顧大釗，李全生

(1.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室,北京 102209; 2.國家能源投資集團有限責任公司 科技部，北京 100011; 3.北京低碳清潔能源研究院，北京 102209)

職業(yè)健康是當今社會人類面臨的一個嚴重問題，是工業(yè)化進程的產(chǎn)物。目前，我國已處于職業(yè)病高發(fā)和凸顯期，患病及死亡人數(shù)均處世界首位。近20 a來，國家頒布一系列職業(yè)健康方面的法律法規(guī)，規(guī)范工業(yè)生產(chǎn)活動及保障從業(yè)人員身體健康，并逐年完善法規(guī)與技術，提供資金保障做好職業(yè)健康防護工作。為加強塵肺病預防控制和塵肺病患者救治救助工作，切實保障勞動者職業(yè)健康權益，2019年7月，國家衛(wèi)生健康委等10部門聯(lián)合制定了《塵肺病防治攻堅行動方案》，從總體要求、重點任務、保障措施方面對各省自治區(qū)、直轄市人民政府，國務院各部委、各直屬機構進行通知安排。指出將煤礦、非煤礦山、冶金等行業(yè)作為重點專項治理領域。

煤炭是我國重要的基礎能源，未來一定時期仍為我國主體能源[1]。我國煤炭以井工生產(chǎn)為主，在井下有限的作業(yè)空間內(nèi)，規(guī)?；删虍a(chǎn)生大量煤塵、矽塵而引發(fā)的職業(yè)健康問題正成為制約煤炭行業(yè)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸。煤炭生產(chǎn)、運輸、貯存等產(chǎn)塵途徑的統(tǒng)計表明，無防塵措施時，綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度為1 000～1 500 mg/m3，個別硬巖工作面可達3 000 mg/m3，綜采工作面的粉塵質(zhì)量濃度可達2 500～3 000 mg/m3，其中呼吸性粉塵占比近40%[2]。

粉塵引起的塵肺病更加普遍，廣泛存在于世界各主要產(chǎn)煤國[3-6]。2019年我國接塵工人超過2 000萬人，其中煤礦有數(shù)百萬接塵礦工;全國職業(yè)性塵肺病15 898例，其中煤工塵肺病人數(shù)占全國塵肺病患者總數(shù)的50%左右(2011年53.03%[7]，2012年51.25%[8]，2013年60.28%[9])，死亡率高達22.04%[10]，遠超各類煤礦生產(chǎn)事故總死亡人數(shù)(2019年死亡316人)，塵肺病防治形勢日趨嚴峻。如何實現(xiàn)煤炭開發(fā)與礦工職業(yè)健康保護相協(xié)調(diào)，是煤炭高質(zhì)量發(fā)展面臨的重大難題[11-14]。

為解決煤礦塵肺病問題，國內(nèi)外學者在粉塵產(chǎn)生機理、擴散規(guī)律和抑制方法上進行了大量研究，尤其在粉塵防護裝備方面進行了大量系統(tǒng)研發(fā)[15-18]。根據(jù)粉塵粒徑分布及其沉降狀態(tài)、風流速度與粉塵濃度關系、粉塵濃度沉降數(shù)學模型等，研制出一系列先進適用的粉塵防治技術及裝備，促進了井下防塵技術發(fā)展，但現(xiàn)有防塵技術在成本和防護效果方面仍難以滿足實際需求。主要技術難點在于，現(xiàn)有防護技術和工程措施難以有效地將粉塵濃度降至國家標準以內(nèi)，導致個體防護用品成為煤礦粉塵防護的最后一道防線，但傳統(tǒng)自吸過濾式口罩存在防護指數(shù)低、呼吸阻力高、容塵量低和密合性較差等缺陷，防護效果差;而主動送風過濾式防塵呼吸器存在耗電量大，有效佩戴時長短，呼吸器防護可靠性低，佩戴舒適性差等問題，導致口罩使用與工作時間難匹配，職工個體防護裝備的開發(fā)也面臨較大挑戰(zhàn)。

代表我國煤炭現(xiàn)代化生產(chǎn)水平的神東礦區(qū)，在煤炭采掘與運輸過程中同樣面臨高質(zhì)量濃度粉塵危害問題。采掘區(qū)煤塵為主要塵源，在綜采工作面采取了水幕凈化風流、煤機內(nèi)外噴霧降塵、支架間噴霧除塵、捕塵網(wǎng)捕塵等綜合防塵措施[19-21]，均起到了積極的防護效果，但仍未從煤塵產(chǎn)生源頭有效控制產(chǎn)塵量，針對這一問題，筆者提出了基于井下生態(tài)保護的煤礦職業(yè)健康防護理念，從煤礦職業(yè)健康防護源頭出發(fā)，系統(tǒng)研究井下生態(tài)保護理論框架與關鍵技術，提出以煤炭開采源頭減塵降塵規(guī)劃布局為基礎，研發(fā)粉塵分源防控關鍵技術，研制高效率個體防護技術裝備，形成煤炭開采全生命周期防塵、減塵、降塵理論與技術體系，以期為井下生態(tài)環(huán)境改善提供技術支撐。

1 我國塵肺病發(fā)病現(xiàn)狀

塵肺病是我國發(fā)病率最高、危害性最大的一種職業(yè)病。2010—2019年全國職業(yè)病統(tǒng)計(表1)表明，我國新增各類職業(yè)病總數(shù)為271 554人，其中塵肺病占全國職業(yè)病發(fā)病總?cè)藬?shù)的81.83%～89.66%;塵肺病發(fā)病年齡以36～55歲的青壯年為主，發(fā)病工齡主要分布在10～30 a[22-24]，該病具有隱匿性、流動性大、周期長、遲發(fā)等特點，一旦發(fā)病，即使避免與粉塵接觸，肺部纖維化病變也不會停止，最終導致肺功能障礙，呼吸衰竭至死亡。

我國高粉塵危害領域主要集中在礦山、冶金、石油、化工、制造加工等行業(yè)。從業(yè)人員數(shù)量多和職業(yè)病防護意識淡薄是造成職業(yè)病逐年增多的主要原因。其中生產(chǎn)規(guī)模的擴大，使用人單位的勞動力需求也越來越多;從業(yè)人員主要是一些文化水平低、工作流動性大、缺乏法律意識與職業(yè)病防護意識的農(nóng)民工。加上部分生產(chǎn)規(guī)模小、工藝落后、工作人員流動大、只追求經(jīng)濟效益的中小型企業(yè)，在無防護或簡單防護下生產(chǎn)，是造成塵肺病患者增加的另一重要根源。目前農(nóng)民工是我國職業(yè)病患者的重點群體。每年塵肺病發(fā)病數(shù)量與采礦業(yè)和制造業(yè)城鎮(zhèn)單位就業(yè)人員數(shù)量呈正相關關系，由此說明采礦業(yè)和制造業(yè)是職業(yè)病防治，尤其是塵肺病防治的關鍵領域;政府干預可起到積極有效的防護效果，但無法杜絕塵肺病的發(fā)生，其有效控制還有賴于在粉塵的產(chǎn)生、擴散傳播、接塵人員的吸入等環(huán)節(jié)的技術控制，任意環(huán)節(jié)的有效阻斷均可起到顯著效果。

表1 2010—2019年我國主要接塵城鎮(zhèn)單位就業(yè)人員和主要職業(yè)病發(fā)病情況Table 1 Employed persons and major occupational diseases in China’s main dust-exposed cities and towns from 2010 to 2019

2 煤礦井下生態(tài)保護理念

2.1 煤礦井下生態(tài)的內(nèi)涵

煤礦井下生態(tài)是煤礦井下安全生產(chǎn)與職工身體健康相協(xié)調(diào)的一種狀態(tài)。由于煤炭開采活動改變了原始巖層的邊界條件，引起煤層中瓦斯、CO等氣體逸出、粉塵擴散、頂板下沉和垮落、上覆巖層和地表沉降、含水層或隔水層破壞，井下滲水、涌水或突水潰沙等，這些均是煤炭開采過程中人員與設備工作環(huán)境面臨的主要生態(tài)問題。此外，煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵、設備運行產(chǎn)生的尾氣與有毒有害氣體、生產(chǎn)過程中排放的乳化液及高鹽水的水循環(huán)污染，以及高溫高濕噪音等，均會對人員及設備造成嚴重危害[25]。

2.2 煤礦井下生態(tài)全生命周期保護理念

煤礦井下生態(tài)保護理念是以人員健康安全為目標，以開發(fā)前規(guī)劃、開發(fā)中保護、開發(fā)后利用為內(nèi)涵的煤礦井下生態(tài)全生命周期保護利用理念，如圖1所示。為實踐該理念，需要進一步推進煤炭無害化開采，提高井下作業(yè)場所空氣質(zhì)量，保證井下作業(yè)環(huán)境質(zhì)量良好。

3 煤礦職業(yè)健康保護理論與技術體系

井下生態(tài)保護的目標是人員安全健康。煤礦井下生態(tài)保護涉及采礦工程、地質(zhì)工程、環(huán)境工程和職業(yè)健康等各學科，是復雜的系統(tǒng)工程，煤礦井下粉塵防治與個體防護是煤礦職業(yè)健康保護的重點。經(jīng)過在神東礦區(qū)多年的研究與工程實踐，提出了基于井下生態(tài)保護的煤礦職業(yè)病防護理論框架和技術體系和基于煤礦井下粉塵的分源分級分類治理原則(圖2)。

圖1 煤礦井下生態(tài)全生命周期保護利用理念Fig.1 Concept of ecological protection and utilization in the whole life cycle of underground coal mines

圖2 煤礦職業(yè)病防護的井下生態(tài)保護理論框架和技術體系Fig.2 Theoretical framework and technical system of ecological protection in coal mines

通過掌握粉塵產(chǎn)生機理與擴散規(guī)律，制定基于源頭減塵、降塵的煤炭開采規(guī)劃布局，研發(fā)基于源頭減塵、降塵的煤炭開采工藝技術，研制基于開采全過程粉塵捕集與處理的降塵、減塵技術與裝備，研制基于高壓保護狀態(tài)阻止粉塵侵入的封閉式、舒適型、輕型化的個體防護裝備，實現(xiàn)煤炭采掘機轉(zhuǎn)運等環(huán)節(jié)有效減塵降塵及個體有效防護。

4 煤礦井下生態(tài)保護關鍵技術

4.1 基于源頭減塵降塵的煤炭開采布局

源頭減塵降塵主要指在開采、掘進或其他井下施工過程中產(chǎn)生粉塵的區(qū)域降低粉塵產(chǎn)生量。途徑有：① 產(chǎn)塵區(qū)總量的降低，如采掘巷道總數(shù)及總斷面與長度的減少;② 采掘工作面單次產(chǎn)塵量的降低，這依賴于采掘技術與裝備水平的提高。其中，基于源頭減塵降塵的煤炭開采規(guī)劃布局是實現(xiàn)無塵化礦井建設與生產(chǎn)的必然選擇。

基于煤礦井下生態(tài)全生命周期保護利用理念，煤炭開采規(guī)劃布局是在礦井開發(fā)前優(yōu)化礦井選址和采掘布局，依據(jù)礦井煤層賦存條件和未來采煤沉陷地等情況，充分利用采煤沉陷區(qū)地形特征，根據(jù)未來采煤沉陷地綜合利用情況確定工業(yè)廣場位置，實現(xiàn)采煤沉陷地土地經(jīng)濟合理利用;依據(jù)煤礦地下水賦存情況以及煤層賦存情況，最大限度地減小煤礦開采對地下水以及地表生態(tài)的影響，確定井下巷道開拓布局和開采方法;依據(jù)煤巖物理性質(zhì)、采煤掘進方法、開拓方式以及煤礦防塵要求，在保證煤礦安全生產(chǎn)的基礎上，最大程度地減少采掘巷道的數(shù)量以減少產(chǎn)塵量，降低煤塵對井下作業(yè)人員的健康影響。

在開發(fā)過程中采取相應的技術措施，充分保護煤礦地下水與生態(tài)循環(huán)平衡、地表生態(tài)穩(wěn)定，降低煤塵對井下作業(yè)人員的影響，避免煤塵爆炸，降低井下機械設備噪聲，減少有毒有害氣體對作業(yè)人員的傷害。

開發(fā)后，充分利用煤礦現(xiàn)有的井巷充分保護地下水，同時充分利用礦井水進行地表生態(tài)修復，充分利用采煤沉陷地進行景觀再造、建設濕地公園以及建筑物，利用瓦斯氣體發(fā)電，利用收集的礦井粉塵進行土壤改良等。

4.2 煤層高效注水增潤技術

通過對煤層注水，使煤體潤濕，可從源頭上減少工作面采煤機割煤時浮塵的生成量，然而煤層注水必然會影響工作面回采，因此優(yōu)化煤層注水與工作面回采工藝流程，需要研發(fā)高效煤層注水增潤技術[26-27]?；凇八洝逼趽p傷機理和采動應力變化特征[28-29]，研發(fā)的由脈沖式氣動高壓注水泵、脈沖調(diào)頻器、變壓溢流閥、信息動態(tài)采集器為主的煤層交變-脈沖注水減塵技術工藝及裝備，可在短時間內(nèi)實現(xiàn)煤層高效注水增潤。

4.3 高效環(huán)保抑塵降塵劑

化學抑塵主要以潤濕黏結(jié)粉塵為主，通過將抑塵劑添加到噴霧系統(tǒng)中，利用霧滴顆粒捕塵，完成有效降塵，是控制井下粉塵擴散最直接最有效的方法之一。利用天然有機高分子材料[30-32]，通過自由基聚合以及光協(xié)同催化等反應，制備出價格低廉、無毒無害、無二次污染的抑塵材料;借助現(xiàn)代化分析測試手段測定材料的抑塵性能，通過分子動力學模擬實現(xiàn)抑塵機理推演[33-35]，獲得影響材料性能的主要因素并改進優(yōu)化合成方法;對復合型抑塵材料[36-38]進行現(xiàn)場應用，并構建更為科學合理的評價指標體系。

4.4 干式高效過濾除塵技術

研究褶結(jié)構與濾料有效過濾面積內(nèi)在關系，研發(fā)適用于煤礦井下狹小空間高濃度粉塵作業(yè)場所的褶式濾筒，針對分排脈沖清灰各濾筒之間清灰均勻性差的問題，構建噴吹管均勻性優(yōu)化方法，研發(fā)高均勻性行噴脈沖清灰系統(tǒng)(圖3)[39-40]。

圖3 干式高效過濾除塵材料Fig.3 Dry high-efficiency filter dust removal material

4.5 采煤機配套一體化高效除塵技術

通過優(yōu)化除塵裝備安裝位置及進、出風口布置方式，實現(xiàn)采煤工作面塵源粉塵高效捕集，同時研發(fā)高效、低阻、高容塵量的新型復合金屬網(wǎng)濾料，優(yōu)化除塵裝備內(nèi)設結(jié)構和高壓霧化參數(shù)，實現(xiàn)含塵氣流高效凈化(圖4)。

圖4 采煤機配套一體化高效除塵Fig.4 Integrated and efficient dust removal for coal shearer

4.6 液壓支架架間局部密閉隔塵技術

針對工作面移架過程中會產(chǎn)生大量粉塵的問題，研發(fā)液壓支架架間局部密閉隔塵裝置，該裝置向采空區(qū)方向傾斜，便于頂板落煤通過自重下滑至支架后方采空區(qū)，同時前梁處安裝的局部密閉隔塵裝置垂向長度應滿足支架前移相同距離的偏移量，進而實現(xiàn)液壓支架移架產(chǎn)塵的源頭減塵(圖5)。

4.7 采煤機塵源自動跟蹤噴霧降塵技術

根據(jù)現(xiàn)場支架型號、采高、距離、噴霧裝置安裝位置等進行噴霧裝置的設計，選取合理的霧化角和有效射程以及抗風性能。一般將噴霧裝置安裝在支架前方頂梁上，根據(jù)安裝位置、支架可利用預留孔進行安裝組件的設計和定制。系統(tǒng)采用紅外對射原理來識別采煤機位置，發(fā)射器安裝于采煤機背面中部位置，并從采煤機上引出12 V直流電作為發(fā)射器供電電源(圖6)。

圖5 液壓支架架間局部密閉隔塵裝置示意Fig.5 Schematic diagram of local airtight dust isolation device between hydraulic supports

4.8 難密封塵源高效捕收技術

通過對轉(zhuǎn)運、卸載等過程揚塵擴散規(guī)律的研究，揭示氣流主導型粉塵逃逸機制[41-42]，研發(fā)風幕軟密封與攜塵氣流適當衰減的協(xié)同收塵技術[43](圖7)，解決難密封源粉塵逃逸的難題。

圖6 采煤機塵源自動跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)組成示意Fig.6 Schematic diagram of the composition of the coal shearer dust source automatic tracking spray dust suppression system

圖7 風幕軟密封控塵系統(tǒng)Fig.7 Air curtain soft sealing dust control system

4.9 綜掘機氣液聯(lián)動吸風噴霧降塵技術

基于“就地除塵、源頭治理”原則，研究掘進機結(jié)構尺寸及工作面煤塵產(chǎn)生規(guī)律，秉承“不影響作業(yè)人員作業(yè)、質(zhì)量輕、尺寸小、易安裝、易操作、噪聲低、防堵塞、不用電”等原則，開發(fā)有效覆蓋掘進塵源的綜掘機機載氣液聯(lián)動吸風噴霧技術，并優(yōu)化了裝置安裝、布控等技術(圖8)。

圖8 截割塵源負壓抽塵技術示意Fig.8 Theoretical framework and technical system of ecological protection in coal mines

5 高效率個體防護技術與裝備

個體防護用品對保證煤礦工人健康安全至關重要。做好井下粉塵的個體防護，首先要引入以呼吸性粉塵為主的煤礦職業(yè)危害在線監(jiān)測技術，將人員呼吸情況與監(jiān)測點粉塵實時濃度數(shù)據(jù)相結(jié)合，有效評估個體累積接塵量，相關信息實時上傳職業(yè)健康評價系統(tǒng);其次，開展多種技術路線的個體防護裝備研制，包括基于個體呼吸需求的智能送風技術、自帶動力的壓差型過濾式供風呼吸器，攜帶高壓清潔瓶裝空氣的過濾式供風呼吸器等，保證工人吸入清潔的空氣;最后，基于職業(yè)健康監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，充分利用粉塵分源防控技術，做到井下空間粉塵濃度控制與高效佩戴個體防護裝備相互匹配。

5.1 個體粉塵質(zhì)量濃度在線監(jiān)測技術

研發(fā)基于錐形元件振蕩質(zhì)量天平原理的個體呼吸性粉塵監(jiān)測儀，通過粉塵氣樣連續(xù)采集、稱重、質(zhì)量濃度測定與流態(tài)控制等，實現(xiàn)煤礦工人個體粉塵暴露濃度的實時在線監(jiān)測。

5.2 個體動態(tài)呼吸流量實地實時監(jiān)測技術

基于風流穿過濾網(wǎng)時壓降與流速之間的二次函數(shù)關系，研究工人佩戴個體防塵呼吸器作業(yè)時的呼吸阻力可視化呼吸流量時變曲線，研發(fā)新型便攜式個體呼吸監(jiān)測儀[44](圖9)，實地實時無干擾監(jiān)測工人作業(yè)狀態(tài)的呼吸流量。

圖9 個體動態(tài)呼吸流量實地實時監(jiān)測技術Fig.9 Field real-time monitoring technology of individual dynamic respiratory flow

5.3 個體呼吸流量仿真模擬技術

圖10為仿人呼吸儀工作原理，該儀器主要由數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，內(nèi)置控制系統(tǒng)以及電動傳動缸3部分組成。通過數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)導入呼吸特征參數(shù)，這些數(shù)據(jù)被傳輸至內(nèi)置控制系統(tǒng)，繼而被轉(zhuǎn)換為電信號并發(fā)送給電動傳動缸，電動傳動缸接收信號并開啟相應動作。電動傳動桿前推模擬呼氣過程，后拉模擬吸氣過程，移動距離與潮氣量相對應，移動頻率則與呼吸頻率相一致，通過電信號控制傳動桿的移動方向、移動距離、移動頻率以及移動速率可以模擬出人體呼吸流量。

圖10 仿人呼吸儀工作原理Fig.10 Working principle diagram of human-like breathing apparatus

5.4 基于個體呼吸需求的智能送風技術

利用數(shù)碼相機結(jié)合三維建模軟件確定醫(yī)護及病患樣本組代表性頭面尺寸，通過3D打印技術獲取由透明柔性硅膠材料制成的黏彈性復式半面罩。在自制半面罩內(nèi)置高精度微壓傳感器(100 Hz)對罩具內(nèi)外壓差進行實時監(jiān)測，基于壓差-空氣流量關系曲線，壓差被反算為流量進而轉(zhuǎn)換為電信號，電信號被傳輸至罩具內(nèi)置的伺服控制系統(tǒng)并開啟濾盒內(nèi)風扇的相應動作，研制基于呼吸需求自主調(diào)節(jié)供風量的高效舒適智能送風過濾式呼吸器。

5.5 個體防護裝備研制

基于煤礦井下防塵擴散規(guī)律，研制集呼吸性粉塵在線監(jiān)測、基于個體呼吸需求智能送風、自帶動力的壓差型過濾式供風呼吸器或攜帶高壓清潔瓶裝空氣的過濾式供風呼吸器等為一體的輕量化、舒適型、智能型個體防護裝置，為井下工人吸入清潔空氣提供技術保障。

6 結(jié) 論

(1)從煤礦職業(yè)健康防護源頭出發(fā)，系統(tǒng)分析了我國塵肺病發(fā)病成因以及治理現(xiàn)狀，立足煤礦井下生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定，提出了統(tǒng)籌煤礦建設-生產(chǎn)全周期的井下生態(tài)保護理念。

(2)基于開采源頭減塵、降塵的煤礦開采規(guī)劃布局及開采工藝技術，形成煤礦井下生態(tài)保護新模式，為降低井下粉塵含量、減少煤塵積聚、防止煤塵爆炸、改善井下作業(yè)環(huán)境提供了新思路。

(3)針對煤礦井下粉塵分源分區(qū)產(chǎn)塵及擴散特點，建立了煤礦井下生態(tài)保護關鍵技術體系，提出了基于優(yōu)化開采布局和煤層注水增潤的源頭減塵關鍵技術和通過研制抑塵劑進行化學降塵的思路，通過裝備研發(fā)實現(xiàn)了采煤工作面、掘進工作面、巷道等不同區(qū)域分區(qū)降塵。

(4)通過井下不同區(qū)域粉塵監(jiān)測，獲得井下不同區(qū)域接塵風險，借助井下工人個體呼吸流量實時監(jiān)測，獲得井下工人呼吸特性，研制舒適型、智能型個體防護裝置，為井下工人吸入清潔空氣提供技術保障。