让矿工在百米井下呼吸新鲜空气—— “井下空气质量革命”的红柳林实践

文/李 波

雾滴与尘粒实验系统平台建设已完成，液压支架负压卷吸除尘器已投入使用，同心旋流湿式除尘风机、径向控风装置研制与实验已完成，3种矿工专用洗护用品研发已完成，6套呼吸用品方案设计已完成，井下空气质量在线监测与智能预警平台投入使用……陕煤集团红柳林矿业公司“井下空气质量革命”示范矿井建设成绩斐然，矿工在百米井下呼吸到新鲜空气正逐渐变为现实。

产学研用一体，填补行业空白

在煤炭行业，关于“井下空气质量革命”这一领域的研究尚属空白。出发点在哪里？关键痛点在哪里？如何从根本上解决矿井空气污染问题？红柳林矿业公司以打造首个“井下空气质量革命”示范矿井的实践，为行业提供了方案。

红柳林矿业公司智能化程度高、生产速度快，井下割煤、掘进、转载、运输等过程产尘量大，井下粉尘积聚，井下空气环境质量低，影响职工健康。“以前我们虽然采取了一系列综合防尘措施，但都没能从根本上解决问题。”红柳林矿业公司生产技术中心负责人坦言，井下采掘面现有的防尘技术措施较为单一，采用全断面喷雾、安装净化水幕等措施治标不治本。

2020年6月，红柳林矿业公司与安徽理工大学袁亮院士团队共同成立项目团队，开展“井下空气质量革命”课题研究。项目成立之后，袁亮院士团队联合西安交通大学、中国矿业大学、华中科技大学、山东科技大学、煤炭开采国家工程技术研究院5家科研院所，到公司展开调研。

“关键要解决井下粉尘、燃油车辆尾气等空气污染问题，建立有效的煤矿粉尘、燃油车辆尾气等职业有害因素的识别与防治体系。通过搭建平台，实现井下空气质量在线监测和智能预警，提高空气净化水平，真正让职工在井下也能呼吸到新鲜空气。”红柳林矿业公司党委副书记、总经理常波峰表示。

“以25210智能化综采工作面为例，采煤机区域粉尘浓度占比超过50%，液压支架行人侧粉尘浓度占比约为24.4%，回风巷区域粉尘浓度占比约为6.79%。”安徽理工大学唐明云教授介绍，矿井粉尘高效防控的难点在于矿井空气污染问题复杂，缺乏针对性，没有形成分区域、分层级、分源头的空气净化体系，缺乏关键技术支撑。

在经历数次可行性论证的基础上，一份《陕北矿区煤矿空气净化与职业健康基础研究及关键技术装备与示范》项目实施方案应运而生。方案提出“井下受限空间污染物理化性质及分布运移基础研究”“采煤区域粉尘分源高效防控技术及装备”等6项课题攻关，从突破陕北矿区矿井空气污染物防控的理论瓶颈出发，研发空气污染物防控关键技术与装备。

抓住关键环节，提升技术支撑

“如果说布局优化矿井现有防尘装备设施是做加法，那么从矿井生产全要素环节出发，寻求关键技术突破就是做乘法，为井下空气净化赋予更强的动能。”谈及“井下空气质量革命”示范矿井建设，红柳林矿业公司总工程师苗彦平如此强调。

在红柳林矿业公司25211智能化综采工作面，液压支架工将粉尘数值录入系统，数据显示总尘降尘率达到了72.7%。据了解，该工作面安装40台液压支架负压卷吸除尘器，实际生产过程中，除尘效果明显。而之前采用的除尘装置总尘降尘率仅为42.7%。这样的装置将在几个综采工作面陆续得到应用。

“通过不同抽压比对通风除尘率影响实验，我们发现距离工作面9m时粉尘浓度大幅降低，随着抽压比增加，巷道不同位置除尘率均增大。”安徽理工大学薛生教授介绍，结合掘进工作面粉尘浓度分布及运移规律，通过实验研究，研制出首套巷道压抽风流智能除尘实验系统，实现了掘进面压风量的调配，同心旋流湿式风机等装备技术的应用将有效提升工作面空气净化水平。

截至2022年5月，在采煤、掘进区域粉尘分源高效防控技术及装备课题研究领域，红柳林矿业公司已先后完成润湿—凝聚复合型抑尘剂及其自动添加装置、截割尘源封闭式抑尘技术、巷道全断面雾幕捕尘技术等技术装备的研发。

对红柳林矿业公司而言，这还远远不够，继续加大攻关力度，其预期目标是建立1个典型矿井综采工作面的粉尘防治示范应用工程，采掘面总尘降尘率达90%以上，呼尘降尘率达到85%以上。

井下受限空间污染物理化性质及分布运移基础研究、燃油车辆排放物净化关键技术及装备等课题的研究也都取得了阶段性的进展。以25210智能化综采工作面为原型的受限空间多重尘源粉尘及车辆尾气运移物理模拟平台进入实施阶段；完成燃油车净化装置安装及初步性能测试，达到了180℃下CO转化率90%、HC转化率77%、碳烟吸光系数小于1.61，实现了尾气低温高效净化。

此外，红柳林矿业公司还对矿井燃油车尾气污染物尾气基础数据进行监测，构建完成了矿井粉尘及车辆尾气基础参数库。这对燃油车辆排放物净化起到了关键作用，能够及时获取尾气中CO、NO、NO2污染物在不同阶段的浓度极值，进而采取有针对性的防治措施。“经过分析测试，我们获取了汽车尾气碳烟、气态污染物生成机理，完成了碳烟高效催化剂的制备，为指导矿井燃油车最优运行、实现污染物的源头控制奠定了基础。”课研组负责人介绍道。

目前，该项目已完成《一种湿度及喷速可调矩阵式多粒径粉尘发生器》等11项国家发明专利、《煤矿井下输送带运输触控喷雾除尘技术》等5篇核心学术论文，获得《矿井燃油车组合优化系统》等2项软件著作权，为项目的深入开展提供了强有力的学术理论支撑。

找准制胜机理，砥砺探索前行

开展井下空气质量革命，归根到底在于改善作业环境，保障煤矿从业人员的职业健康。

“把职工健康放在首位，将观念从关注职工生命安全转变为关爱职工身体健康，全周期保障职工身体健康。”这是红柳林矿业公司党委书记、董事长张宏经常挂在嘴边的一句话。

2020年项目开展初期，红柳林矿业公司便已经完成了生产区队不同作业现场职业有害因素的识别，对1531名矿工职业健康情况进行了调研，开展早期健康指标筛选与预测预警研究。与此同时，课题组经过多次讨论，形成了3套适合不同粉尘和汽车尾气浓度的呼吸防护用品方案，并在职工内部推广试行。

“建立职业危害机理及健康保障体系，要深入研究及寻找新的煤肺发病机制，获得早期预防和治疗方案。”薛生教授指出。为此，课研组构建实验性煤工肺和矽肺小鼠模型，利用单细胞测序技术方法，经过30余次细胞动物实验，得到了煤尘诱导肺部炎症和纤维化的机制及维生素D干预治疗的效果和潜在机制。这一关键发现，可以有效预防粉尘暴露所致的肺部损伤。

智能化矿井建设也为职业健康研究、预测预防带来了新的发展机遇。“依托工业互联网平台搭建的井下空气质量在线监测与智能预警平台，完成了监测预警系统架构、数据库、设备管理、综合评价等主要功能模块设计，基于JEE开发平台，以SpringMVC作为后台框架，开发了监测与预警系统软件。”红柳林矿业公司智能化部负责人介绍，井下空气质量状况分析、数据监测实现了“一键直达”，这也是国内首个井下空气质量在线监测与智能预警平台。

中国工程院院士金智新等专家认为，该项目结合红柳林矿区等典型矿井工程实际，采用现场实测、实验室研究、物理模拟实验、数值模拟计算“四位一体”的科研方法，通过理、工、医学科融合，开展矿井空气净化与职业健康基础理论及关键技术装备研究与示范。这对提高井下空气质量、改善作业环境、保障煤矿从业人员职业健康具有重要意义。

长远来看，井下空气净化是一个持续推进、不断深化的过程。红柳林矿业公司所进行的“井下空气质量革命”，颠覆了以往矿井空气污染防治模式，应用新材料、新技术、新装备，形成了全矿井、闭环管理的煤矿空气净化体系和作业流程，一定程度上破解了煤矿井下空气污染物防治的难点，为煤炭行业提供了可供借鉴的经验模式。