黃成玉 張全柱 鄧永紅

(華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所,北京東燕郊101601)

煤礦綜合防塵技術(shù)研究

黃成玉 張全柱 鄧永紅

(華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所,北京東燕郊101601)

隨著煤礦機(jī)械化程度和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大,導(dǎo)致綜采工作面的產(chǎn)塵強(qiáng)度及作業(yè)環(huán)境中粉塵濃度也越來(lái)越大,嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)和作業(yè)人員身體健康。本文分析了煤塵防治的意義，闡述了國(guó)內(nèi)外防塵理論技術(shù)，并對(duì)防塵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)進(jìn)行了研究，以期對(duì)煤礦防塵降塵工作具有一定的參考價(jià)值。

煤礦；煤塵；防塵；可視化

煤塵屬于粉塵，影響礦井安全生產(chǎn)，威脅職工身體健康，是煤礦五大災(zāi)害之一。在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，幾乎所有的作業(yè)均可產(chǎn)生粉塵。隨著煤炭生產(chǎn)機(jī)械化程度的加大和采煤強(qiáng)度的不斷提高，鑿巖、爆破、裝卸、破碎、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)作業(yè)段的煤塵產(chǎn)生量在大量增加。嚴(yán)重污染作業(yè)場(chǎng)所的環(huán)境和影響煤礦安全生產(chǎn)。因此有必要開(kāi)展防塵技術(shù)研究，對(duì)抓好礦井綜合防塵測(cè)塵工作，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)，保障職工身體健康具有重大意義。

1 煤塵防治的意義

1.1 煤塵污染

煤炭是我國(guó)的主要能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)很重要的位置，在我國(guó)一次能源消費(fèi)中占76%以上。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，煤炭的需求量越來(lái)越大。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，煤塵污染情況也越來(lái)越嚴(yán)重。在無(wú)防塵措施的情況下，炮采工作面的粉塵濃度可達(dá)到300-500mg/m3，機(jī)采工作面的粉塵濃度可達(dá)到1 000～3 000mg/m3，綜采工作面的粉塵濃度可達(dá)到4 000～8 000mg/m3。

1.2 煤塵危害

（1）危害職工身體健康

在我國(guó)，塵肺病是主要職業(yè)病之一。隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，社會(huì)對(duì)能源和工礦產(chǎn)品需求的增大，粉塵災(zāi)害產(chǎn)生的影響正在逐步擴(kuò)大。就煤礦行業(yè)而言，煤礦塵肺病的發(fā)病情況十分嚴(yán)重,據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2005年底,我國(guó)煤炭行業(yè)累計(jì)塵肺病患病人數(shù)達(dá)30萬(wàn)以上,約占全國(guó)已檢出塵肺病人數(shù)的50%。每年死于塵肺病的人數(shù)達(dá)2 000～3 000人，塵肺病患者死亡人數(shù)是煤礦工傷死亡人數(shù)的5倍。

（2）煤塵爆炸

煤塵具有爆炸性，懸浮于空中并達(dá)到一定濃度，這時(shí)如果有一個(gè)能引燃煤塵的熱源就會(huì)發(fā)生煤塵爆炸。煤塵爆炸的后果比瓦斯爆炸更嚴(yán)重。此外，還有大量的礦塵排入大氣，對(duì)環(huán)境危害也相當(dāng)大。

2 國(guó)內(nèi)外防塵理論技術(shù)

2.1 防塵理論研究

（1）關(guān)于氣流場(chǎng)理論的研究

目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家已總結(jié)出許多經(jīng)典的流場(chǎng)，并建立了各自的數(shù)學(xué)模型，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程實(shí)踐，流場(chǎng)中每個(gè)流體微團(tuán)如不存在繞自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)稱(chēng)為勢(shì)流。勢(shì)流對(duì)于工程研究和應(yīng)用極有價(jià)值。

（2）關(guān)于煤層滲流理論的研究

主要從以下幾方面進(jìn)行研究：①三維滲流的Darcy定律；②煤層在支撐壓力的作用下壓實(shí)特性；③煤層的水力傳導(dǎo)系數(shù)和滲透率；④煤層的單位吸水量；⑤煤層的濕潤(rùn)能力與煤層注水的關(guān)系。對(duì)于水在煤體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的研究。一般認(rèn)為，水進(jìn)入煤體后其運(yùn)動(dòng)可分為壓力滲流和自然滲流兩部分。壓力滲流使注入水在較大孔隙和裂隙中運(yùn)動(dòng)，起到為自然滲流形式提供水源的作用。壓力滲流時(shí)水受注水壓力、瓦斯壓力、毛細(xì)管力的作用。而自然滲流時(shí)水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力主要是吸附、擴(kuò)散和毛細(xì)凝結(jié)作用。

2.2 防塵技術(shù)研究

近年來(lái)煤塵危害得到越來(lái)越廣泛的重視，煤礦防塵技術(shù)也有了很大發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外研究的煤礦井下粉塵控制技術(shù)主要有煤層注水、噴霧降塵、除塵器除塵、通風(fēng)除塵等，這些除塵技術(shù)對(duì)降低粉塵濃度起到了重要作用。

（1）煤層注水

煤是非均質(zhì)、成分復(fù)雜的不同孔隙的多孔介質(zhì)，煤層內(nèi)具有的孔隙和裂隙，形成了煤體內(nèi)既有連通網(wǎng)絡(luò)又有孤立空間的空間系統(tǒng)，它們有巨大的孔隙表面。這個(gè)空間系統(tǒng)，既是氣、水在煤體內(nèi)運(yùn)移的通道，又是煤體內(nèi)儲(chǔ)存氣、水的空間。煤層注水就是水在該空間系統(tǒng)中運(yùn)移、擴(kuò)散、儲(chǔ)運(yùn)的極復(fù)雜的水動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)過(guò)程。煤層注水時(shí)，首先是水在壓力作用下，沿煤體裂隙和大孔隙的滲透過(guò)程,繼而是水在毛細(xì)管力和表面現(xiàn)象等物理化學(xué)作用下進(jìn)行的自運(yùn)動(dòng)。

煤層注水分為工作面短鉆孔注水和順槽長(zhǎng)鉆孔注水。影響注水難易程度的因素主要有煤層裂隙孔隙的發(fā)育程度、煤層的埋藏深度與地壓的集中程度、煤層的物理力學(xué)性質(zhì)、煤層內(nèi)的瓦斯壓力和煤的濕潤(rùn)性等。

（2）噴霧除塵

噴霧除塵是向浮游于空氣中的粉塵噴射水霧，通過(guò)增加塵粒的重量，達(dá)到降塵的目的。這一技術(shù)的關(guān)鍵是噴嘴要能形成具有良好降塵效果的霧流。主要包括煤機(jī)內(nèi)、外噴霧，架間噴霧，采煤機(jī)負(fù)壓二次降塵噴霧及巷道噴霧簾噴霧。內(nèi)噴霧是指噴嘴裝在滾筒葉片上，將水從滾筒里向截齒噴射。外噴霧是指噴嘴裝在機(jī)身上，將水從滾筒外向滾筒及煤壁噴射。負(fù)壓二次降塵噴霧是指由水箱向高壓水泵供水,水泵通過(guò)供水管路和噴霧控制閥、噴霧裝置進(jìn)行高壓噴霧。由于壓力較高,產(chǎn)生的霧氣流速很快,動(dòng)能較大,加之高速霧氣流把負(fù)壓筒密閉充滿,在所有負(fù)壓筒的后部及整個(gè)降塵裝置周?chē)a(chǎn)生了很強(qiáng)的負(fù)壓空間,起到負(fù)壓降塵的作用。

（3）化學(xué)抑塵

化學(xué)抑塵是指在水中添加化學(xué)抑塵藥劑來(lái)改善水溶液的物理化學(xué)特性，使其對(duì)粉塵具有更好的捕集能力。按照化學(xué)抑塵劑的抑塵機(jī)理分類(lèi)，化學(xué)抑塵劑可以分為潤(rùn)濕型化學(xué)抑塵劑、粘結(jié)型化學(xué)抑塵劑和凝聚型化學(xué)抑塵劑三類(lèi)。

濕潤(rùn)型化學(xué)抑塵劑由一種或多種表面活性劑組成，是由親水基和疏水基組成的化合物。濕潤(rùn)型化學(xué)抑塵劑主要用于提高水的抑塵效率，在水中添加由表面活性劑組成的潤(rùn)濕型化學(xué)抑塵劑，可以有效地降低水的表面張力，提高其潤(rùn)濕性能，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的大多數(shù)潤(rùn)濕型化學(xué)抑塵劑主要用于煤層注水預(yù)潤(rùn)濕。另外也可應(yīng)用于控制大氣飄塵的噴霧系統(tǒng)，濕式除塵器，各種細(xì)顆粒物的預(yù)潤(rùn)濕，顆粒物料和廢物料的預(yù)潤(rùn)濕，以及道路揚(yáng)塵控制等。

粘結(jié)型化學(xué)抑塵劑是利用覆蓋、粘結(jié)、硅化和聚合等原理防止泥土和粉塵飛揚(yáng)，其經(jīng)常應(yīng)用于以下領(lǐng)域：①土質(zhì)路面揚(yáng)塵控制；②物料搬運(yùn)過(guò)程產(chǎn)塵控制；③土質(zhì)堤壩、路基、地基的穩(wěn)定土；④地表和地下巖土結(jié)構(gòu)工程漏水控制等。

凝聚型化學(xué)抑塵劑是由能吸收大量水分的吸水劑組成，它們能使泥土或粉塵保持較高的含濕量從而防止揚(yáng)塵。凝聚劑主要用于保水和吸收大氣中的水分以便使泥土或粉塵聚合。它們常用于路面揚(yáng)塵控制，物料搬運(yùn)和物料倉(cāng)庫(kù)產(chǎn)塵的防治。

（4）除塵器除塵

除塵器除塵是利用除塵器運(yùn)行中產(chǎn)生的負(fù)壓，通過(guò)吸塵風(fēng)筒與靠近塵源的吸塵罩，在塵源處造成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，使含塵空氣由吸塵罩經(jīng)吸塵風(fēng)筒進(jìn)入除塵器中凈化處理。除塵器包括濕式除塵器和干式除塵器。濕式除塵器主要有濕式旋流除塵器、濕式風(fēng)流除塵器、濕式振弦除塵器、文丘里除塵器和濕式纖維除塵器等。

（5）泡沫除塵

泡沫除塵的概念最初是前蘇聯(lián)列寧格勒工學(xué)院M.E.波律教授等人提出，但當(dāng)時(shí)研制的是一種強(qiáng)化氣體與液體間相互作用的方法，泡沫狀態(tài)的形成基于相應(yīng)的流體力學(xué)條件，不需添加任何起泡劑。隨后在70年代，美國(guó)、前蘇聯(lián)、加拿大、日本、西德及東歐等國(guó)家集中研究了泡沫除塵。

泡沫除塵在國(guó)內(nèi)的起步較晚，湖北省勞保所于1986年開(kāi)始研究泡沫鑿巖除塵技術(shù)，并在五臺(tái)煤礦的毛口灰?guī)r和武鋼程潮鐵礦的花崗巖鑿巖工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，與干打眼相比，環(huán)境的除塵率達(dá)99.8%；與清水相比，不但用水量小，對(duì)捕集呼吸性粉塵也有較好的效果。隨著泡沫除塵的高效性被逐漸認(rèn)可，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)近年來(lái)開(kāi)始了對(duì)煤礦井下采掘工作面泡沫除塵技術(shù)的研究，并對(duì)泡沫除塵機(jī)理，包括攔截、黏附、濕潤(rùn)和沉降的作用機(jī)理及數(shù)學(xué)模型，除塵用泡沫的產(chǎn)生及破滅機(jī)理、兩相泡沫的一些性質(zhì)進(jìn)行了研究。北京科技大學(xué)對(duì)掘進(jìn)工作面壓縮空氣泡沫滅塵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并分析了壓力、液氣比例、氣液混合方式等因素對(duì)泡沫性能的影響。

（6）空氣幕除塵

空氣幕是利用噴射氣流的射流原理使污染源散發(fā)出來(lái)的污染物與周?chē)諝飧綦x，以保證工作區(qū)的衛(wèi)生條件。采煤工作面空氣幕安裝在采煤機(jī)機(jī)身上。其作用在于使?jié)L筒截煤時(shí)向采煤機(jī)司機(jī)擴(kuò)散的微塵折轉(zhuǎn)向上，并攜帶周?chē)目諝鉀_向頂板，氣流同時(shí)向兩側(cè)分散，微塵被阻隔在煤壁側(cè)，同時(shí)煤壁側(cè)的粉塵被工作面風(fēng)流帶走。

（7）通風(fēng)除塵

抽出式通風(fēng)時(shí)，新鮮風(fēng)流沿掘進(jìn)巷道進(jìn)入，稀釋沿途巷道及作業(yè)場(chǎng)所的粉塵和有害氣體，然后經(jīng)伸縮風(fēng)筒直接排至回風(fēng)流中。當(dāng)綜掘巷道的瓦斯涌出量比較大時(shí)，單一抽出式通風(fēng)方式不能解決掘進(jìn)工作面的瓦斯問(wèn)題，建議采用長(zhǎng)壓短抽的混合通風(fēng)方式。通風(fēng)除塵的最終目的是在保證工作面安全生產(chǎn)的前提下，有足夠的風(fēng)量使采取其它措施后剩余的粉塵稀釋和排出，同時(shí)又不至于因風(fēng)速過(guò)大而使落塵轉(zhuǎn)化為浮塵。

各種除塵方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，如表1所示。

表1 各種除塵方式優(yōu)缺點(diǎn)分析

3 防塵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可視化研究

現(xiàn)代數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）技術(shù)指的是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)；將數(shù)據(jù)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。根據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同，可視化可分為三個(gè)分支，它們分別是科學(xué)計(jì)算可視化(Scientific Visualization)，數(shù)據(jù)可視化(DataVisualization)和信息可視化(Information Visualization)。

3.1 礦井防塵系統(tǒng)可視化方法、現(xiàn)狀及特點(diǎn)

礦井的防塵可視化一般與通風(fēng)可視化共同應(yīng)用在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中，在國(guó)外，澳大利亞開(kāi)發(fā)的VentSim礦井通防三維仿真系統(tǒng)可以用于礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)、通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、除塵降溫為基礎(chǔ)的安全決策支持等領(lǐng)域，使用該系統(tǒng)可以幫助礦山企業(yè)進(jìn)行合理的安全管理，節(jié)約成本，提升礦山企業(yè)整體形象；波蘭科學(xué)院研制的Mine Firesimulat軟件能夠以動(dòng)態(tài)圖形化方式表示火災(zāi)蔓延、通風(fēng)系統(tǒng)中燃燒物、溫度、流體等參數(shù)變化過(guò)程。在國(guó)內(nèi)，西安科技學(xué)院、山東礦業(yè)學(xué)院和遼寧工程技術(shù)大學(xué)等單位也先后研制出了自己的礦井通風(fēng)防塵可視化軟件。

3.2 礦井防塵系統(tǒng)可視化軟件主要有以下幾種：

1）利用專(zhuān)用繪圖軟件(如：AutoCAD)進(jìn)行礦井防塵系統(tǒng)圖形繪制，利用計(jì)算機(jī)管理整個(gè)礦井防塵系統(tǒng)的圖形，其主要缺點(diǎn)是很難查到和礦井防塵系統(tǒng)相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，一旦礦井防塵系統(tǒng)發(fā)生改變，數(shù)據(jù)需要修改，工作量大，容易出錯(cuò)，與監(jiān)控系統(tǒng)集成后運(yùn)行效率較低；很難保持?jǐn)?shù)據(jù)和圖形的一致性，且容易出錯(cuò)。

2）利用現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行礦井通風(fēng)系統(tǒng)可視化。地理信息系統(tǒng)對(duì)實(shí)體的位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，圖形開(kāi)發(fā)效率較高，但地理信息系統(tǒng)提供的決策支持和分析功能對(duì)于礦井防塵系統(tǒng)沒(méi)有意義，礦井防塵系統(tǒng)附屬功能需進(jìn)一步研制和開(kāi)發(fā)。

3）利用現(xiàn)有的成熟的軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、及在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的圖形控件、結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靈活且高效的防塵可視化系統(tǒng)。其主要優(yōu)點(diǎn)是圖形開(kāi)發(fā)效率高、圖形易于修改、管理人員不需要專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)知識(shí)。

3.3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控

我國(guó)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)目前主要有：KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等監(jiān)控系統(tǒng)，在我國(guó)煤礦已大量使用。實(shí)踐表明，安全監(jiān)控系統(tǒng)為煤礦安全生產(chǎn)和管理起到了十分重要的作用。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和企業(yè)自身發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi)各主要科研單位和生產(chǎn)廠家又相繼推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等監(jiān)控系統(tǒng)，以及MSNM、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)由早期的地面單微機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控已發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控以及不同監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)。其主要由監(jiān)測(cè)終端、監(jiān)控中心站、通信接口裝置、井下分站、傳感器組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可視化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

利用現(xiàn)有的各種編程技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)訪問(wèn)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控，系統(tǒng)以任意無(wú)級(jí)縮小或無(wú)級(jí)放大圖形的形式達(dá)到圖形和數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成和瀏覽；提供完備的安全監(jiān)測(cè)與安全信息管理功能；實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)圖及防塵系統(tǒng)圖的動(dòng)態(tài)瀏覽；安全信息的網(wǎng)上公開(kāi)（公司內(nèi)部、礦務(wù)局內(nèi)部）。

結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外煤礦主要采取通風(fēng)除塵、煤層注水、噴霧降塵、除塵器除塵、泡沫除塵等各種技術(shù)，如何根據(jù)煤礦煤層特點(diǎn)，研究高效的綜合防塵技術(shù)措施，對(duì)于降低工作環(huán)境粉塵濃度、改善采煤工人的作業(yè)環(huán)境、保障工人的身體健康具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

可視化技術(shù)的運(yùn)用，可使井上工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控井下生產(chǎn)情況，明確了解井下各處的煤塵濃度，發(fā)現(xiàn)煤塵濃度超限時(shí)可及時(shí)提醒井下進(jìn)行防塵工作，統(tǒng)一調(diào)度各處防塵措施的使用，使煤礦防塵工作更加直觀、簡(jiǎn)便并具有針對(duì)性。