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煤矿的空气粉尘检测的创新技术

煤矿的空气粉尘检测技术的创新论文

指导老师

团队成员：

专业：

11级环境工程

（1）班

院系：

土木与环境工程学院

完成时间：

2013.05.04

目录

摘　要I

AbstractI

一、立题背景与意义1

（1）煤矿空气粉尘的危害1

（2）煤矿空气粉尘的来源1

（3）现有的检测技术分析1

（4）创新技术的意义2

二、研究内容3

（1）定义3

（2）实验原理3

（3）实验器材与试剂4

（4）实验步骤5

三、创新技术的创新点与解决的关键问题6

（1）创新点6

（2）解决的关键问题7

四、结语7

参考文献7

煤矿的空气粉尘检测的创新技术

摘要：

煤矿中含有大量的粉尘是煤工尘肺的唯一病因，提供一个有效环保的检测方法对于降低尘肺发病率和生产性粉尘的控制有着十分重要的意义。

本课题对煤矿矿井中粉尘的来源及其危害进行研究，并对原有的滤膜测尘法和焦磷酸质量法进行改进，主要利用不同孔径的氯乙烯纤维滤膜的阻尘性不同来检测煤矿中粉尘的浓度和分散度，并运用改进的焦磷酸质量法测定煤矿粉尘中游离二氧化硅含量。

此改进方法缩短了试验时间和减少实验误差，并使数据分析更为便捷，从而给安全管理带来便捷。

关键字：

煤矿粉尘检测方法二氧化硅安全管理

Abstract：

Coalcontainsalargeamountofdustisthesolecauseofcoalworker'spneumoconiosis,Providingamethodfordetectinganeffectiveenvironmentalprotectionhasaveryimportantsignificanceforthecontroltoreducetheincidenceofpneumoconiosisanddustproduction.Thetopicresearchoriginandharmofdustcoalmine,andtheoriginalmembranewasimproveddustandpyrophosphatequalitymethod，mainlyusingdifferentresistancedustofdifferentapertureofvinylchloridefiberfiltertodetecttheconcentrationofcoalminedustanddispersion,andthedeterminationoffreesilicacontentincoalminedustpyrophosphatequalityinto.Thisimprovedmethodcanshortenthetesttimeandreducetheexperimentalerror,andmakethedataanalysismoreconvenient,soastobringconveniencesafetymanagement.

Keywords:

CoalminedustTestmethodSilicondioxide

Securityadministration

一、立题背景与意义

（1）煤矿空气粉尘的危害

呼吸性粉尘是煤炭生产过程中产生的粉尘中的一部分，工人长期在高煤尘浓度的环境中作业，吸入呼吸性煤尘可引起尘肺，严重危害着煤矿工人的身体健康。

如果人体肺部长期吸入大量的粉尘，就可能患尘肺病。

吸入游离的二氧化硅（SiO2）含量较高的粉尘引起的尘肺病是矽肺病。

我国矿山企业累计已发生尘肺病近七十余万例，死亡人数突破二十余万，居各类职业病之首，国营煤矿每年尘肺病死亡人数已大大超过工伤死亡人数，目前每年新增尘肺病上万例，而且呈上升趋势，每年造成的直接经济损失上百亿元，矿山职业病安全问题已成为我国一大社会公害，严重制约着我国采矿工业的健康发展，矿山事故和职业病已造成家庭、社会的问题，也直接影响到社会的安定。

我们团队为了评价工作场所粉尘的危害、加强防尘措施的科学管理、保护劳动者的身体健康，需对作业场所空气中的粉尘进行检测。

作业场所

空气中粉尘的检测，包括以下三个：

作业场所总粉尘浓度、呼吸性粉尘浓度测定、粉尘中游离二氧化硅含量测定、粉尘分散度测定。

（2）煤矿空气粉尘的来源

在煤矿的生产作业过程中，如机采、综采、炮采、回采、锚喷、装运、选煤等工序，均可产生大量的粉尘。

（3）现有的检测技术分析

粉尘浓度的测定有滤膜测尘系统、光散射测尘仪、β射线测尘仪、压电天平测尘仪。

滤膜测尘系统的原理是抽取一定体积的尘气，将粉尘阻留在已知质量的滤膜上，由采样后滤膜的增量和抽气体积，求出单位体积空气中粉尘的质量。

滤膜测尘系统因使用设备简单，易于操作而普遍采用。

光散射测尘仪的原理是给暗室里的浮游粉尘照射光时，在粉尘物理性质一定的条件下，粉尘的散射光强度正比于粉尘的质量浓度。

将散射光强度转换成脉冲计数即可测出粉尘的相对质量浓度，通过预置K值，便可直接显示粉尘质量浓度。

β射线测尘仪的原理是β射线穿过待测物质后，其强度衰减程度与被穿透物质的质量有关。

当仪器按规定流量抽取尘气，尘气通过带状滤纸过滤，使粉尘阻留到该滤纸上，通过测定清洁滤带（未采尘）和采尘滤带（已采尘）透过滤纸的β射线强度，便能间接测出附在滤纸上的粉尘质量浓度。

压电天平测尘仪的原理是英压电晶体有一定的振荡频率，当石英晶体表面沉积有一定量的粉尘粒子时，就会改变其振荡频率，根据频率的变化得出相对粉尘浓度。

然而，第一种方法在需要大流量采样以及滤料阻力与管路阻力较大的情况下，依靠自带电源不能较长时间稳定工作；后三种方法的进度较高，但因仪器昂贵、操作条件要求高等原因，在基层很少应用。

粉尘分散度的测定有滤膜溶解涂片法与自然沉降法，其中测定粉尘颗粒直径主要方法有计数法和计重法。

其中滤膜溶解涂片法的实验原理是将采有粉尘的滤膜溶于乙酸丁酯中，搅拌均匀，制成粉尘标本，在显微镜下计数测量。

自然沉降法的实验原理是将尘气采集于沉降器内，使尘粒自然沉降在盖玻片上制备标本，在显微镜下计测。

由于计数法测定粉尘颗粒直径需要在显微镜下计数测量，不仅需要高倍的显微镜，而且耗时长。

粉尘中游离二氧化硅含量的测定有焦磷酸质量法与仪器法，其中仪器法有X射线衍射法和红外光谱法。

焦磷酸质量法的原理是采集的尘样中硅酸盐溶于加热的焦磷酸，而石英几乎不溶，过滤后在坩埚中灼烧，所剩余质量减去坩埚质量即石英质量，以质量法测定粉尘中游离二氧化硅含量。

焦磷酸质量法因设备简单，易于操作而普遍使用，但该方法存在操作步骤繁琐、耗时长和误差不易控制等问题。

X射线衍射法的原理是当X线照射结晶物质时，该物质产生X线衍射，在一定条件下，衍射线的强度与被照射结晶物质的质量成正比，利用这一原理进行游离二氧化硅的定量分折。

红外光谱法的原理是α石英在红外光谱中于12.5μm、12.8μm及14.4μm处出现特异性强的吸收带，在一定范围内其吸光度值与α石英质量或线性关系。

由于这两种方法的仪器昂贵、操作条件要求高等原因，仪器法很少在基层使用。

（4）创新技术的意义

随着经济的飞速发展和国家政策的一系列变化，各地煤矿企业面临极大的考验。

其中人们对生活标准和工作环境的要求越来越高，所以要提高整个矿井的工作效率，激发矿工的工作积极性和主动性是煤矿管理工作中的重中之重，因此改善煤矿井下的工作环境和提高井下工作的安全度是当务之急。

安全检测技术，它是现代化设备必不可少的一项基础的综合技术，其理论现已较成熟。

各式各样的检测设备已被研制和开发，各种层次的检测技术知识被研究出来。

但相比之下，关于煤矿生产方面的检测设备和检测技术相对落后。

有些检测设备虽然达到要求，也能使用，但由于设计于实验室而对现场考虑欠周，从而使其对环境要求过高，令工作人员为提高产量和进度极有可能忽视它或不从根本上应用它，使检测设备失去其安全防护意义。

现阶段，用于煤矿生产的安全检测设备相对较少，开发此类产品的单位和开发人员不足，规模较小，这大大影响了该类产品的价格和性能。

同时，这些设备的使用和数据分析需要一定的专业水平，不利于普通工人的了解和使用它，安全管理带来一定的困难。

所以在煤矿这一特殊的行业，对安全检测技术的创新是重要的。

通过对现有的技术进行创新，将创新技术更好更符合的应用于煤矿的生产安全，以期望能够保障工作人员的人生安全，减少粉尘对人员的危害，同时尽力为保护环境而做好检测工作。

二、研究内容

（1）定义

粉尘浓度：

单位体积空气中含有粉尘的质量。

粉尘分散度：

指物质被粉碎的程度，以大小不同的粉尘粒子的百分比组成表示。

游离二氧化硅：

岩石或矿物中没有同金属或金属氧化物结合的二氧化硅。

（2）实验原理

利用仪器收集一定体积的尘气，将粉尘阻留在已知质量不同孔径的滤膜上，由采样后总的滤膜的增量和抽气体积，求出单位体积空气中粉尘的质量，再按0.22μm、2μm、5μm，10μm的滤膜的增量分档进行记录，并求其质量百分比（%）。

采集的尘样中硅酸盐溶于加热的焦磷酸，而石英几乎不溶，过滤后在坩埚中灼烧，所剩余质量减去坩埚质量即石英质量，以质量法测定粉尘中游离二氧化硅含量。

粉尘总浓度的计算：

C=

[M-（M1+M2+M3+M4）+m1]/V

呼吸性粉尘浓度的计算：

C=[m2-（M3+M4）]/V

式中：

C—粉尘浓度，mg/m3；M1~M4—采样前滤膜依次的质量，mg；M—采样后总滤膜质量，mg；V--收集尘气的体积，等于重力沉降盒的体积；m1--重力沉降盒的增量；m2--采样后第三第四个膜的质量。

粉尘分散度的计算（质量分散度）：

百分数（%）=（采样后滤膜的增量/采样前滤膜的质量）×100%

粒径μm

≤2

2～

5～

≥10

总计

质量（mg）

百分数（%）

图一

粉尘中游离二氧化硅含量按下式计算：

式中：

SiO2（F）—游离二氧化硅含量，%；m1—坩埚质量，g；m2—坩埚加沉渣质量，g；G—粉尘样品质量，g；

（3）实验器材与试剂

1.采样器：

如图二，重力沉降盒既是采集尘气的容器，又是沉降的地方；小型鼓风机用于输送气体；后部为方形管道，内部有滤膜夹。

2.滤膜：

采用过氯乙烯纤维滤膜（特点：

阻尘率高>99%、阻力小、质量轻、荷电性和增水性强）。

3.干燥器：

盛有变色硅胶。

4.分析天平：

（感量不低于0.0001g）。

5.铝箔加工成的带盖盒子。

6.锥形烧瓶（50ml），量筒（25ml），烧杯（200-400ml），玻璃漏斗和漏斗架，温度计（0-360℃），电炉（可调）高温电炉（带温度控制器），瓷坩埚或铂坩埚（25ml带盖），坩埚钳或铂尖坩锅钳，烘箱，定量滤纸（慢速），PH试纸，分析天平（感量为0.0001g）。

7.试剂:

焦磷酸（将85%磷酸加热到沸腾，至250℃不冒气泡为止，冷却、放试剂瓶中备用），氢氟酸，结晶硝酸铵，盐酸。

图二

（4）实验步骤

1.测尘点的选择：

应选择在接尘人员经常活动的范围内，且粉尘分布较均匀处的呼吸带。

在风流影响时，一般应选择在作业地点的下风侧或回风侧。

2.滤膜的准备：

用镊子取下过氯乙烯纤维滤膜两面的夹衬纸，按孔径由大到小置于天平上称量，记录初始质量，然后依次将滤膜装入滤膜夹，确认滤膜无褶皱或裂隙后，放入带编号的样品盒里备用。

3.采样器的架设：

取出准备好的滤膜夹，装入采样器中拧紧，采样时，滤膜的受尘面应迎向含尘气流。

4.采样:

将采样器置于采样点，打开顶盖。

然后关上顶盖，静置一会。

最后打开鼓风机，输送气体。

5.采样后样品的处理：

采样结束后，依次将滤膜从滤膜夹上取下，一般情况下，不需干燥处理。

如果采样的现场的相对湿度在90％以上或有水雾存在时，应将滤膜放在干燥器内干燥二小时后，将滤膜折叠放入铝箔盒里（防止滤膜的静电作用吸附灰尘），然后放在天平上称量。

注意不要把四种孔径的滤膜混淆。

6.称量后再放入干燥器中干燥30分钟，再次称量。

当相邻两次的质量差不超过0.1mg时，取其最小值。

7.将所有孔径的滤膜放入恒量的坩埚中，在80℃烘箱中烘干，再放在电炉上低温碳化。

记录质量后，放入50ml锥形烧瓶中。

用焦磷酸洗入锥形烧瓶中，粉尘中含有硫化矿物（如黄铁矿、黄铜矿、辉钼矿等）加数mg结晶硝酸铵。

取15ml焦磷酸，放入烧瓶中摇动使样品湿润。

放在可调电炉上迅速加热到245～250℃保持15分钟，不断搅拌。

加水稀释到40～50ml。

将内容物倒入烧杯中，加蒸馏水稀释至100～150ml搅均。

放在电炉上煮沸内容物，趁热用无灰滤纸过滤。

（滤液中有结晶时，需加纸浆）。

用0.1N盐酸将滤纸上的沉渣冲洗3～5次，再用热蒸馏水洗至无酸性反应。

（用PH试纸检验）。

将滤纸折叠数次，放在恒重的瓷坩埚中，在80℃的烘箱中烘干，在电炉上低温灰化（加盖稍留一小缝）。

再放高温电炉（800～900℃）中灼烧30min，冷却至室温，称至恒定。

三、创新技术的创新点与解决的关键问题

（1）创新点

1.通过简单仪器恒容收集粉尘气体，不用计算体积。

2.使用四种孔径的滤膜，将粉尘颗粒分离，简化实验操作过程。

3.通过各滤膜的质量增量直接算出粉尘分散度，增加了检测的准确度和减少分散度检测的时间。

4.将滤膜折叠放入铝箔盒里防止滤膜的静电作用吸附灰尘，减小了实验误差。

5.滤膜放入恒量的坩埚中，在80℃烘箱中烘干，再放在电炉上低温碳化。

此步骤省去再次收集粉尘样本且无需将样本研磨到手捻有滑感。

6.此方法过程明确，依次检测出浓度、分散度、游离二氧化硅含量，缩短了整个检测的时间，并且仪器的使用和数据分析简单方便，有利于普通工人的了解和使用它，给安全管理带来方便。

（2）解决的关键问题

通过技术的创新，优化检测技术，包括减小误差、缩短检测时间，增加检测的准确度。

通过简单有效的检测作业场所总粉尘浓度、工班个体和定点呼吸性粉尘浓度、粉尘中游离二氧化硅含量、粉尘分散度，保障煤矿工作人员的安全，降低人员工人长期在高煤尘浓度的环境中作业而吸入呼吸性煤尘引起的尘肺危害。

四、结语

为了更好的响应社会的发展，更好的保护工人的身体健康，减少人体因吸入粉尘而患上尘肺病，我们创新研究刻不容缓。

我国作为一个发展中国家，经济体制还比较落后，在“安全第一，预防为主”的方针下，有许多地方和矿山企业还未得到真正落实，重视度不够，不能正确认识健康与生产，健康与效益的关系。

工人一旦患病，当今的医学水平还很难完全治愈。

因此，我们必须有更好更有效率更经济的检测措施和方法，加强对矿产企业的管理。

环境污染问题已经严重威胁到人类的生命，大气粉尘污染就是其中之一，地球母亲再也承受不起人类的蹂躏。

我们不能将如今的快乐建立在未来的痛苦之上，是我们的后代失去了美丽的家园，保护环境，人人有责。

参考文献

【1】王广军.高光发.浅谈煤矿安全检测技术的应用现状及发展趋势.江苏煤炭.2003.第4期

【2】李凤苏.影响粉尘中游离二氧化硅含量测定的主要因素及改进.中国卫生检验杂志.2008.9月18卷第9期

【3】张宁《对玻璃纤维和过氯乙烯滤膜使用中几个问题的探讨》

【4】孟现柱《粉尘检测》讲义

【5】肖红《煤矿职业卫生现场检测规范》

【6】赵松江.文元明.提出利用红外光谱法检测粉尘中游离二氧化硅含量.吉林省电力科学研究院.吉林长春.130021

【7】韩小红.粉尘中游离二氧化硅.山西兴新安全生产技术服务中心.山西太原.030002