粉塵運(yùn)移的目的，如圖3。

圖3 空氣幕隔塵示意圖

旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕隔塵技術(shù)是空氣幕隔塵技術(shù)的升級(jí)版，增加了一條隔塵垂簾，該垂簾與空氣幕平行，設(shè)置在靠近頂板處用于阻擋粉塵的流動(dòng)，控制粉塵的運(yùn)移[9]。垂簾位置如圖4。

圖4 旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕示意圖

采煤機(jī)機(jī)身上的窄縫以固定風(fēng)速射出氣體，形成一道氣流，該氣流攜帶粉塵沖向頂板，粉塵會(huì)分為兩路一邊沖向煤壁側(cè)得到控制，另一邊會(huì)沖向司機(jī)側(cè)，此時(shí)隔塵垂簾就會(huì)將其阻攔，并在垂簾、頂板、采煤機(jī)、底板作用下形成旋風(fēng)，即旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕，其卷吸效應(yīng)會(huì)為粉塵控制帶來(lái)更好的效果，增強(qiáng)其隔塵能力，粉塵在產(chǎn)塵區(qū)旋轉(zhuǎn)隨后被工作面風(fēng)場(chǎng)吹走達(dá)到預(yù)期目的。

3 煤礦綜放工作面防塵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)煤礦企業(yè)綜放工作面粉塵防治技術(shù)不斷發(fā)展，其機(jī)械化、自動(dòng)化水平也隨之增加，提高了煤礦開(kāi)采的產(chǎn)量和開(kāi)采效率。目前國(guó)內(nèi)綜采放頂煤工作面粉塵防治的主要途徑是控制粉塵的運(yùn)移，各大企業(yè)使用不同噴霧降塵技術(shù)相配合的辦法來(lái)降低粉塵濃度，調(diào)整水幕，防塵工藝也在不斷創(chuàng)新，這不但提高了煤礦企業(yè)自身工作效率，還能為我國(guó)煤礦開(kāi)采事業(yè)營(yíng)造一個(gè)更好的工作環(huán)境，保證工人的身體健康，為我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)提供發(fā)展動(dòng)力。

3.1 技術(shù)研究

3.1.1 特殊煤質(zhì)的煤層注水技術(shù)完善研究

煤層注水技術(shù)是煤礦防塵技術(shù)的關(guān)鍵一步，它可以在源頭上降低粉塵濃度。目前我國(guó)煤層注水技術(shù)還有待完善，對(duì)于滲透性、疏水性較低的煤層難以達(dá)到預(yù)期效果，所以需要針對(duì)該類(lèi)煤層的注水展開(kāi)研究。例如：在注水前為煤層增加裂隙，增大煤層孔隙率[10]；在水中添加濕潤(rùn)劑，提高疏水性難煤層的滲透效果；研究高壓水力增透技術(shù)，為水源提供更高動(dòng)力；研究瓦斯抽放與煤層注水耦合技術(shù)，有效提高煤層注水效果。

3.1.2 噴霧降塵系統(tǒng)科學(xué)化、自動(dòng)化研究

針對(duì)噴霧降塵技術(shù)現(xiàn)存缺點(diǎn)進(jìn)行完善，主要研究?jī)?nèi)容包括噴嘴的高效霧化設(shè)計(jì)、噴霧降塵劑研制、噴霧點(diǎn)布置方式研究以及自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)研究。

3.2 產(chǎn)品研發(fā)

3.2.1 智能粉塵傳感器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

智能化防塵技術(shù)的應(yīng)用離不開(kāi)一個(gè)高可靠性、高精度的傳感器，傳感器的發(fā)展一般會(huì)帶來(lái)智能控制的革新。智能粉塵傳感器需要對(duì)呼吸性粉塵實(shí)時(shí)檢測(cè)，需要向遠(yuǎn)距離傳輸、抗干擾、小型化、低功耗發(fā)展。

3.2.2 大風(fēng)量控塵、除塵設(shè)備研發(fā)

大風(fēng)量控塵、除塵設(shè)備的研發(fā)是我國(guó)粉塵防控的重要環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上可將風(fēng)幕控塵與除塵器除塵技術(shù)相結(jié)合，控制粉塵運(yùn)移與除塵相結(jié)合，研發(fā)一種更高效更清潔的除塵技術(shù)。

3.3 智能化體系

3.3.1 智能化防塵技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的不斷發(fā)展，給智慧礦山的發(fā)展帶來(lái)了技術(shù)基礎(chǔ)，煤礦粉塵防治同樣也會(huì)受到其影響。由于智慧礦山是一個(gè)整體化的概念，即煤炭開(kāi)采的各個(gè)環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)智能化，在機(jī)械設(shè)備智能化的同時(shí)，粉塵防治也必將走向智能化，所以煤礦粉塵防治技術(shù)的發(fā)展是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加智能化、無(wú)人化技術(shù)，為智慧礦山提供前提[11]，打造綠色、安全、高效的少人化無(wú)人化礦山。

3.3.2 煤礦粉塵危害預(yù)警系統(tǒng)的建立

煤礦粉塵危害預(yù)警系統(tǒng)的建立，有利于避免粉塵對(duì)人體的危害。該系統(tǒng)需要在煤礦粉塵檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)下塵肺病研究成果，參照呼吸性粉塵粒徑、質(zhì)量、濃度等參數(shù)科學(xué)的對(duì)塵肺病的防治與企業(yè)管理做出指導(dǎo)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色安全開(kāi)采具有重大意義。

3.4 管理方面

結(jié)合實(shí)際情況制定正確、先進(jìn)的粉塵濃度標(biāo)準(zhǔn)和員工操作規(guī)范。由于綜放工作面塵源多、濃度高，需要做好個(gè)人保護(hù)，合理佩戴防塵面罩、口罩和防塵礦帽，減少粉塵給身體帶來(lái)的危害。另外根據(jù)產(chǎn)塵的具體類(lèi)型，選擇合適的防塵技術(shù)手段，做到經(jīng)濟(jì)、高效的防塵。

4 結(jié)語(yǔ)

綜放工作面煤礦粉塵的防治需要考慮煤礦開(kāi)采的各個(gè)環(huán)節(jié)，而且要緊跟當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，只有選擇合適的防塵降塵方案，才能更有效的減少煤塵的出現(xiàn)，抑制煤塵的擴(kuò)散，減輕對(duì)礦工健康的影響以及對(duì)綜放工作面的污染，保證綜放工作面的安全高效生產(chǎn)。對(duì)于當(dāng)下國(guó)內(nèi)外防塵技術(shù)的引進(jìn)，要在借鑒中結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行創(chuàng)新和改動(dòng)，實(shí)事求是，加大粉塵治理技術(shù)的重視程度和資金投入，對(duì)綜放工作面粉塵防治工作進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并分析結(jié)果，為我國(guó)綜放工作面粉塵防治夯實(shí)基礎(chǔ)[12]。