煤礦粉塵存在濃度大、粒徑小、游離二氧化硅含量高三大特點(diǎn)。井下粉塵濃度每立方米能超過1000毫克，粒徑5微米以下呼吸性粉塵占比超過30%。巖巷中，粉塵的游離二氧化硅含量普遍超過30%。煤礦粉塵防治難度較大。
游離二氧化硅是造成塵肺病的元兇。呼吸性粉塵進(jìn)入肺部后，游離二氧化硅引起肺部廣泛纖維化，肺會(huì)變得像石塊一樣堅(jiān)硬，逐漸失去呼吸功能?，F(xiàn)有的治療手段僅能減緩病情進(jìn)展，不能逆轉(zhuǎn)病程。因此，在掘進(jìn)工作面高效防治粉塵，對塵肺病預(yù)防至關(guān)重要。
此外，粉塵具有爆炸隱患，易引發(fā)安全事故；高濃度粉塵會(huì)引起操作人員視線受阻，能見度不足1米，產(chǎn)生安全隱患；煤礦粉塵還會(huì)引起電器件短路、機(jī)械件磨損，影響井下設(shè)備可靠性；影響基于光學(xué)、微波原理的傳感器性能，制約煤礦智能化快速發(fā)展。如今，高效治理煤礦粉塵已迫在眉睫。
源頭入手實(shí)現(xiàn)綜合治理
掘進(jìn)工作面粉塵治理涉及瓦斯治理、通風(fēng)安全等多方面，單一的粉塵治理措施無法保證治理效果，必須從粉塵產(chǎn)生源頭、擴(kuò)散路徑以及個(gè)體防護(hù)等多方面進(jìn)行綜合治理。
粉塵防治關(guān)鍵技術(shù)主要包括源頭減塵（截割產(chǎn)塵）、路徑降塵（噴霧/泡沫降塵）、路徑控塵（空氣幕控塵）、個(gè)體防塵（個(gè)體防護(hù)）和集中除塵（干/濕式除塵器除塵）。
在源頭減塵方面，一為優(yōu)化截割參數(shù)，減少粉塵含量。截齒在截割煤巖過程中，與煤巖接觸形成“密實(shí)核”。當(dāng)巖屑崩落時(shí)，“密實(shí)核”承受的壓力突然釋放，產(chǎn)生向四周飛濺的粉塵。因此，應(yīng)增加截割深度、優(yōu)化截齒位姿以減小“密實(shí)核”尺寸、優(yōu)化截割滾筒布局和截割工藝以減少巖石的過度破碎，從源頭上降低粉塵產(chǎn)生量。
二為水射流輔助截割，控制粉塵逃逸。在截齒與煤巖接觸點(diǎn)附近布置高壓水射流，在“密實(shí)核”承受的壓應(yīng)力釋放之前對其進(jìn)行潤濕、捕獲，從源頭上降低粉塵濃度。目前，由于密封承壓不足、鎬形截齒形態(tài)限制，水射流難以直接作用于“密實(shí)核”，技術(shù)更多處于實(shí)驗(yàn)室階段。
在路徑降塵方面，一為噴霧降塵。利用水滴的攔截作用，對流經(jīng)水滴附近的粉塵進(jìn)行捕集。通過改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)、提高噴霧壓力、加入壓縮空氣等手段降低水滴的直徑、提高水滴的霧化效果，能提高降塵率。噴霧降塵設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于所有礦井。
二為泡沫降塵。在噴霧降塵的基礎(chǔ)上，加入表面活性劑和壓縮空氣，形成泡沫捕集體，增大捕集體的表面積、改善捕集體表面的吸附性能，可使降塵率最高達(dá)95%。泡沫降塵適用于所有類型的瓦斯礦井。
在路徑控塵方面，一為負(fù)壓抽出式控塵。負(fù)壓抽出式通風(fēng)會(huì)在掘進(jìn)迎頭產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，巷道內(nèi)空氣在壓差作用下形成向掘進(jìn)迎頭逐漸推出的風(fēng)幕，使粉塵完全抑制在吸風(fēng)口和掘進(jìn)迎頭，最后由負(fù)壓風(fēng)筒定向排除，控塵效果較好。但這種方式無法滿足瓦斯排放要求，無法在瓦斯礦井使用。
二為附壁風(fēng)筒高效控塵。采用長壓短抽通風(fēng)方式，結(jié)合附壁風(fēng)筒實(shí)施控塵。附壁風(fēng)筒原理為將原壓入的軸向風(fēng)流改變?yōu)檠叵锏辣诘男D(zhuǎn)風(fēng)流。中國煤炭科工集團(tuán)相關(guān)團(tuán)隊(duì)立足煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，在模擬巷道內(nèi)對附壁風(fēng)筒的抽風(fēng)量、風(fēng)口位置、附壁風(fēng)筒開度等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，獲取了最佳的參數(shù)匹配關(guān)系。
在集中除塵方面，一為應(yīng)用濕式除塵器?；诙鄬咏饘俳z網(wǎng)的濕式除塵器，具有體積小、適應(yīng)巷道能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其對粒徑大于10微米粉塵的除塵效率達(dá)到99.4%。濕式除塵器核心元件“S”型水滴分離裝置，可實(shí)現(xiàn)對含泥水滴的完全脫除，保證除塵器出口的空氣干凈，避免二次污染。
二為應(yīng)用干式除塵器。干式除塵器不需要使用水，對呼吸性粉塵的過濾效果更好，適用于巖巷粉塵的治理。相關(guān)的覆膜濾料表面高效過濾技術(shù)，即在傳統(tǒng)濾料表面涂覆聚四氟乙烯溶液涂層，控制溶液揮發(fā)參數(shù)，在表面形成均勻分布的微納孔洞，達(dá)到粉塵過濾高效低阻的目的?？倝m過濾效率達(dá)99.998%，PM2.5過濾效果達(dá)96.58%。
干式除塵器自動(dòng)化運(yùn)行的關(guān)鍵元件氣動(dòng)式積分器，能夠完成對各個(gè)濾布模塊的定時(shí)自動(dòng)清灰，保證濾布處在高效低阻的過濾階段的除塵效果，降低除塵器運(yùn)行阻力。此外，還能實(shí)現(xiàn)在掘進(jìn)和檢修期間，不斷自動(dòng)清灰。
在個(gè)體防護(hù)方面，一為佩戴智能動(dòng)力送風(fēng)防塵口罩。作為保障呼吸質(zhì)量的最后一道屏障，傳統(tǒng)口罩一直存在呼吸阻力大、使用時(shí)間長、呼氣冷凝水多等難題。動(dòng)力送風(fēng)防塵口罩內(nèi)置小型風(fēng)機(jī)，將外界空氣經(jīng)過三次過濾后以正壓形式送入呼吸罩內(nèi)，改善呼吸質(zhì)量。
二為單兵呼吸健康防護(hù)系統(tǒng)。單兵呼吸健康防護(hù)系統(tǒng)包括便攜式智能過濾送風(fēng)、流程優(yōu)化的呼吸送風(fēng)以及智能聯(lián)網(wǎng)健康檢測三大系統(tǒng)。系統(tǒng)采用全面罩結(jié)構(gòu)形式，可實(shí)現(xiàn)對工作人員眼鼻耳的全面防護(hù)。
加快推廣快速掘進(jìn)粉塵控制技術(shù)
如今，中國煤炭科工集團(tuán)相關(guān)團(tuán)隊(duì)已研發(fā)出基于粉塵防治與人體健康的快掘技術(shù)。其應(yīng)用可使巷道掘進(jìn)速度提高3倍以上，暴露在掘進(jìn)巷道粉塵中的作業(yè)人員相應(yīng)減少2/3。隨著掘進(jìn)智能化的加速推進(jìn)，快掘系統(tǒng)作業(yè)人員將進(jìn)一步減少，職業(yè)健康水平會(huì)進(jìn)一步提高。
該技術(shù)主要包括低擾動(dòng)低粉塵截割滾筒及截割工藝、“三幕”控塵技術(shù)創(chuàng)新、高性能機(jī)載除塵器、大風(fēng)量除塵器受限空間移動(dòng)方式創(chuàng)新、干式錨鉆支護(hù)除塵系統(tǒng)等。
在低擾動(dòng)低粉塵截割滾筒及截割工藝方面，根據(jù)礦井巖石性質(zhì)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)低擾動(dòng)低粉塵截割滾筒個(gè)性化設(shè)計(jì)；在截割煤炭時(shí)，將截割深度延伸到50毫米以上，提高成塊率，減少粉塵產(chǎn)生；在截割巖石時(shí)，在滿足截割深度的情況下，采用掏槽進(jìn)刀的方式，將截割粉塵封閉。在滾筒與巖壁之間，減少供風(fēng)將其帶出的概率。
在“三幕”控塵技術(shù)創(chuàng)新上，第一道防線為截割頭外噴霧構(gòu)建的液態(tài)幕（由截割頭上的多組外噴霧組成），第二道防線為擋塵構(gòu)建的固態(tài)幕（由截割頭后方的擋塵簾組成），第三道防線為附壁風(fēng)筒構(gòu)建的空氣幕（由附壁風(fēng)筒產(chǎn)生的空氣幕組成）。團(tuán)隊(duì)在國家工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了“三幕”控塵技術(shù)試驗(yàn)，使巷道粉塵綜合除塵效率提高到95%以上。
在高性能機(jī)載除塵器方面，研制了與掘進(jìn)機(jī)、連采機(jī)、掘錨一體機(jī)等掘進(jìn)裝備集成的多種型號除塵器。
在大風(fēng)量除塵器受限空間移動(dòng)方式創(chuàng)新方面，根據(jù)巷道條件，開發(fā)了膠帶機(jī)機(jī)架、單軌吊以及履帶小車的多種除塵器移動(dòng)方式。
在干式錨鉆支護(hù)除塵系統(tǒng)方面，研發(fā)了由“空心鉆機(jī)—空心鉆桿—空心馬達(dá)—旋風(fēng)除塵器—負(fù)壓風(fēng)機(jī)”組成的干式鉆孔除塵系統(tǒng)，在保證高效鉆孔的基礎(chǔ)上，解決了人員在操作濕式錨桿過程中受水淋的困擾。
該技術(shù)在陜煤集團(tuán)檸條塔礦業(yè)公司井下得到應(yīng)用。該公司采用掘錨一體機(jī)+錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)后置濕式除塵器的配套方式，在截割半煤巖工況下，操作人員位置粉塵濃度大幅下降，保障了半煤巖掘錨同步作業(yè)。
超過130臺濕式除塵器在華陽集團(tuán)、淮北礦業(yè)集團(tuán)、山東能源兗礦能源、陜煤集團(tuán)等井下的快速掘進(jìn)系統(tǒng)中配套使用。巷道綜合除塵效率超過92%，除塵器后方的呼吸性粉塵濃度每立方米小于2毫克。
此外，在全巖巷道中，粉塵中粒徑5微米以下呼吸性粉塵占比超過30%，游離二氧化硅含量也較大，采用干式除塵器效果更佳。
快速掘進(jìn)粉塵控制技術(shù)發(fā)展方向
未來，快速掘進(jìn)粉塵控制有幾大發(fā)展方向，主要為除塵與巷道通風(fēng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一、通風(fēng)除塵系統(tǒng)智能化運(yùn)行、建立全礦粉塵智能監(jiān)控系統(tǒng)。
在除塵與巷道通風(fēng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一方面，考慮到除塵器實(shí)際使用效果遠(yuǎn)未到既定目標(biāo)，需要對礦方原有通風(fēng)工藝進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。需要根據(jù)礦井和巷道所屬的瓦斯等級，分類別建立基于掘進(jìn)面除塵效果的通風(fēng)規(guī)范。
第一等級為無瓦斯礦井或巷道：在嚴(yán)格掘進(jìn)迎頭瓦斯監(jiān)測的情況下，建議采用抽出式通風(fēng)規(guī)程，以保證除塵效果為主要目標(biāo)；第二等級為低、中級瓦斯礦井或巷道：在實(shí)現(xiàn)通風(fēng)、除塵智能協(xié)同控制的集成上，采用長壓短抽式+附壁風(fēng)筒的通風(fēng)除塵工藝，兼顧通風(fēng)安全和除塵效果；第三等級為高瓦斯、瓦斯突出礦井或巷道，以通風(fēng)安全為主要目標(biāo)，禁止采用除塵器除塵，而采用泡沫除塵。
在通風(fēng)除塵系統(tǒng)智能化運(yùn)行方面，建立掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速、供風(fēng)風(fēng)量、除塵器風(fēng)量以及粉塵濃度的實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)，全面識別掘進(jìn)工作面的空氣狀態(tài)。建立供風(fēng)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、附壁風(fēng)筒系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制策略，以通風(fēng)安全和粉塵濃度為綜合控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)工作面通風(fēng)除塵系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)。
在建立全礦粉塵智能監(jiān)控系統(tǒng)方面，研制個(gè)體佩戴的呼吸性粉塵在線監(jiān)測儀、固定崗位粉塵在線監(jiān)測儀，通過網(wǎng)絡(luò)將各點(diǎn)粉塵監(jiān)測數(shù)據(jù)集中監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)測粉塵濃度超標(biāo)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)除塵裝置或強(qiáng)制停止相關(guān)施工設(shè)備。研制風(fēng)筒自動(dòng)延伸、拆接、吊掛裝置，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。結(jié)合納米纖維在過濾方面的優(yōu)勢，將其引入煤礦用口罩及干式除塵器的研發(fā)，進(jìn)一步降低過濾阻力，解決個(gè)體防護(hù)口罩的呼氣冷凝水問題。
煤礦工作環(huán)境特殊，粉塵防治任重道遠(yuǎn)。產(chǎn)學(xué)研用應(yīng)緊密結(jié)合，產(chǎn)出更多成果，為井下作業(yè)人員打造良好的工作環(huán)境。
來源：中國煤炭報(bào)
