王 平 路國強 徐 洋

（1.國家能源集團國神公司三道溝煤礦；2.國家衛(wèi)生健康委職業(yè)安全衛(wèi)生研究中心）

我國煤炭資源豐富，煤炭始終是我國主要能源［1］。近年來，我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，對煤礦資源的需求量急劇增加，煤炭消費量更是達到一次能源消費量的60%［2-3］，為滿足社會對煤礦資源日益提高的消耗量，煤礦開采深度及強度不斷加劇。煤礦開采過程中各環(huán)節(jié)均會產(chǎn)生大量粉塵，粉塵污染對企業(yè)安全生產(chǎn)造成極大威脅，嚴重影響工人的職業(yè)健康［4］，極易誘發(fā)塵肺病。據(jù)統(tǒng)計，2018 年煤炭工人新發(fā)塵肺病病例占塵肺病病例數(shù)高達83%［5］，2020共通報職業(yè)病病例101.1 萬例，其中90.3 萬例為職業(yè)性塵肺病，占比高達90%，煤炭行業(yè)職工占多數(shù)［6-7］，截至2021 年底，全國共報告職業(yè)性塵肺病患者91.5 萬例。塵肺病仍將是我國危害最大的職業(yè)病，因此，我國粉塵防止技術(shù)研究刻不容緩。

現(xiàn)階段，綜合考慮煤礦所處的地質(zhì)條件及其他因素，煤礦主要采用通風除塵、煤層注水、噴霧降塵、化學除塵等手段控制污染。國內(nèi)外學者對粉塵治理手段持續(xù)進行探索和實踐，并取得了豐碩的研究成果，煤礦安全保障和職業(yè)健康水平進一步提高；但目前大多數(shù)研究僅僅是針對某一種技術(shù)展開的，而對各種技術(shù)交叉融合、綜合應(yīng)用的研究相對較少。因此，為了推動我國粉塵防治技術(shù)朝高效、環(huán)保、經(jīng)濟的方向發(fā)展，通過對煤礦粉塵的產(chǎn)生、特性及危害的介紹，總結(jié)了現(xiàn)階段粉塵防治技術(shù)的研究現(xiàn)狀及成果，分析了各種技術(shù)之間的不足之處，并對今后的研究提出建議和展望。

1 煤礦粉塵的產(chǎn)生、特性及危害

1.1 煤礦粉塵的產(chǎn)生

粉塵存在于煤礦開采、運輸、加工各個環(huán)節(jié)中。煤礦開采過程中，機械設(shè)備在煤層和巖層上鉆孔、打眼、爆破、掘進隧道時，煤層和巖層均會受到不同程度的破壞，其表面的細小顆粒狀固體由于遭到破壞脫離本體，隨氣流漂浮形成粉塵，并在裝載、落煤、運輸和提升時，都會有不同形式和不同程度的粉塵產(chǎn)生，在掘進巷道與回采巷道交會時也會產(chǎn)生大量的粉塵。粉塵產(chǎn)生的形式與數(shù)量和煤礦所處的地質(zhì)條件、開采方式、煤巖性質(zhì)以及通風情況等因素存在緊密聯(lián)系，開采過程中因摩擦、碰撞、沖擊和破碎等原因，形成大小不同、形狀各異、質(zhì)量不同的固體顆粒。

1.2 煤礦粉塵的特性

1.2.1 凝并性

凝并是指單獨運動的粉塵顆粒的相對運動以及在某一時刻發(fā)生碰撞的結(jié)果（圖1）。空氣中的小粒徑粉塵受布朗運動、速度梯度、流體的紊流運動及其他外力作用黏結(jié)成大粒徑粉塵顆粒，便于除塵器精準捕捉粉塵，同時大幅降低了捕集過程中所消耗的能量。

1.2.2 潤濕性

煤塵顆粒和液體表面接觸時，二者是否相互附著，融合難易程度的性質(zhì)稱煤塵的潤濕性。一般通過濕潤邊界角來表征粉塵的潤濕性。圖2 是粉塵潤濕邊界角。懸浮的粉塵與空氣碰撞時，在其表面形成保護層，液體逐漸將粉塵內(nèi)的空氣排出，與之融合，變化過程如圖3所示。

1.2.3 爆炸性

不同煤種在不同的條件下，爆炸的上下限不同。通常來說，爆炸下限濃度為30 g/m3，上限濃度為2 000 g/m3，且具有最強爆炸性的濃度范圍為300～500 g/m3。當粉塵濃度達到爆炸下限濃度，處于游離狀態(tài)的粉塵遇到明火、電火花或其他高溫熱源時，將會發(fā)生粉塵爆炸事故。通常，引發(fā)爆炸的溫度為650～990 ℃。此外，煤塵爆炸過程中，還會釋放大量熱能、一氧化碳、二氧化碳，爆炸火焰最高溫度可高達2 000～2 500 ℃，極其危險。

1.3 煤礦粉塵的危害

（1）對煤礦工人的危害。對人體的危害主要是感染呼吸系統(tǒng)和產(chǎn)生各種有毒有害物質(zhì)，影響人體健康，誘發(fā)塵肺病。除了職業(yè)性塵肺病外，還會伴隨著肥大性鼻炎、眼角膜損害、粉刺、毛囊炎等出現(xiàn)。

（2）粉塵具有較強的易爆性。采煤工作面產(chǎn)生的粉塵幾乎為爆炸性粉塵，當井下粉塵濃度超出安全標準，且遇到明火、電火花或其他特殊情況時，極易發(fā)生爆炸，并有大量熱能和有毒有害氣體伴隨著接連發(fā)生的一系列爆炸釋放，嚴重威脅操作人員生命安全。

（3）縮短了設(shè)備的使用壽命。粉塵在工作面和巷道大量積聚，使一些精密儀器的閥門開關(guān)、儀表等薄弱部位磨損嚴重，加快儀器的老化，影響儀器的工作效率，甚至導致一些儀器無法正常運轉(zhuǎn)，不僅存在許多潛在的安全風險，還導致資源浪費和經(jīng)濟損失。

（4）對采掘工作有一定的影響。在井下的部分工作面，煤塵濃度高，嚴重影響作業(yè)人員的視線，降低能見度，從而導致操作失誤，引發(fā)工傷事故以及嚴重的安全事故。

2 煤礦粉塵防治技術(shù)

2.1 通風除塵

通風除塵是利用礦井通風系統(tǒng)中的風機作為動力，將外部新鮮空氣輸送到粉塵源處和粉塵濃度高的地方，利用氣流稀釋和排除礦井空氣中的粉塵，防止粉塵大量積聚，超過濃度標準，最后利用風力原理排出污濁氣流。

2.1.1 壓入式通風

壓入式通風能將風送到更遠的產(chǎn)塵點，出風口處有效距離相對較長，污風排除能力強。然而，粉塵會在巷道內(nèi)沉積和揚起，對巷道造成嚴重污染，污染范圍較大，且回風巷道內(nèi)的工作人員正好處于污風中。

陳紹杰等［8］根據(jù)氣-固兩相流理論，運用Fluent數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建了掘進巷道的幾何模型（圖4），在使用壓入式通風的掘進巷道中對不同風筒出風口處的風速和風筒位置下的流場和粉塵漂浮運移規(guī)律進行了模擬。結(jié)果表明：在風速增大的過程中，風流速度主要集中在風筒下方及對角處，并在x=3 m 處逐漸形成渦流區(qū)域；粉塵懸浮時間縮短，巷幫及巷道頂?shù)装宀蹲椒蹓m量增大，巷道出口排塵速率及排塵量增大；粉塵擴散情況隨風筒與工作面距離增加而嚴重，在空氣中停留時間變長，軌跡越來越紊亂，出口處排塵量減小，除塵效率下降。姜婉［9］通過數(shù)值模擬，研究了風筒位置變化對風流和粉塵分布的影響規(guī)律以及風速對粉塵運移和沉積的影響規(guī)律，實驗結(jié)果表明：壓入式通風中，風筒距頂板75 cm 時風速值最為集中，回流發(fā)展較好，排塵效率最高；粉塵濃度沿巷道走向呈先下降后穩(wěn)定的趨勢，沿巷道3～4 m范圍內(nèi)沉積情況較為嚴重，出現(xiàn)大粒徑粉塵堆積的現(xiàn)象，離迎頭越遠，沉積的粉塵粒徑越小。

2.1.2 抽出式通風

抽出式通風從根源上排除礦塵，將噴霧設(shè)備置于風機內(nèi)對礦塵進行凈化處理，再將其排出至巷道。抽出式通風的缺點是送風距離短，有效距離較短，風筒為骨架風筒，造成了勞力強度較大，降塵范圍窄，能力不足等問題。

張凱等［10］基于數(shù)值模擬，采用歐拉-拉格朗日法下的DPM 模型，對抽出式通風的風筒抽風口距掘進面距離和抽風筒風速進行模擬研究，結(jié)果表明：當距離為5 m，風速為8 m/s 時，粉塵濃度相對較低，擴散范圍較小，具有良好的除塵效果。郭奮超等［11］分別對壓入式和抽出式通風下的粉塵運移規(guī)律進行數(shù)值模擬分析研究，并根據(jù)實際情況設(shè)計了一套抽出式通風除塵系統(tǒng)（圖5），結(jié)果表明：掘進機司機處總粉塵降塵效率高達96.01%，呼吸性粉塵降塵效率達到92.02%，機尾10 m 處總粉塵和呼吸性粉塵降塵效率高達到99.06%、97.47%，取得了顯著的降塵效果。

2.1.3 混合式通風

牟國禮等［12］利用Fluent 對長壓短抽通風系統(tǒng)參數(shù)進行模擬，結(jié)果表明：壓風量為500 m3/min、抽風量為436 m3/min 時風流場效果最好；并開展氣-固兩相流數(shù)值仿真模擬，結(jié)果表明：在綜掘面使用長壓短抽通風系統(tǒng)，掘進頭周圍粉塵濃度在300 mg/m3以上，相對較高，沿程逐漸降低，絕大部分粉塵集中在掘進頭至抽風口的范圍內(nèi)，可以最大程度地將粉塵排到工作面外。夏潤等［13］依據(jù)氣體-固體兩相流理論，基于Gambit 技術(shù)，構(gòu)建工作面模型并進行網(wǎng)格劃分，通過數(shù)值模擬，分別對壓入式通風除塵系統(tǒng)、抽壓混合式通風系統(tǒng)下掘進工作面的粉塵分布規(guī)律以及除塵效果展開研究，得出結(jié)果：單獨使用壓入式通風系統(tǒng)進行除塵時效果較差，粉塵濃度相對較高，污染嚴重，而抽壓式通風除塵系統(tǒng)的除塵效率可高達85%以上。

2.2 煤層注水

在煤層中鉆孔并注入高壓水進行灌水處理，當壓力水通過注水鉆孔進入到煤體里以后，會均勻分布在煤體的裂隙、孔隙以及一些超微細孔隙中，充分濕潤煤體，減少粉塵飛揚。但由于我國大多數(shù)煤礦的煤層裂孔隙發(fā)育不是十分理想，連通性并不好，水流在煤層中的滲透阻力不可預知，且該過程中流量也在不斷變化，此外，受注水時間、注水速度、鉆孔半徑等因素的影響，降塵效果達不到預期效果。

常亞男等［14］運用COMSOL 仿真軟件，對不同鉆孔半徑下等值線的分布規(guī)律和不同壓力下滲流速度分布規(guī)律進行模擬研究，結(jié)果表明：注水鉆孔附近壓力等值線呈橢圓形分布，由等值線可以發(fā)現(xiàn)水平方向上滲透性優(yōu)于垂直方向，并且隨著與鉆孔距離的增加，等值線越來越稀疏，滲透速度越來越小。黃山［15］利用FLAC3D建立煤層注水模型，對注水壓力、注水時間與注水鉆孔周圍水壓間的作用規(guī)律展開研究（圖6），結(jié)果表明：注水時間相同時，注水半徑與注水壓力呈正相關(guān)；保持注水壓力不變，注水20 min 后，注水半徑隨時間變大。

2.3 噴霧降塵

噴霧降塵是高壓霧化噴嘴噴出的水霧與粉塵相凝結(jié)，增加粉塵的自重并使其沉降。噴霧降塵技術(shù)經(jīng)濟、實用，操作簡單方便，具有良好的降塵效果，但由于噴嘴類型、噴霧機理、噴嘴布局、噴霧參數(shù)、煤塵參數(shù)等因素對噴霧降塵的影響，噴出的水霧質(zhì)量并不高，并且普遍存在捕塵動力不足、噴頭易堵塞、能耗高等問題［16］，不僅影響了降塵效果，還增加人力檢修成本。

荊德吉等［17］通過霧化降塵交叉試驗對不同條件下的降塵效率進行測定，得到磁-電耦合作用下噴霧對全塵的降塵效率為97.84%，對呼塵的降塵效率高達95.82%。王鵬飛等［18］搭建了氣水噴霧降塵實驗平臺（圖7），測試了出口直徑變化下的空氣霧化噴嘴流量、霧化特性和降塵性能，結(jié)果表明：在出口直徑增加過程中，噴嘴耗水量基本呈線性上升，耗氣量呈指數(shù)增長，霧化角隨出口直徑的增大呈先增大后減小的趨勢，且直徑為2.0 mm 霧化質(zhì)量最好。荊德吉［19］等研發(fā)了一種新型渦旋氣動霧幕控塵裝置模型（圖8），采用CFD 軟件研究了裝置內(nèi)部的風流速度場特性、霧滴粒子渦旋運動規(guī)律（圖9），研究結(jié)果表明：以75°安裝噴嘴，水壓為8 MPa，風機風速設(shè)定為12 m/s時，裝置性能最優(yōu)，此時渦旋霧幕覆蓋范圍最大，降塵能力最佳。

2.4 化學抑塵

化學抑塵是通過將表面活性劑加到表液體中，從而提高液體對粉塵的潤濕能力，提高降塵率，在礦井粉塵治理中表現(xiàn)出較好的效果，但是與噴霧降塵相比，其工藝較復雜，成本較高，盡管對粉塵的捕集效率明顯提高，但對水的需求量并沒有顯著減少。

2.4.1 表面活性劑復配技術(shù)

曾康生等［20］從大量表面活性劑中優(yōu)選出效果較好的幾種進行復配，基于所設(shè)計的優(yōu)化復配實驗方案制備了一種效果良好的降塵潤濕劑，并在現(xiàn)場應(yīng)用，除塵效率高達到91%。XU 等［21］分別對SDS、SDDS、SDBS 對煤塵的潤濕能力進行測試，包括煤塵接觸角、表面張力、潤濕時間等參數(shù)（圖10），結(jié)果表明：選用同一種陰離子表面活性劑時，吸附密度和煤塵表面親水位點隨濃度上升而增加，潤濕率得以提高。LI 等［22］全面分析了煤塵物理性質(zhì)及潤濕過程（圖11）。

2.4.2 泡沫抑塵技術(shù)

蔣仲安等［23］分析泡沫除塵機理改進泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)（圖12），并進行測試，設(shè)備表現(xiàn)出較好的性能。孟慶國等人［24］使用改進后的Ross-Miles方法，基于表面活性劑的協(xié)同作用，深入研究了泡沫除塵中表面活性劑的發(fā)泡性能以及泡沫持久性和穩(wěn)定性，通過測量潤濕性確定最終效果，得出當APG∶PAC∶APEO∶AEG=80∶1∶40∶0 除塵效率最高，并在實踐中應(yīng)用。陳貴等［25］依據(jù)已知的粉塵運動規(guī)律和粉塵濃度分布情況，運用模擬軟件對大斷面巖巷綜采面進行了模擬研究。此外，還設(shè)計了一套泡沫降塵工藝系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于綜采工作面，達到了最佳的降塵效果。

3 總結(jié)與展望

近年來，隨著我國煤炭行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)以及設(shè)備機械化程度不斷提高，所面臨的挑戰(zhàn)越來越嚴峻，煤礦工人的健康和環(huán)境保護遭遇嚴重威脅。針對粉塵污染問題，國內(nèi)外學者不斷努力探索粉塵治理方法，促使我國粉塵防治取得很多突破性成就，然而，受煤礦的地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存條件、煤巖物理性質(zhì)、環(huán)境溫度和濕度、開采方式等眾多因素的影響，我國粉塵防治技術(shù)依然存在較大的進步空間，為進一步提高粉塵治理效率，提出以下建議和展望。

（1）井下各生產(chǎn)環(huán)節(jié)均會產(chǎn)生大量粉塵，僅憑單一的降塵技術(shù)，難以達到理想的治理效果。為此綜合考慮各技術(shù)的優(yōu)缺點，將其深度交叉融合，研發(fā)出集化學、噴霧等技術(shù)優(yōu)點一體化的治理手段，實現(xiàn)單一降塵手段向多種技術(shù)復合應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。

（2）在通風除塵方面，呼吸性粉塵的危害最大，除塵器研發(fā)應(yīng)朝除塵效率高、體積小、輕便，集干式、濕式、干濕混合式于一體的方向發(fā)展。

（3）在煤層注水方面，從量上分析煤體的滲透率與分形結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，基于分子模擬研發(fā)集滲透力強、潤濕速度快一體的材料以提高降塵效率。

（4）在噴霧降塵方面，不斷改進各類噴嘴，研發(fā)具有射程更遠、耗水量低、霧滴粒徑小的霧化器；從巷道粉塵擴散速度快的角度出發(fā)，設(shè)計出受返風影響小、能大面積噴灑塵源的噴霧降塵系統(tǒng)。

（5）在抑塵劑方面，利用天然有機聚合物材料，通過自由基聚合、光合能催化等反應(yīng)機理，制備低成本、無毒、無害、無二次污染的環(huán)境友好型抑塵材料。