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无锡市邦尧机械工程有限公司

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煤矿粉尘危害及其防治

2016年04月11日

摘 要:随着矿山、冶金、玻璃制造、陶瓷、耐火材料、建材等行业生产的大规模发展,粉尘的危害逐渐被人们认识:给生产带来不安全因素,如机械的磨损;煤、面粉等粉尘不仅引起的燃烧爆炸等,造成经济上的巨大损失;而且石英及含有游离二氧化硅的粉尘,使长期从事粉尘作业的工人可能发生尘肺病,严重损害健康,甚至丧失劳动能力或过早死亡。

近年来,我国工业的迅速发展造成了环境的恶化,粉尘也是引起环境问题的主要污染物。我国矿山企业四大职业危害(工伤死亡、粉尘、毒物、爆炸)中最严重者当属尘害。粉尘被工人吸入体内,在呼吸系统沉积到一定的剂量后,就会导致尘肺病的发生。尘肺病是危害广大从业人员健康的最严重的一种职业病,主要分布于煤炭、冶金、机械、建材、化工石油及轻工等行业。如何积极有效的防治尘肺病,是一项迫切需要解决的问题。

煤矿井下各作业点在生产过程中会产生大量粉尘。煤矿粉尘特有的性质决定了其具有很大的危害性:诱发职业病尘肺病;加速机械设备磨损,缩短精密仪器的使用寿命;甚至导致煤尘爆炸事故的发生。 由于我国接触煤矿粉尘的作业人员众多,煤矿粉尘的控制工作显得格外紧要。降低煤矿粉尘浓度和预防煤尘爆炸的各种工程技术方法和措施,以及对采掘方式的工程技术改进是控制粉尘危害的技术保障,煤矿的防治粉尘的措施分为三大类:防尘措施;除尘降尘措施;预防煤尘爆炸及限制爆炸扩大范围的措施。

关键词:煤矿粉尘;除尘降尘;粉尘控制;煤尘爆炸。

引  言

煤尘危害为煤矿五大自然灾害之一,一直是煤炭行业防治工作的重点。粉尘给煤矿工作人员和安全生产造成极大危害:一方面,粉尘污染的作业环境严重危害工人的身体健康,可引起肺部病变,造成尘肺病。据最新的资料表明,在我国实际的严重尘肺病患者有120万之多,占到全世界尘肺病患者的一半以上,每年因此死亡的人数超过4000人,每年由此引起的直接损失超过80亿元。而在所有因各种粉尘引起的尘肺病中,煤矿工人占到的比例最高。究其原因,除了经济能力、技术条件、卫生立法等方面的因素外,我国在粉尘监督监测体系和手段的完整性和科学性方面应进一步加强和提高。另一方面,粉尘浓度过高潜伏着爆炸的危险,悬浮的煤尘也是造成煤矿煤尘爆炸的主要原因之一。此外,高浓度粉尘还会加速机械设备磨损,缩短精密仪器的使用寿命。因此,监测作业场所粉尘浓度,控制煤矿粉尘的产生,对于确保从业人员生命健康、预防事故的发生尤为重要。 1煤矿粉尘及其危害

1.1 粉尘的概念 粉尘,也称”空气中的悬浮颗粒物”,指的就是在生产过程中产生的能较长时间悬浮于空气中的固体颗粒,其大小在100μm以下。

1.2 煤矿粉尘的产生及特性

1.2.1 生产性粉尘的产生及特性

1. 生产性粉尘的产生 在生产过程中产生和形成的、能较长时间在空气中悬浮的固体微粒被称为生产性粉尘。悬浮于空气中的粉尘称为浮尘,已沉落的粉尘称为积尘,我们检测和防治的重点就是浮尘。从胶体化学的观点来看,含有粉尘的空气是一种气溶胶,悬浮粉尘散布弥漫在空气中与空气混合,共同组成一个分散体系,分散介质是空气,分散相是悬浮在空气中的粉尘粒子。煤炭生产过程中伴随煤和岩石破碎而产生的煤矿粉尘是生产性粉尘的一种。其中,呼吸性粉尘是损害劳动者健康的重要职业性有害因素,可能引起多种职业性肺部疾病。 煤矿在生产、贮存、运输及巷道掘进等各个环节中都会向空气中排放大量的粉尘。尤其在风速较大的作业场所,粉尘排放量猛增,据资料统计,有的矿区排向空气的煤粉尘是煤炭产量的1.6%以上。 采煤工作面是煤矿产尘量最大的作业场所,其产尘量约占矿井产尘量的 60%左右。为了预防矿井瓦斯、煤尘爆炸等恶性事故的发生,改善矿井劳动卫生条件,采煤工作面是矿尘防治的重点。机采工作面在我国越来越普及,但产尘浓度也随之上升。采煤机割煤、支架移架、放煤口放煤及破碎机破煤是机采工作面的四大产尘源,产尘量分别约占60%、20%、10%和 10%左右。为了搞好采煤工作面的粉尘防治,有效降低其粉尘浓度,必须针对采煤工作面的尘源采取相应的治理措施,以达到对粉尘进行综合治理的目的。 综采放顶煤开采技术是20世纪90年代以来在我国大面积推广的比较先进的采煤方法,但工作面粉尘问题也引起较多关注。综采放顶煤工作面的产尘环节主要有采煤机落煤、放煤、移架、装煤和运煤五大工序。从微观方面分析,煤尘产生可分为摩擦、抛落和摩擦与抛落相结合等三种方式。 巷道掘进也是井下主要产尘源之一,在无任何防尘措施的情况下,对炮掘工作面、机掘工作面和巷道锚喷巷道维修的锚喷现场、煤炭装卸点等也都产生高浓度粉尘,尤其是煤炭装卸处的瞬时粉尘浓度有时高达数g/m3,有时甚至达到煤尘爆炸浓度界限。 此外,地面煤的装运、煤堆、矸石山等也都产生高浓度粉尘,使矿区周边空气环境受到严重的污染,对居民健康和植物都造成十分不利的影响。 煤矿生产过程产生粉尘一般都不伴有化学变化,因此漂浮于空气中粉尘的化学成分与其来源物料的化学成分基本相同。

2. 生产性粉尘的特性

1)按粉尘中游离二氧化硅含量分类 煤矿粉尘按其游离二氧化硅的含量分为矽尘与煤尘。根据我国“矽尘作业工人医疗预防措施实施办法”中规定,作压环境粉尘中游离二氧化硅含量在10%以上者称为矽尘,10%以下者称为非矽尘,在煤矿则为混合性煤尘。游离二氧化硅含量小于5%的粉尘又称为单纯煤尘。粉尘中游离二氧化硅的含量越高,引起尘肺病的程度越重,病情发展越快,危害也越大。

2)粉尘的分散度 分散度指物质被分散的程度,以粉尘粒径大小的数量或质量组成百分比构成比来表示,前者称粒子分散度,粒径小的颗粒越多,则分散度越高;后者称质量分散度,质量小的颗粒占总质量百分比越大,质量分散度越高。煤矿作业场所空气中较小颗粒粉尘含量较多时,其分散度越高,由于质量轻,在空气中悬浮时间较长,不易降落,被吸入肺的机会就愈多。同时粉尘的分散度愈高,单位体积总表面积越大,理化活性越高,易于与空气中的氧气发生反应而引起粉尘的自燃或爆炸。粉尘还可以吸附有毒气体,如一氧化碳、氮氧化物等,分散度愈高,吸附的量愈多,对人体危害也愈大。

3)粉尘的吸湿性 粉尘的吸湿性指粉尘对水的吸附。粉尘的吸湿性与粉尘的成分、结构有关,可分为亲水性粉尘与疏水性粉尘两大类。炭黑、煤粉尘均属于疏水性粉尘。另外,粉尘越细,比表面积增加,表面吸附能力随之增强,容易吸附空气而在尘粒表面形成气膜,降低了尘粒间的聚集及尘粒的吸湿性,更难于把尘粒从空气中捕捉分离出来。在除尘技术中,粉尘的吸湿性是选用除尘设备的主要依据之一。对于湿润性好的亲水性粉尘,可选用湿式除尘器。为了加强液体(水)对粉尘的浸润,往往要加入某些湿润剂,以减少固、液之间的表面张力,增加粉尘的亲水性,提高除尘效率。

4)煤尘的爆炸性 按照煤尘的爆炸性煤尘可以分为有爆炸性煤尘和无爆炸性煤尘。我国传统煤矿中90%矿井的煤尘具有爆炸性危险性。高分散度的煤炭粉尘具有爆炸性。煤的炭化程度越低,挥发分越高,煤尘的爆炸性就越强(见表2)。发生爆炸有两个条件:①粉尘在空气中有足够的浓度,在爆炸区域要求的浓度范围之内;②必须具有高温(明火、火花、放电)情况出现。一般煤尘爆炸的下限浓度为30mg/m3~50mg/m3,上限浓度为1000mg/m3~2000mg/m3,出于上下浓度之间的粉尘都具有爆炸危险性,其中爆炸力最强的浓度为300mg/m3~500mg/m3。

1.2.2 呼吸性粉尘的主要特点

呼吸性粉尘的一般含义是”能被吸入人体肺泡的粉尘”,否则为非呼吸性粉尘。其严格含义有不同表示方法(如作业场所呼吸性粉尘等),但其基本含义是用符合BMRC(British Medical Research Council )标准采样曲线的采样器在空气中采集到的粉尘颗粒。对呼吸性煤尘,在评价作业场所粉尘状况时,用符合BMRC曲线的采样器在作业场所采集到的游离二氧化硅小于10%,空气动力学直径小于7.07μm的粉尘称为呼吸性煤尘。

2007年发布的《煤矿安全规程》中将呼吸性粉尘定义为”能吸入人体肺泡区的浮尘”,我国有关文献中,一般将粒径小于5μm的粉尘视为呼吸性粉尘。呼吸性粉尘除具备一般粉尘的某些物理、化学性质外,尚有如下特点:

1. 沉降速度慢,在空气中悬浮时间长。在静止空气中的粉尘,根据其粒径的大小按一定规律沉降:通常粒径大于100μm的尘粒呈加速度沉降;1μm~100μm粒径的尘粒呈等速度沉降;粒径小于1μm的尘粒很难沉降,在空气中呈布朗运动。

2. 扩散系数较大,附着速度较快。尘粒的附着速度与扩散系数成比例。尘粒越小,其扩散系数越大,即扩散越快,因而向液滴或除尘滤料上附着的尘粒就越多。

3. 肉眼不可见,属显微粉尘。粒径大于10μm的粉尘肉眼才能看见,粒径为0.25μm~10μm的粉尘在光学显微镜下才可看见,粒径小于0.25μm的粉尘在电子显微镜下方能看见。

4. 能被吸入人体肺部并能在肺泡区沉积。 被吸入人体呼吸系统的粉尘,可通过粘液纤毛系统和肺泡巨噬细胞被清除。如果长期吸入高浓度呼吸性粉尘,则在肺泡区可产生一定量的粉尘沉积,随着沉积时间的增长,沉积量的增加,可使肺部发生病理改变,出现不同程度的弥漫性间质纤维化,进而造成尘肺病。

1.3 煤矿粉尘的危害

煤矿粉尘具有的这些特性决定了以下危害:严重危害工人身体健康,多数人易引起尘肺病等;易引起燃烧和爆炸;高浓度粉尘能加速机械磨损,缩短精密仪器的使用寿命。

1.3.1 主要健康危害

煤尘与其他粉尘一样主要通过呼吸道进入人体,其次是皮肤接触,部分粉尘溶于口腔唾液或粘附在食物上也能吞入消化道,后两者侵入?体的量较小。人体对粉尘的进入具有防御功能,呼吸道和肺部均有排除和清除粉尘的能力。只是长期大量吸入煤矿粉尘会破坏人体防御功能,使清除功能受损,而过量的煤矿粉尘沉积,导致人体损伤,形成各种疾病。

呼吸系统疾病 煤矿粉尘会直接或间接引起呼吸系统疾病主要包括以下几类:

1)尘肺

煤工尘肺是指煤矿各工种工人长期吸入作业场所生产性粉尘所引起的尘肺的总称。粉尘病变严重程度与体内潴留的粉尘数量有关,即存在接触反应关系,还同粉尘的组成成分有关。在煤矿开采过程中,由于工种不同,工人接触粉尘的性质也有差异,从而引起肺部弥漫性纤维化。尘肺病根据煤矿工人接触粉尘的性质可以认为有3种主要类型:

⑴ 煤肺。长期在单纯有煤尘的环境下作业的工人,他们接触的粉尘主要是煤尘。这类人员发生的尘肺在病理上有典型的煤尘纤维灶和灶周肺气肿,这类肺部病变称为煤肺。煤肺发病工龄多在20a~30a以上,病情进展缓慢,危害较轻。

⑵ 矽肺。长期在煤矿岩石掘进工作面作业的工人,他们接触的粉尘主要是含游离SiO2较高的岩尘。这类人员发生的尘肺在病理上除有组织纤维化外,还有典型的矽结节形成,属矽肺类型。病理上有典型的矽结节改变,发病工龄短,一般为10~15a。矽肺的发病率较高,病情发展较快,危害严重。

⑶ 煤矽肺。一般煤矿井下工人多数都在有煤尘产生和有岩尘产生的两种作业环境下工作过,他们接触的粉尘既有煤尘也有岩尘。所患的尘肺兼有煤肺和矽肺的病理改变特征,这类尘肺称煤矽肺。煤矽肺是我国煤工尘肺最常见的类型,发病工龄多在5a~20a左右,病情发展较快,危害严重。 现在的观点认为,无论从肺组织纤维化病变进展规律、流行病学和临床表现特点、病情发展及诊断原则等方面,都没有必要将煤矽肺与煤肺严加区别,故统称为煤工尘肺。煤工尘肺是煤矿最严重的职业病。与矽尘相比,煤尘致纤维化作用较弱,但由于煤是我国主要能源,采煤工人的数量居全国各类粉尘作业工人之首,因此实践中煤工尘肺的防治意义和重要性最为突出。

不同类型煤矿的煤工尘肺发病情况因开采方式不同有很大差异。露天煤矿工人的尘肺患病率低,井工开采工作面的粉尘浓度和粉尘分散度均高于露天煤矿,尘肺患病率和发病率均较高。我国地域广大,地层结构复杂,各地煤工尘肺患病率有很大差异,在0.92%~24.1%之间,其中矽肺占11.4%,煤矽肺占87.6%,煤肺占1.0%。不同煤种的致病能力也不同,由强到弱依次为:无烟煤、烟煤、褐煤。 尘肺病是由于长期吸入过量粉尘所引起的全身性疾病。尘肺病发病工龄有的长达20a~30a,个别病例在游离二氧化硅含量高的作业区作业也有1a~2a发病者,即所谓”快发性矽肺”。尘肺病的发病工龄、临床症状等设计因素很多且十分复杂,大体可归纳为以下几个方面:粉尘的成份;粉尘的分散度;粉尘浓度;接触时间;按流行病学观点,许多因素可分别归诸于宿主、因子、环境等治病要素。尘肺病是难以治愈的职业病,工人一旦得病,轻则慢性致残,重则死亡。因此,尘肺病不仅造成劳动力下降,而且造成社会负担,其经济损失是巨大的。

2)慢性阻塞性肺病(COPD)

国内外许多研究已证实,长期吸入煤尘不但引起尘肺,还会引起慢性阻塞性肺疾病,包括慢性支气管炎、支气管哮喘及肺气肿。而且在临床上,慢性阻塞性肺病可以独立存在而不伴有明显尘肺,其发病机理尚未明了,可能与吸烟、呼吸道感染及遗传因素等均有关系。

3)上呼吸道炎症

粉尘首先侵入上呼吸道黏膜,早期引起其功能亢进,黏膜下血管扩张、充血,黏液腺分泌增加,以阻留更多粉尘,长久则酿成肥大性病变,然后由于黏膜上皮细胞营养不良,终将造成萎缩性病变,呼吸道抵抗力下降,容易继发病毒及细菌等感染性疾病。

4)肺癌

有研究表明,一些有煤矿开采的地区,人群中肺癌的发病有升高趋势,可能与吸入煤矿生产性粉尘有关。但据英国24个煤矿统计,接触煤矿粉尘工人与不接触粉尘人群中的肺癌发病率无明显差别。煤矿病人肺癌的发病机制有待进一步探讨。

2. 局部作用

粉尘沉着于皮肤可能堵塞皮脂腺,容易继发感染而引起接触性皮炎、毛囊炎,疖肿等;进入眼内的粉尘颗粒,可引起结膜炎等。

3. 过敏和中毒作用

煤矿粉尘还可能引起过敏反应和机体的中毒作用,这与粉尘混合的其他元素或者化合物有关。

1.3.2 煤尘爆炸

煤尘爆炸是空气中氧气与煤尘急剧氧化的反应过程。煤是复杂的固体化合物,被破碎成煤尘后,其吸氧和被氧化的能力大大增强,在外界高温热源的作用下,悬浮的煤尘单位时间内能吸收更多的热量,大约300℃~400℃时,就可放出可燃气体。这些气体集聚于尘粒周围,形成气体外壳,当这个外壳内的气体达到一定浓度并吸收一定能量后,连反应过程开始,游离基迅速增加,燃烧循环地进行下去;由于燃烧产物的迅速膨胀而在火焰波波阵面前方形成压缩波,压缩波在不断压缩的介质中传播时,后波可以赶上前波;这些单波叠加的结果,使火焰面前方气体的压缩逐渐增高,因而引起了火焰传播的自动加速;当火焰速度达到每秒数百米以后,煤尘的燃烧便在一定临界条件下跳跃式地转变为爆炸。

从燃烧转变为爆炸的必要条件是由于化学反应产生的热能必须超过热传导和辐射所造成的热损失;否则,燃烧剂不能持续发展,也不会转为爆炸。

2 煤矿粉尘的控制技术

2.1 粉尘控制技术

粉尘控制技术为该粉尘监控系统粉尘浓度超出限制范围所实施的处理措施提供了依据,同时也是煤矿安全生产的基本要求。根据工作场所空气中煤尘游离二氧化硅含量的不同,煤矿粉尘浓度的职业接触限制值也不相同。对矽尘含量小于10%的煤尘,总尘的时间加权平均容许浓度为4mg/m3 ,短时间接触容许浓度为6mg/m3;呼吸性粉尘时间加权平均容许浓度为2.5mg/m3,短时间接触容许浓度为3.5 mg/m3,这是煤矿作业面粉尘浓度的最低要求。上述时间加权平均容许浓度(PC-TWA)是指以时间为权数规定的8h工作班的平均容许接触水平,长期反复接触该粉尘浓度几乎所有工人不发生有害健康效应。短时间接触容许浓度(PC-STEL)指一个工作日内,任何一次接触不得超过(以15min时间加权平均浓度表示)的容许接触水平,短时间接触容许浓度不是一个独立的接触限值,而是时间加权平均容许浓度限值的一种补充。

2.1.1 防尘措施

在矿井采、掘、运系统的各生产工序中都产生粉尘,这些粉尘随风流飞扬于作业空间和巷道中。对这些尘源必须采取有效的综合防尘措施,即针对每一道生产工序和环节的尘源采取一项和多项防治措施,以减少粉尘的产生量,降低作业环境的粉尘浓度和防止工人吸入粉尘。

防尘措施主要是减少采掘作业时的粉尘发生量,是矿井尘害防治工作中最为积极有效的技术措施。防尘措施主要包括:改进采掘机械结构及其运行参数减尘、湿式凿岩、水封爆破、添加水泡泥爆破、封闭尘源、捕尘罩以及预湿煤体减尘措施(如采空区或巷道灌水、煤层注水)等。防尘措施是以预防为主的治本性措施,应在作业之前考虑优先采用。按照矿井的防尘技术,可将防尘措施分为以下几类:

1. 湿式作业方式包括湿式打眼、湿式凿岩、水泡泥爆破、预湿煤体等。

1)湿式打眼就是在打眼工作中,将压力水通过凿岩机或煤电钻送入钻孔并充满孔底,以湿润、冲洗炮眼中的粉尘,使其变成尘浆流出炮眼。

2)湿式凿岩是利用风钻进行湿式凿岩,是国内外岩巷掘进行之有效的基本防尘方法。湿式凿岩有中心供水和旁侧供水两种供水方式。近年来,很多很多矿井对煤电钻进行了改革,试制成功了湿式煤电钻,已广泛应用于煤巷、半煤岩巷以及一些采煤工作面。湿式煤电钻具有良好的水密封性能,能有效地控制回采工作面的煤尘。

3)水泡泥是利用盛水的塑料袋代替炮泥充填于炮眼内,爆破时水袋破裂,在高温高压爆破波的作用下,大部分水被汽化,然后重新凝结成极细的雾滴,并与同时产生的粉尘相接触,形成雾滴的凝结核或被雾滴所湿润而起到防尘作用。水泡泥中若添加湿润剂、黏尘剂等物质,可大大提高降尘效率。此外,德国等西方国家已开始应用化学材料代替水泡泥中的水,这些材料大多具有较好的膨胀性能,爆炸时的封堵效果和降尘效果更好。

4)预湿煤体防尘 预湿煤体防尘主要是采用煤层注水的方法,即预先用水通过钻孔和裂隙注入尚未开采的煤体,增加煤的水分,使煤体得到预先湿润,降低煤体产生浮游粉尘的能力。多年的防尘实践已证明,采煤工作面实施煤层注水是取得最佳防尘效果的根本措施。影响水在煤层中渗透的因素主要是煤的裂隙和空隙的状态,以及与其有关的其他因素。煤层的透水性能与煤的裂隙发育程度、裂隙宽度及裂隙方向有密切关系。煤层的多孔程度用孔隙率来表示,即孔隙的总体积与煤的总体积的百分比。烟煤的透水性系数随孔隙率的增大而增大。对褐煤来说,虽然孔隙率高,但透水性系数却趋于零,因此,开采时常常不能注水。煤属于疏水性物质,与水不甚亲和。如果在水中添加湿润剂(表面活性剂),水的表面张力就会降低,从而提高对煤层的湿润能力及渗透系数。 煤层注水方式及其选择要按照注水钻孔的形式,煤层注水方式有长孔、短孔和深孔三种,各自的钻孔地点、钻孔长度及特点如表4所示;按照注水方式又可分为静压注水和动压注水;按作用于注水钻孔孔口的水压大小分为三类:低压注水(Ps<2.5 MPa ~3.0MPa),中压注水(Ps=3.0 MPa ~15.0MPa),高压注水(Ps>10.0 MPa ~15.0MPa)。我国煤矿通常采用长钻孔、中压或低压注水方法,其优点是采煤和注水作业互不干扰,注水时间可按需要增加,一次湿润范围大而均匀。

5)采空区注水 采空区灌水预先湿润煤体防尘,是在采用下行陷落法分层开采厚煤层过程中,将水灌入上一分层的采空区内,水在自重及煤体孔隙的毛细管力作用下缓慢深入下一分层的煤体中,使煤体得到湿润,减少下层开采时浮游粉尘的产生量。

2. 改进采掘机械结构和运行的减尘措施 研究表明,截齿越宽,压固核越小,产尘量也越低。因此,从防尘角度出发,选择合理的截齿几何形状,可以减小采掘时的压固核。目前效果较好的是镐形刀刃的粗截齿?采掘作业时,一般截深越大,采落的矿岩块块度越大,固压核越小,产尘量也越小。截深主要取决于采掘机上的截齿数目,适当减少截齿数,可达到降尘的目的。此外,当采煤机的滚筒转速与牵引速度适当匹配时,也可降低粉尘的生成量。对于摩擦与碾压、冲击与振动产尘,可通过定期更换截齿,按照规程安装采掘机械等一般性措施加以缓解。

3. 干式凿岩捕尘 一般在缺水矿井使用,可分为两种:一种是干式孔底捕尘,经过钎杆中心孔、风钻机头和连在机头上的输尘软管,将炮眼内的粉尘抽到干式孔底中去;另一种是孔口干式捕尘,通过炮眼口的捕尘塞和连在捕尘塞上的抽尘管,把炮眼内的粉尘抽到一个滤尘袋中去,过滤后的干净空气回到巷道内。

4. 个体防护 煤矿矿井各生产环节尽管采取了多项防尘措施,但也难以使各作业地点粉尘浓度达到卫生标准。此种情况下,特别是在强产尘源和个别不宜安装防尘设备条件下作业的人员,必须佩戴个体防尘用具。在煤矿经常使用的个体防尘用具主要有:自吸过滤式防尘口罩;动力送风过滤式个体防尘用具;隔绝式压风呼吸器。

2.1.2 除尘降尘措施

除尘降尘措施是矿井综合控制粉尘的重要环节,现行的除尘降尘措施主要包括各产尘点的喷雾洒水,如采煤机上内外喷雾、放炮喷雾、支架喷雾、装岩洒水及巷道净化水幕等。这些除尘降尘措施为该粉尘监控系统粉尘浓度超出限制范围所实施的处理措施提供了依据。

1. 湿式除尘技术 湿式除尘技术是井下矿山应用最普遍的一种方法。一般作业场所的相对湿度达到65%以上就可以大大降低粉尘的浓度。水能湿润粉尘,增加粉尘重力,并将细散的尘粒聚合为较大的尘粒,使浮沉加速沉降,落尘不易飞扬。湿式除尘方法设备简单,使用方便,应用与维护费用低,降尘效果明显。缺点是增加工作场所的湿度,恶化工作环境和可能影响煤炭的质量。

喷雾洒水是将压力水通过喷雾器(喷嘴)在旋转或冲击作用下,使水流雾化成细散的水滴在空气中。喷雾洒水的捕尘效果取决于雾体的分散度以及尘粒与水滴的相对速度。粗分散度雾体水滴大,水的数量少,尘粒与水滴相遇时,会因旋流而从水滴边缘绕过,不被捕获。过高分散度的雾体,水滴十分细小,容易汽化,捕尘效率也不高。一般水滴的直径在10μm~15μm时,捕尘效果最好。水滴与尘粒的相对速度越大,二者碰撞时的动能也越大,有利于冲破水的表面张力而将尘粒捕获。水质与粉尘的性质也影响喷雾降尘效果。若水的纯净度差,将使水的黏性增加,分散水滴粒度加大,降低捕尘效率。疏水性粉尘与水滴碰撞时,能产生反弹现象,即使碰撞也难以将其湿润捕获。尘粒表面吸附空气形成气膜或覆盖油层时,也难被水湿润。密度大的尘粒相对易于被水捕获。喷雾洒水除尘简单方便,被广泛用于采掘机械切割、爆破、装载、运输等生产过程中,缺点是对微细尘粒捕集效率低。雾体的分散度、作用范围和水滴运动速度,取决于喷雾器的构造、水压和安装位置。应根据不同生产过程中产生的粉尘分散度选用合适的喷雾器,得到较好的除尘效果。我国矿山井下常用的喷雾器,按其动力可分为水力和风水联动(引射式)两类。

2. 物理化学降尘技术 我国是从20世纪80年代开始试验并推广应用降尘剂等物理化学降尘技术的,目前已经井下进行实验与应用的物理防尘方法主要有:水中添加降尘剂降尘,泡沫除尘,磁化水降尘及黏尘剂降尘等。

3. 添加降尘剂降尘 水中添加降尘剂是在水力除尘的基础上发展起来的一种降尘技术。通常情况下,水的表面张力较高,微细粉尘不易被水迅速有效地湿润,因而降尘效果不佳。但不可否认的是,水力除尘方法是迄今为止最简便、最易推广的方法之一。水中添加降尘剂后,则可大大增加水溶液对粉尘的浸润性,即粉尘粒子原有的固-气界面被固-液界面所代替,使液体对粉尘的浸润程度大大提高,从而提高降尘效率。除尘剂的选择方法应能满足无毒、无臭,能完全溶于矿井防尘用水中,低温时不发生结冰现象,无沉淀或盐析现象,对金属无腐蚀,不延燃,成本低,运输方便等。一般低于降尘剂临界浓度时,水的表面张力降低幅度与降尘剂浓度呈急剧下降趋势,但超过此临界后则趋于稳定。目前我国降尘剂的添加方法主要有:定量汞添加法、添加调配器、负压引射器添加法、喷射汞添加器及孔板减压调节器五种添加方法。其中负压引射器添加法原理为:降尘器溶液被负压引射器所造成的负压吸入,并与水混合添加于供水管路中。添加浓度由吸液管上的调节阀控制。由于这种方法成本低,定量准确,被广泛用于各矿井中。

4. 泡沫除尘 泡沫除尘是用无空隙的泡沫体覆盖尘源,使刚产生的粉尘得以湿润、沉积、失去飞扬能力的除尘方法。泡沫除尘几乎可以捕集所有与之相遇的粉尘,特别是对于细微粉尘具有很强的聚集能力。泡沫除尘的特点主要有:泡沫除尘与喷雾洒水相比,可减少耗水量33%~60%;除尘效率可达90%~98%,比一般的喷雾洒水降尘率提高33%~50%;可将胶带输送机胶带重载侧的产尘量减少约98%;如用于胶带运输机转载点除尘,当风流和胶带的相对运动速度为7m/s时,泡沫能稳定的依附在胶带的煤和煤尘表面。

5. 磁化水除尘 磁化水是经过磁水器处理过的水,磁化处理后,水的表面张力、吸附、溶解渗透能力增加,水珠变小,有利于提高水的雾化程度,增加与粉尘的接触机会,提高降尘率。磁化水降尘的优越性主要有:设备简单,安装方便,性能可靠;成本低,易于实施,一次投入长期有效;降尘效率高于其他物理化学方法。

6. 黏尘剂抑尘 目前使用的黏尘剂大多为吸湿性盐类,其作用原理是:通过无机盐(如氯化钙或氯化镁)不断地吸收空气中的水分,使沉积于黏尘剂的粉尘始终处于湿润状态,同时由于在黏尘剂中添加有表面活性物质,所以比普通的水更容易湿润矿井粉尘。黏尘剂可以持续黏结由井下空气带来的不断沉积于巷帮与底板的粉尘。

7. 矿井通风排尘 矿井通风排尘是指借助风流稀释与排出矿井空气中的粉尘。矿井内各个产尘点在采取了其他防尘措施后,仍会有一定量的粉尘进入矿井空气中,其中绝大部分是小于10μm的微细粉尘,如果不及时通风稀释与排出,将由于粉尘的不断积累而造成矿进内空气严重污染,危害矿工的身心健康。最优排尘风速在一般干燥的巷道中为1.5 m/s ~4m/s,它也受到一些因素的影响,如工作区有扰动,促使粉尘飞扬,则最优排尘风速值要降低。在潮湿巷道,粉尘不易被吹扬起来,在较高的风速范围(5m/s~6m/s以下),稀释作用为主,粉尘浓度随风速的增加而下降。

一般不依靠矿井主要通风机进行的有效通风均称为局部通风。目前采用较多的是局部通风机排尘方式,对降低掘进时的粉尘浓度起了重要作用。局部通风排尘方法可分为总风压通风、扩散通风、引射器通风及局部通风等四种方法。

2.1.3预防煤尘爆炸及限制爆炸扩大范围的措施

煤矿的爆炸事故极大地威胁工人的生命,是煤矿最大的安全和问题。按照爆炸事故特征,煤矿粉尘爆炸事故可以分成两类,即单一煤尘爆炸事故和瓦斯煤尘爆炸事故。单一煤尘爆炸事故是指在没有瓦斯参与的情况下,由于矿井粉尘浓度处于爆炸极限浓度区间内,在外界火源激发下,发生爆炸事故。瓦斯煤尘爆炸事故,一般是矿井首先发生瓦斯爆炸,爆炸冲击波引起巷道四壁的沉积粉尘,形成“粉尘云”,其浓度处于爆炸极限范围内,在瓦斯爆炸气流的高温高压作用下,煤尘被强制点燃爆炸。瓦斯煤尘混合爆炸事故一般是瓦斯爆炸事故的爆炸波和爆风扬起沉积在地面的煤尘,发生二次爆炸甚至多次爆炸,事故经常是灾难性的。

减少沉积煤尘量和及时将其清除出井 是简单有效的防爆措施。积极采用煤层注水、湿式作业、转载喷雾、通风除尘等综合防尘技术防止和减少煤尘的产生和飞扬,也是防止煤尘爆炸最根本的措施。此外,杜绝能引起煤尘云着火或爆炸的着火源是防治煤尘爆炸的另一类重要措施,要防止放炮火源,防止摩擦和撞击点火。

煤矿自然条件十分复杂,发生煤尘爆炸的随机性很大,出了上述一般性安全技术措施外,各国针对煤尘爆炸的特点研究了煤尘爆炸的专门技术。其中,使用时间最长、应用面广、简单易行的预防措施是撒布岩粉法。撒布岩粉是定期向巷道周边撒布惰性岩粉,用它将巷道周边上的沉积煤尘覆盖住。采煤作业是连续的,煤尘的产生、飞扬与沉积也断断续续,当第一次撒布岩粉后,煤尘便不断地在岩粉层上沉积,若不增加岩粉量,其保护带将失败。所以,一定时间后要再次撒布岩粉,以维持混合粉尘中不燃物含量的正常比例。一般应按照撒布地点的沉积煤尘浓度和煤尘爆炸下限浓度来确定岩粉的撒布周期。

限制煤尘爆炸扩大灾害范围的措施又称隔爆措施。瓦斯煤尘爆炸具有连续性,且越发展破坏力越大的特点,为避免造成全矿井被毁的恶性事故,必须人为地把瓦斯或煤尘爆炸扑灭在爆源附近或限制在一定范围内。因此防止灾害扩大的措施集中在两个方面,即分区管理和设置阻爆装置。

1. 分区通风 对井下各工作区域实行分区通风,每一生产水平、每一采区都必须布置单独的回风道,严格禁止各水平采区之间的串联通风,尽量避免采区之间角联风路的存在。采区内回采工作面和掘进工作面应采用独立的通风线路,防止互相影响。矿井主要进、回风道之间的联络巷必须构筑永久性挡风墙,需要使用的必须安设正反向两道风门。装有主要通风机的出风口应安装防爆门。在开采有煤尘爆炸危险的矿井两翼、相邻采区、相邻煤层和相邻工作面时,应安设岩粉棚或水棚隔开。在所有运输巷道和回风巷中必须撒布岩粉,防止爆炸传播。

2. 煤尘爆炸的阻爆隔爆技术 煤尘爆炸的阻爆隔爆技术主要包括被动式隔绝煤尘爆炸传播技术和自动式隔爆措施。

1)被动式隔绝煤尘爆炸传播技术 目前使用最广泛的隔绝煤尘爆炸措施是被动式隔爆棚,它分为被动式水棚和岩粉棚。当发生瓦斯煤尘爆炸时,由超前于爆炸火焰传播的冲击波超压的作用,将隔爆棚击碎或爆风掀翻,使棚架上或槽子内的抑制剂(岩粉或水)飞散开来,在巷道中形成一个高浓度的岩粉云或水雾带,使滞后于爆风的爆炸火焰到达棚区时被扑灭,从而阻止爆炸继续向前传播。按隔爆棚的保护范?又可分为主要隔爆棚和辅助隔爆棚两类。岩粉棚是由安装在巷道中靠近顶板处的若干块岩粉台班组成,台板的间距稍大于板宽,每块台板上放置一定数量的惰性岩粉。当煤尘爆炸事故发生时,火焰前的冲击波将台班震倒,岩粉即弥漫于巷道中,火焰到达时,岩粉从燃烧的煤尘中吸收热量,使火焰传播速度迅速下降,直至熄灭。被动式岩粉棚必须设置在距可能发生煤尘瓦斯爆炸地点60m~300m范围内,超出这个范围岩粉棚的可能性会降低。

2)自动式隔爆措施 自动隔爆装置由传感器、控制器和喷洒装置组成。其原理是在煤尘瓦斯爆炸的瞬间,煤源附近立即出现火焰,压力升高,温度急剧上升。自动式隔爆装置就是借助于传感器,将这些物理参量的变化接受下来转换成电信号,通过控制器自动控制机构,在预定地点喷洒一定浓度的抑制剂,把刚好到达的火焰扑灭。用于自动隔爆装置的抑制剂有三类:液体抑制剂,粉末无机盐类抑制剂和卤代烷抑制剂。因自动隔爆装置具有使用灵活的特点,可以把爆炸发生的初期就将爆炸限制在最小范围不让其扩展。所以,自动隔爆装置应尽可能安装在距可能发生瓦斯煤尘爆炸地点较近的位置,在拐弯巷道和采掘机械上也可以安装使用。

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