陳明軍

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原，030003)

0 引言

煤礦井下高濃度粉塵引發(fā)的塵肺病是我國(guó)煤礦企業(yè)現(xiàn)階段急需解決的重大職業(yè)健康問(wèn)題。截止 2018 年底，我國(guó)累計(jì)報(bào)告職業(yè)性塵肺病病例87.3萬(wàn)例，其中絕大多數(shù)來(lái)于煤礦從業(yè)工人，并且其病例數(shù)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)[1]。受開(kāi)采工藝的限制，煤礦井下不僅不能做到封閉塵源，還要將塵源暴露在高速風(fēng)流中。因此，煤礦井下粉塵具有濃度大、污染范圍廣的特點(diǎn)。例如：在掘進(jìn)工作面，粉塵濃度可高達(dá)1 140 mg/m3[2-3]，整個(gè)掘進(jìn)巷道深受其害；采煤工作面粉塵濃度能達(dá)770 mg/m3，呼吸性粉塵濃度占比達(dá)到了約50%[4-5]。

防塵面罩是煤礦工人健康呼吸的最后屏障，煤礦井下惡劣的粉塵環(huán)境對(duì)其過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力以及容塵量均提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。過(guò)濾阻力和過(guò)濾效率通常是一對(duì)矛盾體，為了獲得高效低阻濾膜，研究人員將纖維直徑降至納米尺度，通過(guò)增加纖維的比表面積增加對(duì)微細(xì)粉塵的捕獲效率[4-5]，在相同的過(guò)濾效率下，相對(duì)于微米級(jí)纖維，納米纖維的過(guò)濾阻力能降低12%[6]。在纖維材料內(nèi)添加駐極體，使纖維材料帶上一定的電荷，加強(qiáng)靜電作用對(duì)微細(xì)粉塵的吸附，可以在保證過(guò)濾效率的同時(shí)降低過(guò)濾阻力。經(jīng)駐極處理以后，纖維濾膜對(duì)0.3 μm粉塵的捕集效率從25%～50%提升到80%～93%[7-8]。

針對(duì)容塵量問(wèn)題，唐敏[9]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于純纖維濾膜，容塵量從0 g/m2增加到5 g/m2時(shí)，過(guò)濾壓力從170 Pa快速增加到450 Pa;劉朝軍等[10]通過(guò)在線改變紡絲工藝，增大濾膜中纖維直徑的分布范圍，增大濾膜孔隙率提高容塵量；杜齊等[11]建立了梯度結(jié)構(gòu)的雙層濾料，采用分層過(guò)濾提高容塵量；宋強(qiáng)等[12]通過(guò)加入癸二酸二異辛酯，改變粉塵表面的親水性，使粉塵在濾膜纖維上呈聚集態(tài)，減少對(duì)濾膜孔徑的堵塞。

雖然上述方法在一定程度上提高了濾膜的容塵性，但是對(duì)于類(lèi)似煤礦井下的高濃度粉塵環(huán)境，其容塵量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足使用要求。本文在前期提出的基于輕質(zhì)微球的多級(jí)過(guò)濾組件的基礎(chǔ)上[13]，設(shè)計(jì)多級(jí)過(guò)濾防塵面罩，并進(jìn)行煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 基于輕質(zhì)微球多級(jí)過(guò)濾面罩的設(shè)計(jì)

高濃度多級(jí)過(guò)濾組件原理如圖1所示。1級(jí)過(guò)濾采用填充聚苯乙烯(PS)泡沫顆粒的顆粒層，用于提高過(guò)濾組件容塵量，并實(shí)現(xiàn)過(guò)濾組件的及時(shí)清灰；2級(jí)過(guò)濾采用靜電紡絲納米纖維膜，確保吸入空氣的潔凈度。為保證顆粒床在清灰過(guò)程中有足夠的流化空間，過(guò)濾組件在含塵氣流入口段為錐形通道，PS發(fā)泡顆粒的填充率為95%。

圖1 多級(jí)過(guò)濾組件原理

在吸氣負(fù)壓作用下，含塵氣流首先經(jīng)過(guò)PS泡沫顆粒層，在顆粒層內(nèi)，大部分粉塵在慣性碰撞、擴(kuò)散以及PS泡沫顆粒表面靜電的作用下，被PS泡沫顆粒層濾除。未被顆粒層濾除的微小粉塵被2級(jí)纖維濾膜濾除，使進(jìn)入人體內(nèi)的空氣質(zhì)量滿足要求，如圖1(a)所示。經(jīng)過(guò)一定的使用時(shí)長(zhǎng)后，依靠嘴輔助呼氣，形成較大的反吹風(fēng)(或震動(dòng))使PS泡沫顆粒層流化。PS顆粒間相互發(fā)生激烈的碰撞，沉積在PS顆粒層內(nèi)部的粉塵從PS顆粒表面分離、脫落，并在重力或呼出氣流的作用下，通過(guò)多孔的外框、掉入容塵腔或排出呼吸組件，從而解決防塵面罩在高濃度粉塵環(huán)境下阻力急劇增加的難題，如圖1(b)所示。

根據(jù)提出的多級(jí)過(guò)濾組件原理，對(duì)多級(jí)過(guò)濾防塵面罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。多級(jí)過(guò)濾防塵面罩在傳統(tǒng)防塵面罩的基礎(chǔ)上，增加了泡沫過(guò)濾層，用于攔截粉塵中的粗顆粒，減少濾膜的負(fù)擔(dān)。為了避免泡沫顆粒層對(duì)使用者的視野造成影響，泡沫顆粒層的厚度設(shè)計(jì)為20 mm[13]，泡沫顆粒層最高點(diǎn)與濾膜層最高點(diǎn)連成的直線與垂直距離方向成45°。為了減小呼入氣體的過(guò)濾阻力，在滿足視線要求的前提下，盡量增大吸入氣流的流通面積。在泡沫顆粒層框架內(nèi)粘貼250目(58 μm)的黃銅網(wǎng)，防止0.5 μm的泡沫泄漏[14]。泡沫顆粒層框架和濾膜框架采用3D打印的手段制備，并采用扣接的方式，便于泡沫顆粒和濾膜的更換。面部貼合件采用軟硅膠材料制作。泡沫層采用填充了0.5 μm的PS泡沫微球用于去除高濃度粉塵中大粒徑成分，高精度過(guò)濾層采用熔體電紡微納纖維復(fù)合濾膜，用于保證對(duì)微細(xì)粉塵的過(guò)濾效率。

圖2 多級(jí)過(guò)濾粉塵防護(hù)面罩

2 井下試驗(yàn)巷道概況

為了研究多級(jí)過(guò)濾防護(hù)面罩在煤礦井下環(huán)境的適應(yīng)性，在山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)下屬的雙柳煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選取的試驗(yàn)地點(diǎn)為61116掘進(jìn)巷道。掘進(jìn)巷道的基本工藝情況為：掘進(jìn)巷道寬度4.2 m，高度3 m，掘進(jìn)巷道已施工長(zhǎng)度300 m，巷道內(nèi)的溫度25 ℃，相對(duì)濕度70%。掘進(jìn)機(jī)的型號(hào)為EBZ160，截割頭端配置噴霧除塵。采用2臺(tái)錨桿鉆機(jī)進(jìn)行打孔支護(hù)，其中1臺(tái)配置水噴霧除塵，另1臺(tái)未配置水噴霧除塵。局部通風(fēng)機(jī)的型號(hào)為FBDNo6.3 2×30kW。掘進(jìn)機(jī)每截割1 m時(shí)，進(jìn)行1次支護(hù)，1次截割的時(shí)間約為20～30 min，每次支護(hù)時(shí)間在30～60 min。

巷道的具體布置如圖3所示。巷道施工工藝主要由掘進(jìn)工藝和支護(hù)工藝組成。在掘進(jìn)工藝中，煤體在截割頭旋轉(zhuǎn)截割作用下破碎并產(chǎn)生大量的粉塵。產(chǎn)生的粉塵在高速供風(fēng)氣流的帶動(dòng)下，運(yùn)移到巷道后方，造成巷道環(huán)境嚴(yán)重污染。除此之外，當(dāng)運(yùn)輸?shù)奈锪蠌木蜻M(jìn)機(jī)的刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至轉(zhuǎn)載機(jī)、以及轉(zhuǎn)載機(jī)將物料轉(zhuǎn)運(yùn)至膠帶運(yùn)輸機(jī)時(shí)，均有大量的煤塵產(chǎn)生。在支護(hù)工藝中，掘進(jìn)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和膠帶運(yùn)輸機(jī)都處于停機(jī)狀態(tài)，粉塵主要是由錨桿機(jī)產(chǎn)生。

圖3 試驗(yàn)巷道現(xiàn)場(chǎng)平面布置

每個(gè)生產(chǎn)班配置有8名工作人員。在掘進(jìn)工藝過(guò)程中，有1名掘進(jìn)機(jī)指揮者，在掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的左方；1名掘進(jìn)機(jī)司機(jī)，在掘進(jìn)機(jī)的右方，距離截割頭粉塵產(chǎn)生點(diǎn)約10 m；1名轉(zhuǎn)載機(jī)看護(hù)人員，距離截割頭粉塵產(chǎn)生點(diǎn)約25 m；其余人員在備料點(diǎn)與掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置的范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)備錨桿、錨網(wǎng)以及錨索等工作，其中備料點(diǎn)截割頭粉塵采樣點(diǎn)的位置約80 m。

為了考察多級(jí)過(guò)濾防塵面罩的使用壽命，分別以1次掘進(jìn)時(shí)長(zhǎng)(T0)、1次工藝循環(huán)(T1)、2次工藝循環(huán)(T2)和3次工藝循環(huán)(T3)為變量，采用CCX-2個(gè)體粉塵采樣器對(duì)試驗(yàn)人員附近的粉塵濃度進(jìn)行采樣測(cè)試。研究多級(jí)過(guò)濾防塵面罩的過(guò)濾效率，具體見(jiàn)表1。在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，巷道內(nèi)的粉塵濃度為12.5 mg/m3,將掘進(jìn)工藝和支護(hù)工藝共同測(cè)試時(shí)，巷道內(nèi)的粉塵濃度降至4.49 mg/m3,說(shuō)明支護(hù)工藝產(chǎn)生的粉塵量明顯小于掘進(jìn)工藝。在T1至T3的不同時(shí)段內(nèi)，巷道內(nèi)的粉塵濃度幾乎保持不變。

表1 試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)與掘進(jìn)工藝的對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)巷道中的煤塵進(jìn)行采樣，并采用激光粒度分析儀測(cè)量其粒徑分布，如圖4所示。由圖4可知，61116掘進(jìn)面的煤塵，直徑在10 μm以下的粉塵只占到5%，直徑在2.5 μm以下的粉塵約占2%。相對(duì)于巖巷掘進(jìn)，煤巷掘進(jìn)時(shí)，煤體更容易破碎，產(chǎn)生的煤塵粒徑更大[13]，更容易去除。

圖4 煤粉粒徑分布曲線

受供風(fēng)氣流的影響，作業(yè)點(diǎn)B，C，D受粉塵污染最嚴(yán)重。因此，在空間上，分別測(cè)試多級(jí)過(guò)濾防塵面罩在B，C，D點(diǎn)的過(guò)濾性能。以掘進(jìn)截割為固定時(shí)長(zhǎng)，采用CCX-2個(gè)體粉塵濃度儀對(duì)不同工位的粉塵濃度進(jìn)行測(cè)量，其粉塵濃度分布見(jiàn)表2。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的粉塵濃度最大，為12.5 mg/m3；其次是轉(zhuǎn)載機(jī)看護(hù)人員，為8.33 mg/m3；最后是備料點(diǎn)，為6.67 mg/m3。隨著與掘進(jìn)面距離的增加，煤塵中粒徑較大的成分組件從含塵氣流中析出，從而粉塵濃度逐漸降低。采用CFD25 防爆風(fēng)速儀對(duì)不同地點(diǎn)的巷道風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 不同工作地點(diǎn)的粉塵濃度和巷道風(fēng)速

3 井下試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同使用時(shí)長(zhǎng)對(duì)濾膜的污染

在不同的使用時(shí)長(zhǎng)下，傳統(tǒng)防塵面罩的濾膜與多級(jí)過(guò)濾防塵面罩的濾膜受污染情況對(duì)比如圖5所示。由圖5可以看出，在任何使用時(shí)長(zhǎng)下，多級(jí)過(guò)濾防塵面罩的濾膜普遍呈現(xiàn)白色，而傳統(tǒng)防塵面罩的濾膜幾乎被煤塵全部占據(jù)，呈現(xiàn)黑色。這說(shuō)明多級(jí)過(guò)濾防塵面罩前端的泡沫顆粒層能夠有效地阻擋煤塵，從而減小纖維濾膜的過(guò)濾負(fù)擔(dān)。當(dāng)使用時(shí)長(zhǎng)從T0增加到T3時(shí)，傳統(tǒng)防塵面罩濾膜中間部位的嚴(yán)重污染區(qū)域逐漸向?yàn)V膜周?chē)鷶U(kuò)散，直至煤塵將整個(gè)濾膜區(qū)域都完全污染。在沒(méi)有粉塵加載時(shí)，濾膜中間區(qū)域是流動(dòng)阻力最小的區(qū)域，吸入氣體首先由濾膜中部通過(guò)防塵口罩；隨著使用時(shí)長(zhǎng)的增加，煤塵逐漸在濾膜中間區(qū)域積累，濾膜中部的流動(dòng)阻力逐漸增大，含煤塵的吸入氣體轉(zhuǎn)向?yàn)V膜周?chē)鷧^(qū)域，由濾膜周?chē)鷧^(qū)域?qū)γ簤m進(jìn)行過(guò)濾。對(duì)于多級(jí)過(guò)濾防塵面罩，濾膜雖然也隨過(guò)濾時(shí)間的增加而逐漸變得更黑，但是其變黑的速度明顯低于傳統(tǒng)的防塵面罩。

圖5 不同使用時(shí)長(zhǎng)的濾膜受污染情況對(duì)比

進(jìn)一步通過(guò)測(cè)量、對(duì)比傳統(tǒng)面罩濾膜和多級(jí)過(guò)濾防塵面罩濾膜的增重情況，獲得泡沫顆粒層對(duì)粉塵捕集能力隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖6所示。泡沫顆粒層對(duì)煤塵的過(guò)濾效率普遍大于93%，能很好地減小纖維膜的過(guò)濾負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)纖維濾膜的有效使用時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)過(guò)濾時(shí)長(zhǎng)由T1增加到T3時(shí)，泡沫顆粒層對(duì)煤塵的攔截效率由93.1%上升到96.0%。這主要是由于隨著煤塵在泡沫顆粒層的堆積，泡沫顆粒層的孔徑逐漸降低，從而增強(qiáng)了對(duì)煤塵的捕獲能力[15]。

圖6 使用時(shí)長(zhǎng)對(duì)PS泡沫層過(guò)濾效率及濾膜過(guò)濾阻力的影響

對(duì)使用過(guò)后濾膜的阻力進(jìn)行測(cè)試，在流量為85 L/min的條件下，多級(jí)過(guò)濾防塵面罩的濾膜幾乎不隨時(shí)間發(fā)生變化，恒定在89.5 Pa附近；傳統(tǒng)面罩濾膜由于沉積了粉塵，過(guò)濾阻力隨時(shí)間逐漸升高，使用25 min的過(guò)濾阻力90.5 Pa，使用230 min的過(guò)濾阻力增加到93.2 Pa。

3.2 不同使用地點(diǎn)對(duì)濾膜的污染

在1個(gè)截割周期內(nèi)巷道內(nèi)不同地點(diǎn)防塵濾膜的污染程度如圖7所示。在相同時(shí)間內(nèi)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處的濾膜污染程度大于備料點(diǎn)濾膜的污染程度，這主要是因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)司機(jī)處的濃度為12.5 mg/m3,大于備料點(diǎn)處的粉塵濃度6.67 mg/m3。多級(jí)過(guò)濾防塵面罩的纖維濾膜污染程度也是掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處大于備料點(diǎn)處，但差別不是很明顯。

圖7 巷道內(nèi)不同地點(diǎn)防塵濾膜的污染程度

巷道內(nèi)不同地點(diǎn)泡沫顆粒層的過(guò)濾效率及濾膜過(guò)濾阻力如圖8所示。對(duì)使用過(guò)后濾膜的阻力進(jìn)行測(cè)試，在流量為85 L/min的條件下，多級(jí)過(guò)濾防塵面罩濾膜的過(guò)濾阻力(89.4 Pa)稍微低于傳統(tǒng)面罩的濾膜阻力(90.9 Pa)。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處的過(guò)濾效率最低，僅為93%，距離掘進(jìn)面越遠(yuǎn)，泡沫顆粒層的過(guò)濾效果越高，在備料點(diǎn)，泡沫顆粒層的過(guò)濾效率達(dá)到了96%。這與掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處的粉塵濃度最高，煤塵中含有的大粒徑比重大，泡沫顆粒層過(guò)濾效果應(yīng)該最好的預(yù)期完全相反。這可能跟巷道內(nèi)風(fēng)速分布有關(guān)[15]。受巷道內(nèi)風(fēng)筒布置的影響，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處的風(fēng)速最高，可達(dá)0.7 m/s，當(dāng)面向掘進(jìn)面呼吸時(shí)，巷道內(nèi)的風(fēng)速直接吹向泡沫顆粒層，使泡沫顆粒層中表層的泡沫顆粒產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，使過(guò)濾效率較低。當(dāng)距離掘進(jìn)面越遠(yuǎn)，巷道內(nèi)的風(fēng)速逐漸減低，最終趨近于平緩的0.2 m/s，對(duì)于顆粒層表面的影響降低，從而使過(guò)濾效率逐步提升至96%。

圖8 巷道內(nèi)不同地點(diǎn)泡沫顆粒層的過(guò)濾效率及濾膜過(guò)濾阻力

4 結(jié)論

1)基于輕質(zhì)微球的多級(jí)過(guò)濾防塵面罩能很好地適應(yīng)煤礦的高濃度粉塵環(huán)境。1級(jí)輕質(zhì)微球能夠阻擋煤塵中93%以上的粉塵。

2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明輕質(zhì)微球的過(guò)濾效率隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷增加；巷道風(fēng)速越大，輕質(zhì)泡沫顆粒層的過(guò)濾效率越低，但過(guò)濾效率均保持在93%以上。

3)輕質(zhì)泡沫層能有效延長(zhǎng)高效濾膜的使用時(shí)間，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，輕質(zhì)泡沫層在降低纖維濾料過(guò)濾阻力方面的效果越明顯。