粉尘动态发散规律与防治对策

张 飞

(国能神东煤炭集团有限责任公司教育培训中心，陕西 榆林 719315)

0 引言

粉尘灾害作为煤矿五大灾害之一，严重威胁着煤矿的安全生产。近年来，虽然由粉尘引发的燃烧、爆炸事故较少发生，但因粉尘而导致的尘肺病、矽肺病等职业病例却呈明显的增长趋势，严重威胁着煤矿职工的身体健康和生命安全。如何采取有效的防尘措施，保护工人的身体健康，维护职工的合法权益，是矿山企业和行业主管部门面临的一大课题。因此，研究粉尘动态发散规律，采取相应的防治对策是非常必要的。

1 粉尘的来源

粉尘主要来源于采掘活动，巷道风力作用以及一些零星的矿务工程也能导致矿井空气中粉尘浓度的增大。由粉尘引发的职业病与煤矿事故死亡人数如图1所示。

图1 煤矿职业病报告病例与煤矿事故死亡人数曲线Fig.1 Curve between reported cases of coal mine occupational diseases and deaths in coal mine accidents

1.1 采掘活动

随着煤矿的机械化程度越来越高，机械设备在煤炭采掘过程中发挥着越来越重要的作用。连续不断的采掘活动，导致巷道中粉尘浓度持续增大。特别是在工作面遇到坚硬的岩石时，岩体难以破落，与机器截割部分长时间研磨，能够产生大量的粉尘，浓度高时能够达到1 000～2 000 mg/m3。

1.2 矿务工程

矿务工程一般比较分散，产尘量不大，不易引起重视，从而逐渐对作业人员造成较大伤害。支护过程中使用煤电钻或风钻打眼，巷道起底、清渣、掏槽等，都会产生煤尘；构筑密闭、挡风墙时使用水泥，则会产生一些水泥粉尘。

1.3 二次扬尘

由于系统配风不合理，导致在巷道配风较低时，粉尘容易沉积，一旦通风系统发生改变，很容易引起二次扬尘；而巷道风速过高时，部分沉积在巷道中的粉尘，受到风力的作用，又会重新悬浮到巷道空气中。此外，煤机采动、炸药爆破、辅助运输等活动，也会造成沉积的粉尘重新悬浮到空气中。

2 粉尘动态发散规律

不同的地点，粉尘动态发散规律不一样。产尘较大的生产现场，粉尘发散距离较远，产尘较小的其他巷道，粉尘发散距离较近。根据现场检测的数据，研究人员初步总结出井下主要生产作业地点的粉尘动态发散规律如下。

2.1 综采工作面

综采工作面的粉尘主要来源于煤机采煤过程中的破煤、落煤、装煤、运煤等工序，推移支架的过程中也会产生大量的粉尘。根据所采取的综合防尘措施，综采工作面粉尘的发散规律如图2所示。

图2 综采工作面粉尘动态发散规律Fig.2 Dynamic dispersion law of dust in fully mechanized mining face

煤机截割煤壁时，产尘量较大，在全风压风流的作用下，在煤机后方形成第1个浓度峰值，这个峰值基本位于采煤机机身后方3～5 m处，推移支架时，大量的粉尘叠加在采煤机逐渐衰减的粉尘中，又形成第2个峰值，这个峰值基本位于正在推移支架的后方3～5 m处。

经过架间喷雾的作用以及回风巷道中的防尘滤网的过滤后，综采工作面的粉尘浓度迅速下降，巷道空气中的粉尘浓度慢慢接近渐进极值，达到一个比较稳定的状态。

2.2 掘进工作面

掘进工作面的粉尘主要来源于掘进巷道、支护作业时产生的粉尘。根据所采取的综合防尘措施，生产过程中掘进工作面粉尘动态发散规律如图3所示。

图3 掘进工作面粉尘动态发散规律Fig.3 Dynamic dispersion law of dust in tunneling face

掘进机掘进巷道时，产尘量较大，局部通风机供给的新鲜风流将粉尘吹散，形成第1个浓度峰值，这个峰值基本位于掘进机机身范围内。随着大颗粒粉尘的迅速沉降以及破碎滚筒的作用，很快又形成第2个浓度峰值，这个峰值基本位于破碎机后方1～2 m处。

经过工作面后方的防尘滤网后，粉尘浓度迅速下降，巷道空气中的粉尘浓度慢慢接近渐进极值，达到一个比较稳定的状态。

2.3 皮带搭接处

皮带搭接处的粉尘主要来源于煤块破碎、掉落形成的粉尘飞扬、扩散以及细微煤粒、沉降的粉尘在动能、势能的作用下形成的二次扬尘。其发散规律如图4所示。

图4 皮带搭接处粉尘动态发散规律Fig.4 Dynamic dispersion law of dust at belt lap joint

皮带运转时，煤块从一部皮带运转至另一部皮带，往往会产生大量的粉尘。粉尘浓度的峰值一般位于皮带搭接处2 m范围内。而皮带搭接处设置的喷雾，喷出大量的水汽附着在粉尘上，让粉尘湿润，增加粉尘的重量，使粉尘迅速沉降。粉尘浓度的渐进极值往往处于皮带搭接后方10～15 m处。

2.4 回风巷道

回风巷道的主要粉尘来源包括采掘活动回风流粉尘、矿务工程施工产生的粉尘以及风力作用下的二次扬尘。其发散规律如图5所示。

图5 回风巷道粉尘动态发散规律Fig.5 Dynamic dispersion law of dust in return air roadway

回风巷道的粉尘浓度较为稳定，不同来源的粉尘在较大风力的作用下，叠加效果不是很强，微小的粉尘亲水性较差，在喷雾的作用下粉尘浓度降低得也不明显。粉尘浓度的渐进极值往往处于降尘喷雾后30～50 m。

3 粉尘防治对策

通过对粉尘发散动态规律的分析研究，当前粉尘防治工作的重点是如何把粉尘的总体浓度降低，如何缩短粉尘渐进极值的发散距离。对此，研究人员提出了强化源头治理，推进过程管控，突出环境达标，严抓个体防护的粉尘防治思路。具体通过以下防尘措施来实现。

3.1 制定措施

完善管理制度：成立了专门的综合防尘领导小组，以矿长为主要负责人，总工程师为分管领导的综合防尘管理机构，全面负责矿井综合防尘管理工作。组织机构成员按职责层层把关，分区域包片管理，形成了“齐抓共管，全员参与”的长效化管理机制，做到综合防尘工作无死角、无遗漏。

加强监督考核：领导小组定期、不定期开展作业现场综合防尘情况的检查，重点检查作业场所防尘装备设施使用、维护情况，降尘效果及个体防护用品的佩戴，对于检查出的问题，形成隐患整改清单，定期复查。

3.2 通风系统

合理配置风量：工作面风量配置过小，煤机截割时产生的大量粉尘发散较慢，甚至在工作面形成较多积尘，不利于粉尘的排出；而风量配置过大，则会引起部分沉积的粉尘二次扬起，增加了巷道中粉尘的浓度。研究证明，综采工作面配置的最优排尘风速为1.5～2.5 m/s。巷道风速在此区间时，既能实现迅速排尘，又能有效减少二次扬尘。

利用设备调节风量：对于掘进巷道，在风机处设置分风器装置，当巷道掘进较短时，利用分风器对工作面风量进行调节，通过合理的风量配置，有效地消除空气中的部分浮尘；使用长压短抽除尘的工作面，可以在压入式风机的风筒出风口处设置旋流器，在向工作面正常供风的情况下，确保除尘风机完全发挥作用，工作面的粉尘不会被压入的风流带出。

3.3 调整工艺

确保设备达标：采煤机必须安装内外喷雾装置，其中内喷雾工作压力不得小于2 MPa，外喷雾工作压力不得小于4 MPa。实际工作中，有些煤机不是缺少喷雾就是工作压力达不到要求，或是喷头堵塞，雾化效果差，对于这类问题要及时整改，确保喷雾降尘效果。

优化进刀方式：粉尘的产生与巷道掘进高度、煤层回采高度、煤炭性质都有着直接的联系。通过对粉尘悬浮规律的研究，得出高度越高产尘量越大，矸石越多产尘量越大的结论。因此，在截割过程中，提倡上部推进慢，下部推进快，遇到岩石、夹矸浅进慢推的截割方式，能够有效减少粉尘的产生。

调整生产工艺：在回采煤炭时，对于厚度变窄的煤层，应合理调整采高，尽量避免割顶割底，减少岩尘的产生。对于构造带或冲刷带较长的工作面，应根据情况，重开切眼，实行跳采，避免大量割岩。对于孔隙率大于4%的煤层，可采取煤层注泡沫或注水的方式，减少开采时产生的粉尘。

3.4 机械除尘

综采工作面：对于综采工作面采煤机割煤产生的粉尘，推移支架时产生的粉尘，可利用高压喷雾系统或者虹吸式喷雾除尘系统进行除尘，细化的水雾对粉尘形成包裹，让粉尘更快沉降，缩短了粉尘的发散距离；在回风流安设带喷雾捕尘网，能够有效地降低粉尘浓度。

掘进工作面：对于掘进工作面配置干式或湿式除尘风机，采用“长压短抽”的通风除尘方式，能够极大地降低粉尘浓度，特别是在掘进迎头采用挡帘，对工作面实行封闭作业时，降尘率一般会达到70%甚至更高。但使用的抽出式风筒必须为金属骨架风筒或金属材质风筒，后配套设备使用联运系统时，实际应用效果更好。

胶带机转载点：对于胶带机转载点除了要进行封闭管理，减少二次扬尘和粉尘扩散外，还可结合使用喷雾进行降尘；另外，可配合使用小型除尘风机进行除尘，封闭的空间对于负压抽尘效果较好。

3.5 监控设备

人工测定：工作人员要定期对井下作业场所的全尘、呼尘、粉尘分散度、粉尘中游离二氧化硅含量进行测定。采用直读式粉尘浓度测定仪，能够快速、准确地测出待测地点的粉尘浓度，将粉尘测定结果公布在作业场所的醒目位置；采用采样检测时要及时出具检测报告，便于职工及时了解危害情况，采取适当的防护措施。

安设粉尘传感器：粉尘传感器能够融入煤矿安全监控系统，做到实时监测作业场所的粉尘浓度。无论是作业现场还是调度指挥中心，都能够随时了解作业场所粉尘浓度情况，一旦粉尘浓度超标，能够及时采取措施进行处理。对于产尘浓度较大的场所，特别是采掘工作面，高浓度的粉尘会对传感器造成较大的损害，进而导致粉尘浓度数值误差较大。因此，在传感器的选择上，应优先选择受粉尘影响较小的红外式传感器或激光式传感器。

3.6 降尘设施

目前，使用比较广泛的降尘设施为喷雾，喷雾按照开启形式分为手动喷雾和自动喷雾。在采掘工作面，应优先选择与生产设备联动开启的自动喷雾；在回风流巷道中，应安设捕尘网，并设置全断面喷雾。在喷头的选择上，宜选择雾化效果好、不易堵塞的喷头。生产过程中，应保持喷雾的持续开启，发挥喷雾的降尘作用。

此外，还有静电除尘、云雾抑尘等技术及相关设施，矿井单位应根据自身条件配备适宜的降尘设施。

3.7 冲洗巷道

按照巷道的使用性质进行分类，根据不同的分类确定巷道的冲洗频次。建立巷道冲洗台账，将巷道冲洗任务落实到个人，定期对巷道进行冲洗除尘。除人工冲洗巷道外，对于较长的大巷，也可安排洒水车配合冲洗巷道。及时清除巷道积尘，能够有效地避免粉尘事故和风力作用引起的二次扬尘。

3.8 个体防护

个体防护是粉尘防治的最后一道关口。在个体防尘设备的选用上，尽可能地使用防护性能更好的设备，特别是对于煤机司机、支护工这样接尘量较大的岗位，可采用主动送风的正压防尘口罩代替被动式的负压口罩。

此外，作业人员需进行定期体检，检查身体健康状况，用人单位需要为职工建立职业健康档案，实时监护职工的身体状况，一旦发现疑似尘肺情况，应及时调离岗位。

4 结论

通过对不同场所生产期间粉尘浓度的测定和分析，可以得出如下结论。

(1)在采掘工作面，粉尘浓度在随距离的推进过程中，会形成2次浓度高峰，在皮带搭接处和回风巷道中，粉尘浓度基本只会形成一次高峰，随着粉尘的进一步发散，粉尘浓度在场所后方逐渐达到一个平衡状态，即渐进极值及之后的距离。

(2)通过对粉尘动态发散规律的把握，能够采取更有针对性的措施，来缩短粉尘渐进极值的发散距离，降低粉尘浓度，净化矿井空气，从而打造低尘化矿井、无尘化矿井，进而保障煤矿职工的身体健康与生命安全，实现煤炭的绿色开采。