煤礦粉塵的控制技術

1 粉塵控制技術
??????? 粉塵控制技術為該粉塵監控系統粉塵濃度超出限制范圍所實施的處理措施提供了依據，同時也是煤礦安全生產的基本要求。根據工作場所空氣中煤塵游離二氧化硅含量的不同，煤礦粉塵濃度的職業接觸限制值也不相同。對矽塵含量小于10%的煤塵，總塵的時間加權平均容許濃度為4mg/m3 ，短時間接觸容許濃度為6mg/m3；呼吸性粉塵時間加權平均容許濃度為5mg/m3，短時間接觸容許濃度為3.5 mg/m3，這是煤礦作業面粉塵濃度的最低要求。上述時間加權平均容許濃度（PC-TWA）是指以時間為權數規定的8h工作班的平均容許接觸水平，長期反復接觸該粉塵濃度幾乎所有工人不發生有害健康效應。短時間接觸容許濃度（PC-STEL）指一個工作日內，任何一次接觸不得超過（以15min時間加權平均濃度表示）的容許接觸水平，短時間接觸容許濃度不是一個獨立的接觸限值，而是時間加權平均容許濃度限值的一種補充。
??????? 1.1 防塵措施
??????? 在礦井采、掘、運系統的各生產工序中都產生粉塵，這些粉塵隨風流飛揚于作業空間和巷道中。對這些塵源必須采取有效的綜合防塵措施，即針對每一道生產工序和環節的塵源采取一項和多項防治措施，以減少粉塵的產生量，降低作業環境的粉塵濃度和防止工人吸入粉塵。
??????? 防塵措施主要是減少采掘作業時的粉塵發生量，是礦井塵害防治工作中最為積極有效的技術措施。防塵措施主要包括：改進采掘機械結構及其運行參數減塵、濕式鑿巖、水封爆破、添加水泡泥爆破、封閉塵源、捕塵罩以及預濕煤體減塵措施（如采空區或巷道灌水、煤層注水）等。防塵措施是以預防為主的治本性措施，應在作業之前考慮優先采用。按照礦井的防塵技術，可將防塵措施分為以下幾類：
??????? 1. 濕式作業方式包括濕式打眼、濕式鑿巖、水泡泥爆破、預濕煤體等。
??????? 1）濕式打眼就是在打眼工作中，將壓力水通過鑿巖機或煤電鉆送入鉆孔并充滿孔底，以濕潤、沖洗炮眼中的粉塵，使其變成塵漿流出炮眼。
??????? 2）濕式鑿巖是利用風鉆進行濕式鑿巖，是國內外巖巷掘進行之有效的基本防塵方法。濕式鑿巖有中心供水和旁側供水兩種供水方式。近年來，很多很多礦井對煤電鉆進行了改革，試制成功了濕式煤電鉆，已廣泛應用于煤巷、半煤巖巷以及一些采煤工作面。濕式煤電鉆具有良好的水密封性能，能有效地控制回采工作面的煤塵。
??????? 3）水泡泥是利用盛水的塑料袋代替炮泥充填于炮眼內，爆破時水袋破裂，在高溫高壓爆破波的作用下，大部分水被汽化，然后重新凝結成極細的霧滴，并與同時產生的粉塵相接觸，形成霧滴的凝結核或被霧滴所濕潤而起到防塵作用。水泡泥中若添加濕潤劑、黏塵劑等物質，可大大提高降塵效率。此外，德國等西方國家已開始應用化學材料代替水泡泥中的水，這些材料大多具有較好的膨脹性能，爆炸時的封堵效果和降塵效果更好。
??????? 4）預濕煤體防塵? 預濕煤體防塵主要是采用煤層注水的方法，即預先用水通過鉆孔和裂隙注入尚未開采的煤體，增加煤的水分，使煤體得到預先濕潤，降低煤體產生浮游粉塵的能力。多年的防塵實踐已證明，采煤工作面實施煤層注水是取得最佳防塵效果的根本措施。影響水在煤層中滲透的因素主要是煤的裂隙和空隙的狀態，以及與其有關的其他因素。煤層的透水性能與煤的裂隙發育程度、裂隙寬度及裂隙方向有密切關系。煤層的多孔程度用孔隙率來表示，即孔隙的總體積與煤的總體積的百分比。煙煤的透水性系數隨孔隙率的增大而增大。對褐煤來說，雖然孔隙率高，但透水性系數卻趨于零，因此，開采時常常不能注水。煤屬于疏水性物質，與水不甚親和。如果在水中添加濕潤劑（表面活性劑），水的表面張力就會降低，從而提高對煤層的濕潤能力及滲透系數。
??????? 煤層注水方式及其選擇要按照注水鉆孔的形式，煤層注水方式有長孔、短孔和深孔三種，各自的鉆孔地點、鉆孔長度及特點如表4所示；按照注水方式又可分為靜壓注水和動壓注水；按作用于注水鉆孔孔口的水壓大小分為三類：低壓注水（Ps＜5 MPa ~3.0MPa），中壓注水（Ps＝3.0 MPa ~15.0MPa），高壓注水（Ps＞10.0 MPa ~15.0MPa）。我國煤礦通常采用長鉆孔、中壓或低壓注水方法，其優點是采煤和注水作業互不干擾，注水時間可按需要增加，一次濕潤范圍大而均勻。
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??????? 表4 煤層注水方式種類
??????? 注水方式?鉆孔地點?鉆孔長度?特?? 點 ?
??????? 長鉆孔注水?工作面回風或運輸巷道?＞30 m?在原始應力區的煤層中注水?
??????? 短孔注水?工作面?＜6 m?在降低應力區的煤層注水，裂隙發育，透水性強，注水壓力低?
??????? 深孔注水?工作面?6 m ~20 m?在升高應力區的煤層中注水，裂隙不發育，透水性弱，注水壓力高?
??????? 5）采空區注水? 采空區灌水預先濕潤煤體防塵，是在采用下行陷落法分層開采厚煤層過程中，將水灌入上一分層的采空區內，水在自重及煤體孔隙的毛細管力作用下緩慢深入下一分層的煤體中，使煤體得到濕潤，減少下層開采時浮游粉塵的產生量。
??????? 改進采掘機械結構和運行的減塵措施? 研究表明，截齒越寬，壓固核越小，產塵量也越低。因此，從防塵角度出發，選擇合理的截齒幾何形狀，可以減小采掘時的壓固核。目前效果較好的是鎬形刀刃的粗截齒。采掘作業時，一般截深越大，采落的礦巖塊塊度越大，固壓核越小，產塵量也越小。截深主要取決于采掘機上的截齒數目，適當減少截齒數，可達到降塵的目的。此外，當采煤機的滾筒轉速與牽引速度適當匹配時，也可降低粉塵的生成量。對于摩擦與碾壓、沖擊與振動產塵，可通過定期更換截齒，按照規程安裝采掘機械等一般性措施加以緩解。
??????? 3. 干式鑿巖捕塵? 一般在缺水礦井使用，可分為兩種：一種是干式孔底捕塵，經過釬桿中心孔、風鉆機頭和連在機頭上的輸塵軟管，將炮眼內的粉塵抽到干式孔底中去；另一種是孔口干式捕塵，通過炮眼口的捕塵塞和連在捕塵塞上的抽塵管，把炮眼內的粉塵抽到一個濾塵袋中去，過濾后的干凈空氣回到巷道內。
??????? 4. 個體防護? 煤礦礦井各生產環節盡管采取了多項防塵措施，但也難以使各作業地點粉塵濃度達到衛生標準。此種情況下，特別是在強產塵源和個別不宜安裝防塵設備條件下作業的人員，必須佩戴個體防塵用具。在煤礦經常使用的個體防塵用具主要有：自吸過濾式防塵口罩；動力送風過濾式個體防塵用具；隔絕式壓風呼吸器。
??????? 1.2 除塵降塵措施
????????? 除塵降塵措施是礦井綜合控制粉塵的重要環節，現行的除塵降塵措施主要包括各產塵點的噴霧灑水，如采煤機上內外噴霧、放炮噴霧、支架噴霧、裝巖灑水及巷道凈化水幕等。這些除塵降塵措施為該粉塵監控系統粉塵濃度超出限制范圍所實施的處理措施提供了依據。
??????? 1. 濕式除塵技術? 濕式除塵技術是井下礦山應用最普遍的一種方法。一般作業場所的相對濕度達到65%以上就可以大大降低粉塵的濃度。水能濕潤粉塵，增加粉塵重力，并將細散的塵粒聚合為較大的塵粒，使浮沉加速沉降，落塵不易飛揚。濕式除塵方法設備簡單，使用方便，應用與維護費用低，降塵效果明顯。缺點是增加工作場所的濕度，惡化工作環境和可能影響煤炭的質量。
??????? 噴霧灑水是將壓力水通過噴霧器（噴嘴）在旋轉或沖擊作用下，使水流霧化成細散的水滴在空氣中。噴霧灑水的捕塵效果取決于霧體的分散度以及塵粒與水滴的相對速度。粗分散度霧體水滴大，水的數量少，塵粒與水滴相遇時，會因旋流而從水滴邊緣繞過，不被捕獲。過高分散度的霧體，水滴十分細小，容易汽化，捕塵效率也不高。一般水滴的直徑在10μm~15μm時，捕塵效果最好。水滴與塵粒的相對速度越大，二者碰撞時的動能也越大，有利于沖破水的表面張力而將塵粒捕獲。水質與粉塵的性質也影響噴霧降塵效果。若水的純凈度差，將使水的黏性增加，分散水滴粒度加大，降低捕塵效率。疏水性粉塵與水滴碰撞時，能產生反彈現象，即使碰撞也難以將其濕潤捕獲。塵粒表面吸附空氣形成氣膜或覆蓋油層時，也難被水濕潤。密度大的塵粒相對易于被水捕獲。噴霧灑水除塵簡單方便，被廣泛用于采掘機械切割、爆破、裝載、運輸等生產過程中，缺點是對微細塵粒捕集效率低。霧體的分散度、作用范圍和水滴運動速度，取決于噴霧器的構造、水壓和安裝位置。應根據不同生產過程中產生的粉塵分散度選用合適的噴霧器，得到較好的除塵效果。我國礦山井下常用的噴霧器，按其動力可分為水力和風水聯動（引射式）兩類。
??????? 物理化學降塵技術? 我國是從20世紀80年代開始試驗并推廣應用降塵劑等物理化學降塵技術的，目前已經井下進行實驗與應用的物理防塵方法主要有：水中添加降塵劑降塵，泡沫除塵，磁化水降塵及黏塵劑降塵等。