基于井下生态保护的煤矿职业健康防护理论与技术体系

顾大钊，李全生

(1.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室,北京 102209; 2.国家能源投资集团有限责任公司 科技部，北京 100011; 3.北京低碳清洁能源研究院，北京 102209)

职业健康是当今社会人类面临的一个严重问题，是工业化进程的产物。目前，我国已处于职业病高发和凸显期，患病及死亡人数均处世界首位。近20 a来，国家颁布一系列职业健康方面的法律法规，规范工业生产活动及保障从业人员身体健康，并逐年完善法规与技术，提供资金保障做好职业健康防护工作。为加强尘肺病预防控制和尘肺病患者救治救助工作，切实保障劳动者职业健康权益，2019年7月，国家卫生健康委等10部门联合制定了《尘肺病防治攻坚行动方案》，从总体要求、重点任务、保障措施方面对各省自治区、直辖市人民政府，国务院各部委、各直属机构进行通知安排。指出将煤矿、非煤矿山、冶金等行业作为重点专项治理领域。

煤炭是我国重要的基础能源，未来一定时期仍为我国主体能源[1]。我国煤炭以井工生产为主，在井下有限的作业空间内，规模化采掘产生大量煤尘、矽尘而引发的职业健康问题正成为制约煤炭行业可持续高质量发展的瓶颈。煤炭生产、运输、贮存等产尘途径的统计表明，无防尘措施时，综掘工作面粉尘质量浓度为1 000～1 500 mg/m3，个别硬岩工作面可达3 000 mg/m3，综采工作面的粉尘质量浓度可达2 500～3 000 mg/m3，其中呼吸性粉尘占比近40%[2]。

粉尘引起的尘肺病更加普遍，广泛存在于世界各主要产煤国[3-6]。2019年我国接尘工人超过2 000万人，其中煤矿有数百万接尘矿工;全国职业性尘肺病15 898例，其中煤工尘肺病人数占全国尘肺病患者总数的50%左右(2011年53.03%[7]，2012年51.25%[8]，2013年60.28%[9])，死亡率高达22.04%[10]，远超各类煤矿生产事故总死亡人数(2019年死亡316人)，尘肺病防治形势日趋严峻。如何实现煤炭开发与矿工职业健康保护相协调，是煤炭高质量发展面临的重大难题[11-14]。

为解决煤矿尘肺病问题，国内外学者在粉尘产生机理、扩散规律和抑制方法上进行了大量研究，尤其在粉尘防护装备方面进行了大量系统研发[15-18]。根据粉尘粒径分布及其沉降状态、风流速度与粉尘浓度关系、粉尘浓度沉降数学模型等，研制出一系列先进适用的粉尘防治技术及装备，促进了井下防尘技术发展，但现有防尘技术在成本和防护效果方面仍难以满足实际需求。主要技术难点在于，现有防护技术和工程措施难以有效地将粉尘浓度降至国家标准以内，导致个体防护用品成为煤矿粉尘防护的最后一道防线，但传统自吸过滤式口罩存在防护指数低、呼吸阻力高、容尘量低和密合性较差等缺陷，防护效果差;而主动送风过滤式防尘呼吸器存在耗电量大，有效佩戴时长短，呼吸器防护可靠性低，佩戴舒适性差等问题，导致口罩使用与工作时间难匹配，职工个体防护装备的开发也面临较大挑战。

代表我国煤炭现代化生产水平的神东矿区，在煤炭采掘与运输过程中同样面临高质量浓度粉尘危害问题。采掘区煤尘为主要尘源，在综采工作面采取了水幕净化风流、煤机内外喷雾降尘、支架间喷雾除尘、捕尘网捕尘等综合防尘措施[19-21]，均起到了积极的防护效果，但仍未从煤尘产生源头有效控制产尘量，针对这一问题，笔者提出了基于井下生态保护的煤矿职业健康防护理念，从煤矿职业健康防护源头出发，系统研究井下生态保护理论框架与关键技术，提出以煤炭开采源头减尘降尘规划布局为基础，研发粉尘分源防控关键技术，研制高效率个体防护技术装备，形成煤炭开采全生命周期防尘、减尘、降尘理论与技术体系，以期为井下生态环境改善提供技术支撑。

1 我国尘肺病发病现状

尘肺病是我国发病率最高、危害性最大的一种职业病。2010—2019年全国职业病统计(表1)表明，我国新增各类职业病总数为271 554人，其中尘肺病占全国职业病发病总人数的81.83%～89.66%;尘肺病发病年龄以36～55岁的青壮年为主，发病工龄主要分布在10～30 a[22-24]，该病具有隐匿性、流动性大、周期长、迟发等特点，一旦发病，即使避免与粉尘接触，肺部纤维化病变也不会停止，最终导致肺功能障碍，呼吸衰竭至死亡。

我国高粉尘危害领域主要集中在矿山、冶金、石油、化工、制造加工等行业。从业人员数量多和职业病防护意识淡薄是造成职业病逐年增多的主要原因。其中生产规模的扩大，使用人单位的劳动力需求也越来越多;从业人员主要是一些文化水平低、工作流动性大、缺乏法律意识与职业病防护意识的农民工。加上部分生产规模小、工艺落后、工作人员流动大、只追求经济效益的中小型企业，在无防护或简单防护下生产，是造成尘肺病患者增加的另一重要根源。目前农民工是我国职业病患者的重点群体。每年尘肺病发病数量与采矿业和制造业城镇单位就业人员数量呈正相关关系，由此说明采矿业和制造业是职业病防治，尤其是尘肺病防治的关键领域;政府干预可起到积极有效的防护效果，但无法杜绝尘肺病的发生，其有效控制还有赖于在粉尘的产生、扩散传播、接尘人员的吸入等环节的技术控制，任意环节的有效阻断均可起到显著效果。

表1 2010—2019年我国主要接尘城镇单位就业人员和主要职业病发病情况Table 1 Employed persons and major occupational diseases in China’s main dust-exposed cities and towns from 2010 to 2019

2 煤矿井下生态保护理念

2.1 煤矿井下生态的内涵

煤矿井下生态是煤矿井下安全生产与职工身体健康相协调的一种状态。由于煤炭开采活动改变了原始岩层的边界条件，引起煤层中瓦斯、CO等气体逸出、粉尘扩散、顶板下沉和垮落、上覆岩层和地表沉降、含水层或隔水层破坏，井下渗水、涌水或突水溃沙等，这些均是煤炭开采过程中人员与设备工作环境面临的主要生态问题。此外，煤炭生产过程中产生的粉尘、设备运行产生的尾气与有毒有害气体、生产过程中排放的乳化液及高盐水的水循环污染，以及高温高湿噪音等，均会对人员及设备造成严重危害[25]。

2.2 煤矿井下生态全生命周期保护理念

煤矿井下生态保护理念是以人员健康安全为目标，以开发前规划、开发中保护、开发后利用为内涵的煤矿井下生态全生命周期保护利用理念，如图1所示。为实践该理念，需要进一步推进煤炭无害化开采，提高井下作业场所空气质量，保证井下作业环境质量良好。

3 煤矿职业健康保护理论与技术体系

井下生态保护的目标是人员安全健康。煤矿井下生态保护涉及采矿工程、地质工程、环境工程和职业健康等各学科，是复杂的系统工程，煤矿井下粉尘防治与个体防护是煤矿职业健康保护的重点。经过在神东矿区多年的研究与工程实践，提出了基于井下生态保护的煤矿职业病防护理论框架和技术体系和基于煤矿井下粉尘的分源分级分类治理原则(图2)。

图1 煤矿井下生态全生命周期保护利用理念Fig.1 Concept of ecological protection and utilization in the whole life cycle of underground coal mines

图2 煤矿职业病防护的井下生态保护理论框架和技术体系Fig.2 Theoretical framework and technical system of ecological protection in coal mines

通过掌握粉尘产生机理与扩散规律，制定基于源头减尘、降尘的煤炭开采规划布局，研发基于源头减尘、降尘的煤炭开采工艺技术，研制基于开采全过程粉尘捕集与处理的降尘、减尘技术与装备，研制基于高压保护状态阻止粉尘侵入的封闭式、舒适型、轻型化的个体防护装备，实现煤炭采掘机转运等环节有效减尘降尘及个体有效防护。

4 煤矿井下生态保护关键技术

4.1 基于源头减尘降尘的煤炭开采布局

源头减尘降尘主要指在开采、掘进或其他井下施工过程中产生粉尘的区域降低粉尘产生量。途径有：① 产尘区总量的降低，如采掘巷道总数及总断面与长度的减少;② 采掘工作面单次产尘量的降低，这依赖于采掘技术与装备水平的提高。其中，基于源头减尘降尘的煤炭开采规划布局是实现无尘化矿井建设与生产的必然选择。

基于煤矿井下生态全生命周期保护利用理念，煤炭开采规划布局是在矿井开发前优化矿井选址和采掘布局，依据矿井煤层赋存条件和未来采煤沉陷地等情况，充分利用采煤沉陷区地形特征，根据未来采煤沉陷地综合利用情况确定工业广场位置，实现采煤沉陷地土地经济合理利用;依据煤矿地下水赋存情况以及煤层赋存情况，最大限度地减小煤矿开采对地下水以及地表生态的影响，确定井下巷道开拓布局和开采方法;依据煤岩物理性质、采煤掘进方法、开拓方式以及煤矿防尘要求，在保证煤矿安全生产的基础上，最大程度地减少采掘巷道的数量以减少产尘量，降低煤尘对井下作业人员的健康影响。

在开发过程中采取相应的技术措施，充分保护煤矿地下水与生态循环平衡、地表生态稳定，降低煤尘对井下作业人员的影响，避免煤尘爆炸，降低井下机械设备噪声，减少有毒有害气体对作业人员的伤害。

开发后，充分利用煤矿现有的井巷充分保护地下水，同时充分利用矿井水进行地表生态修复，充分利用采煤沉陷地进行景观再造、建设湿地公园以及建筑物，利用瓦斯气体发电，利用收集的矿井粉尘进行土壤改良等。

4.2 煤层高效注水增润技术

通过对煤层注水，使煤体润湿，可从源头上减少工作面采煤机割煤时浮尘的生成量，然而煤层注水必然会影响工作面回采，因此优化煤层注水与工作面回采工艺流程，需要研发高效煤层注水增润技术[26-27]。基于“水锲”疲劳损伤机理和采动应力变化特征[28-29]，研发的由脉冲式气动高压注水泵、脉冲调频器、变压溢流阀、信息动态采集器为主的煤层交变-脉冲注水减尘技术工艺及装备，可在短时间内实现煤层高效注水增润。

4.3 高效环保抑尘降尘剂

化学抑尘主要以润湿黏结粉尘为主，通过将抑尘剂添加到喷雾系统中，利用雾滴颗粒捕尘，完成有效降尘，是控制井下粉尘扩散最直接最有效的方法之一。利用天然有机高分子材料[30-32]，通过自由基聚合以及光协同催化等反应，制备出价格低廉、无毒无害、无二次污染的抑尘材料;借助现代化分析测试手段测定材料的抑尘性能，通过分子动力学模拟实现抑尘机理推演[33-35]，获得影响材料性能的主要因素并改进优化合成方法;对复合型抑尘材料[36-38]进行现场应用，并构建更为科学合理的评价指标体系。

4.4 干式高效过滤除尘技术

研究褶结构与滤料有效过滤面积内在关系，研发适用于煤矿井下狭小空间高浓度粉尘作业场所的褶式滤筒，针对分排脉冲清灰各滤筒之间清灰均匀性差的问题，构建喷吹管均匀性优化方法，研发高均匀性行喷脉冲清灰系统(图3)[39-40]。

图3 干式高效过滤除尘材料Fig.3 Dry high-efficiency filter dust removal material

4.5 采煤机配套一体化高效除尘技术

通过优化除尘装备安装位置及进、出风口布置方式，实现采煤工作面尘源粉尘高效捕集，同时研发高效、低阻、高容尘量的新型复合金属网滤料，优化除尘装备内设结构和高压雾化参数，实现含尘气流高效净化(图4)。

图4 采煤机配套一体化高效除尘Fig.4 Integrated and efficient dust removal for coal shearer

4.6 液压支架架间局部密闭隔尘技术

针对工作面移架过程中会产生大量粉尘的问题，研发液压支架架间局部密闭隔尘装置，该装置向采空区方向倾斜，便于顶板落煤通过自重下滑至支架后方采空区，同时前梁处安装的局部密闭隔尘装置垂向长度应满足支架前移相同距离的偏移量，进而实现液压支架移架产尘的源头减尘(图5)。

4.7 采煤机尘源自动跟踪喷雾降尘技术

根据现场支架型号、采高、距离、喷雾装置安装位置等进行喷雾装置的设计，选取合理的雾化角和有效射程以及抗风性能。一般将喷雾装置安装在支架前方顶梁上，根据安装位置、支架可利用预留孔进行安装组件的设计和定制。系统采用红外对射原理来识别采煤机位置，发射器安装于采煤机背面中部位置，并从采煤机上引出12 V直流电作为发射器供电电源(图6)。

图5 液压支架架间局部密闭隔尘装置示意Fig.5 Schematic diagram of local airtight dust isolation device between hydraulic supports

4.8 难密封尘源高效捕收技术

通过对转运、卸载等过程扬尘扩散规律的研究，揭示气流主导型粉尘逃逸机制[41-42]，研发风幕软密封与携尘气流适当衰减的协同收尘技术[43](图7)，解决难密封源粉尘逃逸的难题。

图6 采煤机尘源自动跟踪喷雾降尘系统组成示意Fig.6 Schematic diagram of the composition of the coal shearer dust source automatic tracking spray dust suppression system

图7 风幕软密封控尘系统Fig.7 Air curtain soft sealing dust control system

4.9 综掘机气液联动吸风喷雾降尘技术

基于“就地除尘、源头治理”原则，研究掘进机结构尺寸及工作面煤尘产生规律，秉承“不影响作业人员作业、质量轻、尺寸小、易安装、易操作、噪声低、防堵塞、不用电”等原则，开发有效覆盖掘进尘源的综掘机机载气液联动吸风喷雾技术，并优化了装置安装、布控等技术(图8)。

图8 截割尘源负压抽尘技术示意Fig.8 Theoretical framework and technical system of ecological protection in coal mines

5 高效率个体防护技术与装备

个体防护用品对保证煤矿工人健康安全至关重要。做好井下粉尘的个体防护，首先要引入以呼吸性粉尘为主的煤矿职业危害在线监测技术，将人员呼吸情况与监测点粉尘实时浓度数据相结合，有效评估个体累积接尘量，相关信息实时上传职业健康评价系统;其次，开展多种技术路线的个体防护装备研制，包括基于个体呼吸需求的智能送风技术、自带动力的压差型过滤式供风呼吸器，携带高压清洁瓶装空气的过滤式供风呼吸器等，保证工人吸入清洁的空气;最后，基于职业健康监控系统实时数据，充分利用粉尘分源防控技术，做到井下空间粉尘浓度控制与高效佩戴个体防护装备相互匹配。

5.1 个体粉尘质量浓度在线监测技术

研发基于锥形元件振荡质量天平原理的个体呼吸性粉尘监测仪，通过粉尘气样连续采集、称重、质量浓度测定与流态控制等，实现煤矿工人个体粉尘暴露浓度的实时在线监测。

5.2 个体动态呼吸流量实地实时监测技术

基于风流穿过滤网时压降与流速之间的二次函数关系，研究工人佩戴个体防尘呼吸器作业时的呼吸阻力可视化呼吸流量时变曲线，研发新型便携式个体呼吸监测仪[44](图9)，实地实时无干扰监测工人作业状态的呼吸流量。

图9 个体动态呼吸流量实地实时监测技术Fig.9 Field real-time monitoring technology of individual dynamic respiratory flow

5.3 个体呼吸流量仿真模拟技术

图10为仿人呼吸仪工作原理，该仪器主要由数据输入系统，内置控制系统以及电动传动缸3部分组成。通过数据输入系统导入呼吸特征参数，这些数据被传输至内置控制系统，继而被转换为电信号并发送给电动传动缸，电动传动缸接收信号并开启相应动作。电动传动杆前推模拟呼气过程，后拉模拟吸气过程，移动距离与潮气量相对应，移动频率则与呼吸频率相一致，通过电信号控制传动杆的移动方向、移动距离、移动频率以及移动速率可以模拟出人体呼吸流量。

图10 仿人呼吸仪工作原理Fig.10 Working principle diagram of human-like breathing apparatus

5.4 基于个体呼吸需求的智能送风技术

利用数码相机结合三维建模软件确定医护及病患样本组代表性头面尺寸，通过3D打印技术获取由透明柔性硅胶材料制成的黏弹性复式半面罩。在自制半面罩内置高精度微压传感器(100 Hz)对罩具内外压差进行实时监测，基于压差-空气流量关系曲线，压差被反算为流量进而转换为电信号，电信号被传输至罩具内置的伺服控制系统并开启滤盒内风扇的相应动作，研制基于呼吸需求自主调节供风量的高效舒适智能送风过滤式呼吸器。

5.5 个体防护装备研制

基于煤矿井下防尘扩散规律，研制集呼吸性粉尘在线监测、基于个体呼吸需求智能送风、自带动力的压差型过滤式供风呼吸器或携带高压清洁瓶装空气的过滤式供风呼吸器等为一体的轻量化、舒适型、智能型个体防护装置，为井下工人吸入清洁空气提供技术保障。

6 结 论

(1)从煤矿职业健康防护源头出发，系统分析了我国尘肺病发病成因以及治理现状，立足煤矿井下生态系统的平衡与稳定，提出了统筹煤矿建设-生产全周期的井下生态保护理念。

(2)基于开采源头减尘、降尘的煤矿开采规划布局及开采工艺技术，形成煤矿井下生态保护新模式，为降低井下粉尘含量、减少煤尘积聚、防止煤尘爆炸、改善井下作业环境提供了新思路。

(3)针对煤矿井下粉尘分源分区产尘及扩散特点，建立了煤矿井下生态保护关键技术体系，提出了基于优化开采布局和煤层注水增润的源头减尘关键技术和通过研制抑尘剂进行化学降尘的思路，通过装备研发实现了采煤工作面、掘进工作面、巷道等不同区域分区降尘。

(4)通过井下不同区域粉尘监测，获得井下不同区域接尘风险，借助井下工人个体呼吸流量实时监测，获得井下工人呼吸特性，研制舒适型、智能型个体防护装置，为井下工人吸入清洁空气提供技术保障。