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矿尘防治

第三章矿尘防治

矿尘是悬浮在矿井空气中的固体矿物微粒，对矿井的安全生产有着严重的影响。

世界各国在煤矿开采历史上所受到的煤尘危害是惨痛的。

本章在介绍矿尘基本概念和理论的基础上，重点介绍矿尘治理的基本技术、防治煤尘爆炸的技术和煤尘爆炸事故的处理方法。

第一节基本概念和理论概述

矿尘是指在矿山生产和建设过程中所产生的各种煤、岩微粒的总称。

在某些综采工作面割煤时，工作面煤尘浓度高达4000～8000mg/m3，有的甚至更高。

一、矿尘分类

1．按矿尘的存在状态划分

（1）浮游矿尘。

悬浮于矿内空气中的矿尘，简称浮尘。

（2）沉积矿尘。

从矿内空气中沉降下来的矿尘，简称落尘。

表2-1-1落尘变成浮尘风流的变化与矿尘粒度的关系

煤尘粒度／μm

75～105

35～75

10～35

吹扬风速／m·s-1

6.3

5.29

3.48

2．按矿尘的粒径组成范围划分

（1）全尘（总矿尘）。

各种粒径的矿尘之和。

对于煤尘，常指粒径为1mm以下的尘粒。

（2）呼吸性矿尘。

主要指粒径在5μm以下的微细尘粒，它能通过人体上呼吸道进入肺区，是导致尘肺病的病因，对人体危害甚大。

二、矿尘含量的计量指标

1．矿尘浓度

（1）质量法。

每立方米空气中所含浮尘的毫克数，单位为mg/m3。

（2）计数法。

每立方厘米空气中所含浮尘的颗粒数，单位为粒／cm3。

2．产尘强度

指生产过程中产生的矿尘量。

常用相对产尘强度即每采掘1t或1m3矿岩所产生的矿尘量来表示，单位为mg/t或mg/m3。

3．矿尘沉积量

指单位时间在巷道表面单位面积上所沉积的矿尘量，单位为g/m2·d。

这一指标用来表示巷道中沉积矿尘的强度，是确定岩粉撒布周期的重要依据。

5．矿尘的分散度

矿尘的分散度是指矿尘的整体组成中各种粒度的尘粒所占的百分比。

分散度有两种表示方法。

1）重量百分比。

用各种粒级尘粒的重量占总重量的百分数来表示，叫做重量分散度。

2）数量百分比。

用各种粒级尘粒的颗粒数占总颗粒数的百分数来表示，叫做数量分散度。

三、矿尘的特性

（一）矿尘的悬浮性

分散度高的尘粒可以较长时间在空气中悬浮，不易降落，这是微细矿尘的一种物理特性，叫悬浮性。

据实验，不同粒度的煤尘在静止的空气中从1m高处自由降落到底板所需的时间如表3-1-3。

煤尘粒度／μm

100

10

1

0.5

0.2

降落时间

2.6s

4.4min

7h

22h

92h

表3-1-3不同粒度的煤尘从lm高处自由降落到底板所需时间

（二）矿尘的成分

煤矿岩巷掘进，特别是在砂岩中掘进时，产生的矿尘中游离二氧化硅含量都比较高，一般为20～50％；煤尘中游离二氧化硅含量一般不超过5％；锚喷支护时，水泥矿尘中的二氧化硅主要为结合状态，危害性不大，但长期吸入水泥矿尘，能引起水泥尘肺、肺气肿等。

（三）矿尘的吸湿性

矿尘与空气中的水分结合的现象叫吸湿性或者叫湿润性。

各种矿尘可根据它与水分结合的程度分为亲水性和疏水性两类。

（四）矿尘的荷电性

尘粒由于在粉碎过程和在空气流动中摩擦而带有电荷，悬浮在空气中的矿尘亦可直接吸附空气中的离子而产生电荷

（五）矿尘的光学特性

矿尘的光学特性包括矿尘对光的反射、吸收和透光强度等性能。

在测尘技术中，常常用到这一特性。

四、矿尘灾害的形式

矿尘具有很大的危害性，表现在以下几个方面：

（1）污染工作场所，引起职业病。

轻者会患呼吸道炎症、皮肤病，重者会患尘肺病；

（2）某些矿尘（如煤尘、硫化尘）在一定条件下可以爆炸；

（3）加速机械磨损，缩短精密仪器使用寿命；

（4）降低工作场所能见度，增加工伤事故的发生。

（一）尘肺病

1．尘肺病的分类

（1）硅肺病（矽肺病）。

（2）煤硅肺病（煤矽肺）。

（3）煤肺病。

上述三种尘肺病中最危险的是硅肺病。

其发病工龄最短，一般在10年左右，病情发展快，危害严重。

煤肺病的发病工龄一般为20～30年，煤硅肺病介于两者之间但接近后者。

2．影响尘肺病的发病因素

（1）矿尘的成分。

（2）矿尘粒度及分散度。

。

（3）矿尘浓度。

。

（4）个体方面的因素。

（二）煤尘爆炸

1．煤尘爆炸的机理

煤尘爆炸是在高温或一定点火能的热源作用下，空气中氧气与煤尘急剧氧化的反应过程，是一种非常复杂的链式反应。

一般认为其爆炸机理及过程如下：

（1）煤本身是可燃物质，当它以粉末状态存在时，总表面积显著增加，吸氧和被氧化的能力大大增强，一旦遇见火源，氧化过程迅速展开；

（2）当温度达到300～400℃时，煤的干馏现象急剧增强，放出大量的可燃性气体，主要成分为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氢和1％左右的其它碳氢化合物；

（3）形成的可燃气体与空气混合在高温作用下吸收能量，在尘粒周围形成气体外壳，即活化中心，当活化中心的能量达到一定程度后，链反应过程开始，游离基迅速增加，发生了尘粒的闪燃；

（4）闪燃所形成的热量传递给周围的尘粒，并使之参与链反应，导致燃烧过程急剧地循环进行，当燃烧不断加剧使火焰速度达到每秒数百米后，煤尘的燃烧便在一定临界条件下跳跃式地转变为爆炸。

2.煤尘爆炸的条件

煤尘爆炸必须同时满足以下三个条件：

（1）煤尘的爆炸性。

（2）煤尘浓度。

表3-1-5我国对煤尘爆炸的实验结果

煤尘爆炸下限浓度

煤尘爆炸最强的浓度

煤尘爆炸上限浓度

45g/m3

300～400g/m3

1500～2000g/m3

（3）引起煤尘爆炸的热源。

3.煤尘爆炸的效应

（1）高温。

煤尘的爆炸是其激烈氧化的结果，因此，在爆炸时要释放出大量的热量，这个热量可以使爆源周围气体的温度上升到2300～2500℃。

这种高温是造成煤尘爆炸连续发生的重要条件。

（2）高压。

煤尘的爆炸使爆源周围气体的温度急剧上升，必然使气体的压力突然增大。

在矿井条件下煤尘爆炸的平均理论压力为736kPa。

许多国家曾分别在实验室和巷道中进行测定，其结果表明，爆炸压力随离开爆源的距离的延长而跳跃式的不断增大，爆炸在扩展过程中如果有障碍物阻拦或巷道的断面突然变化及巷道拐弯等，则爆炸压力将增加得更大。

（3）高速火焰。

在爆炸产生高温高压的同时，爆炸火焰以极快的速度向外传播。

一些国家利用实验巷道对其传播速度进行了测定，结果表明，可达1120m/s多米。

（4）冲击波。

煤尘爆炸同样形成冲击波，其传播速度比爆炸火焰传播得还要快，可达2340m/s，对矿井的破坏极大。

（5）生成大量的CO。

煤尘爆炸后生成大量的CO，其浓度可达2％～3％，有时甚至高达8％左右，这是造成矿工大量中毒伤亡的主要原因。

4.影响煤尘爆炸的因素

（1）煤的成分。

煤的组成除固定碳外还有挥发分、水分、灰分等，它们对煤尘的爆炸性起着不同的作用。

（2）煤尘浓度。

（3）煤尘粒度。

（4）矿井的瓦斯浓度。

第二节矿尘治理的基本技术

一、减尘技术。

减尘是指减少和抑制尘源产尘,从而减少井下空气中煤尘的浓度。

减尘一是减少产尘总量和产尘强度；二是减少呼吸性矿尘所占的比例。

它是防尘技术措施中最积极最有效的措施。

主要通过向煤岩体注水、湿式打眼、湿式作业等措施。

（一）煤层注水湿润煤体

煤层注水是在采煤和掘进之前，利用钻孔向煤层注入压力水，使水沿着煤层的层理、节理或裂隙向四周扩散并渗入到煤体中的微孔中去，增加煤的水分，使煤体和其内部的原生煤尘都得到预先润湿。

同时，使煤体的塑性增强。

以减少采掘时生成煤尘的数量。

这是防治煤尘的一项根本措施。

1．钻孔布置方式

煤层注水的方式有：

长钻孔注水、短钻孔注水、深孔注水和巷道钻孔注水等多种方式

（1）长钻孔。

（2）短钻孔。

（3）深孔。

（4）巷道钻孔。

2．封孔

封孔深度和封孔质量是煤层注水的重要环节。

封孔深度应超过沿巷道边缘煤体的卸压带宽度，一般不小于6m，当注水压力大于2.5MPa时，应大于6m乃至20m。

封孔方法有两种：

一种是水泥砂浆封孔，另一种是封孔器封孔。

3．注水

（1）注水方法。

一是利用矿井地面贮水池，通过井下供水管网实施静压注水；二是利用井下的水泵实施动压注水。

（2）注水压力。

注水压力的高低取决于煤层透水性的强弱和钻孔的注水速度。

通常，透水性强的煤层采用低压（小于3MPa）注水，透水性较弱的煤层采用中压（3～10MPa）注水，必要时可采用高压注水（大于10MPa）。

（3）注水速度（注水流量）

一般来说，小流量注水对煤层湿润效果最好，只要时间允许，就应采用小流量注水。

静压注水速度一般为0.001～0.027m3/（h·m），动压注水速度为0.002～0.24m3/（h·m）。

若静压注水速度太低，可在注水前进行孔内爆破，提高钻孔的透水能力，然后再进行注水。

（4）注水量

一般来说，中厚煤层的吨煤注水量为0.015～0.03m3/t；厚煤层为0.025～0.04m3/t。

机采工作面及水量流失率大的煤层取上限值，炮采工作面及水量流失率小或产量较小的煤层取下限值。

4.煤层注水效果

在实际注水中，常把在预定的湿润范围内煤壁出现均匀“出汗”（渗出水珠）的现象，作为判断煤体是否全面湿润的辅助方法。

煤层注水使煤体内的水分增加。

一般说来，当水分增加1％时，就可以收到降尘效果。

水分增加量越大，效果越好。

影响煤层注水效果的因素有如下几个方面：

（1）煤层注水的效果同煤层的裂隙及孔隙的发育程度有关。

（2）煤层的注水效果与煤层的埋藏深度和地压的集中程度有关，埋藏越深，地压越集中的地方，煤层的孔隙被压紧，透水性越差。

（二）采空区灌水

采空区灌水是在开采近距离煤层群的上组煤或采用分层法开采厚煤层时（包括急倾斜水平分层），利用往采空区灌水的方法，借以润湿下组煤和下分层煤体，防止开采时生成大量的煤尘。

灌水方式同黄泥灌浆。

（三）湿式作业

湿式作业是利用水或其它液体，使之与尘粒相接触而捕集矿尘的方法。

1.湿式凿岩、钻眼

该方法的实质是指在凿岩和打钻过程中，将压力水通过凿岩机、钻杆送入并充满孔底，以湿润、冲洗和排出产生的矿尘。

2.水封爆破和水炮泥

水封爆破和水炮泥都是由钻孔注水湿润煤体演变而来的，它是将注水和爆破联结起来，不仅起到消除炮烟和防尘作用，而且还提高了炸药的爆破效果。

（1）水封爆破。

水封爆破就是在工作面打好炮眼后，先注入压力不超过4.903×106Pa（50kg/cm2）的高压水，使之沿煤层节理、裂隙渗透，直到煤壁见水为止。

然后装入防水炸药，再将注水器插入炮眼进行水封，如图3-2-5所示。

（2）水炮泥。

水炮泥是用装水塑料袋填于炮眼内代替粘土使用。

它是借助炸药爆炸时产生的压力将水压入煤层的裂隙中而进行降尘的。

二、降低浮尘

一般采用喷雾洒水来降低浮尘。

喷雾洒水是将压力水通过喷雾器（又称喷嘴），在旋转及冲击的作用下，使水流雾化成细微的水滴喷射于空气中，用水湿润、冲洗初生或沉积于煤堆、岩堆、巷道周壁、支架等处的矿尘。

1.对产尘源喷雾洒水

（1）掘进机喷雾洒水

掘进机喷雾分内喷雾和外喷雾两种。

外喷雾多用于捕集空气中悬浮的矿尘，内喷雾则通过掘进机切割机构上的喷嘴向割落的煤岩处直接喷雾，在矿尘生成的瞬间将其抑制。

较好的内外喷雾系统可使空气中含尘量减少85％～95％。

（2）采煤机喷雾洒水

采煤机的喷雾系统分为内喷雾和外喷雾两种方式。

采用内喷雾时，水由安装在截割滚筒上的喷嘴直接向截齿的切割点喷射，可保证在滚筒转动时只向切割煤体的截齿供水，如图3-2-7所示，形成“湿式截割”。

（3）液压支架移架和放煤口放煤喷雾洒水

液压支架移架和放煤口放煤是综采放顶煤工作面仅次于采煤机割煤的两个主要产尘源。

采取有效的治理技术加以防治势在必行。

（4）转载点喷雾

转载点降尘的