煤矿粉尘源头抑制与精准防控基础研究及关键技术

第1章　绪论 煤炭是我国的主要能源和重要的工业原料，但煤矿建设和生产过程中产生的粉尘直接威胁矿井安全生产，损害职工身心健康，破坏矿区生态环境。煤矿粉尘防治是实现煤炭工业安全、健康、绿色发展的重大需求和紧迫任务。本章扼要介绍煤矿粉尘的危害与防治形势、煤矿粉尘源头防控理论与技术发展现状。 1.1　煤矿粉尘的危害及其防治形势 煤矿粉尘是煤炭开采活动中昀主要的职业病危害因素。煤矿工人长期吸入高浓度粉尘可导致肺部组织发生不可治愈性的纤维性病变——尘肺病，使其痛苦终生，直至因尘肺病而失去生命。尘肺病是煤矿工人昀主要、昀严重的职业病，广泛存在于世界各主要产煤国。美国煤矿1970～2004年因尘肺病共计造成69337人死亡[1]，仅2000～2013年因矿工尘肺病造成的经济损失超过56.7亿美元[2]。澳大利亚在2016年筛查了248名煤矿工人，其中7.3%患有初期尘肺病[3]。1990～2013年，全球范围内因尘肺病引起的死亡人数迅速增加[4]，其中大部分尘肺病患者来自采矿业。我国是世界上接触粉尘和患尘肺病人数昀多的国家。截至2018年底，我国累计报告职业性尘肺病87.3万例，约占报告职业病病例总数的90%，其中一半以上来自煤矿从业人员[5]。煤炭行业每年新增尘肺病例万余例，如2015年和2016年新增煤矿尘肺病患者分别为14152例和16658例，分别占当年新增尘肺病总数的54.26%和59.51%[6]；每年因尘肺病死亡的人数高于同期其他各类生产事故死亡人数总和，如2012年煤矿事故死亡人数低于1400人，而尘肺病死亡则多达1800人[1]。因此，粉尘防治是煤矿职业健康工作的核心。随着中国特色社会主义进入新时代，党和政府把人民健康放在优先发展的战略地位[7]。《“健康中国2030”规划纲要》明确要求“推进职业病危害源头治理”[8-10]，国务院发布《国务院关于实施健康中国行动的意见》要求实施职业健康保护行动，到2022年和2030年，接尘工龄不足5年的劳动者新发尘肺病报告例数占年度报告总例数的比例实现明显下降，并持续下降[8-10]。原国家安全生产监督管理总局印发的《职业病危害治理“十三五”规划》将“煤矿粉尘综合治理工程”明确为六大重大工程之一[11]。 煤尘爆炸是煤矿中昀严重的灾害之一，常造成重大人员伤亡[12]。因瓦斯爆炸冲击波使沉积煤尘飞扬而诱发的瓦斯煤尘爆炸威力更大，破坏性极强，造成的人员伤亡和财产损失更加严重[13]。世界上单次死亡人数超过300人的18起特大矿难中，16起是煤尘或瓦斯煤尘爆炸事故，占死亡人数的91.6%[14]。我国国有重点煤矿中80%以上煤矿的煤尘具有爆炸危险性[15]。据统计，中华人民共和国成立以来发生的25起死亡100人以上的煤矿事故中，有14起是煤尘或瓦斯煤尘爆炸事故，共导致2359人死亡，占总死亡人数的59.7%[16]。2019年1月12日，陕西省榆林市神木市百吉矿业有限责任公司李家沟煤矿发生煤尘爆炸事故，造成21人死亡，直接经济损失3788万元[17]。因此，粉尘防治也是煤矿安全生产工作的重中之重。 煤矿粉尘还是井下（矿区）大气的主要气溶胶污染物之一。煤矿采掘、运输、爆破、钻孔等生产环节均会产生大量粉尘，这些微小固体颗粒悬浮于大气中，形成固态分散性气溶胶，给大气环境造成严重污染。其中露天煤矿开采中的粉尘主要表现为对矿坑内和矿区周边大气的污染，井工煤矿开采中的粉尘主要表现为对井巷内和回风井出口地面大气的污染，这些污染严重影响矿山形象，制约美丽矿山、绿色矿山建设。因此，粉尘防治还是煤矿环境保护的紧迫任务之一。 为防治煤矿粉尘灾害，国内外过去主要采用通风排尘、喷雾降尘、煤层注水、除尘风机等技术。这些技术明显降低了煤矿作业场所的粉尘浓度，但与各国对粉尘容许浓度做出的高标准要求[18-20]相比，还有一定差距。尤其是随着综采放顶煤、综采一次采全高、大断面岩巷综掘等现代化开采技术的发展应用和开采强度、开采深度的增加，产尘量及呼吸性粉尘比例迅速增加，防治难度加大、防治形势日益严峻，仅依靠传统防尘降尘理论与技术难以满足煤矿粉尘高标准防治的紧迫要求。因此，充分挖掘现有技术潜能的同时，研究煤矿粉尘防治新理论与新技术，对于实现我国煤矿粉尘防治形势的持续根本好转具有十分重要的理论意义和现实意义。 在这样的背景下，作者基于在煤矿粉尘防治领域较长时期的研究与实践，提出“煤矿粉尘源头抑制和精准防控”的研究内容，并以之为指引开展基础研究和技术研发工作，以丰富和发展煤矿粉尘防治理论与技术体系。 1.2　煤矿粉尘源头防控理论与技术发展现状 本书研究工作主要涉及煤岩产尘机理、采掘工作面粉尘运移分布规律、煤尘润湿性与改善方法、抑尘泡沫特性、矿山泡沫抑尘技术和采掘工作面综合防尘技术等方面。下面围绕这几个方面的研究现状进行阐述与分析。 1.　煤岩产尘机理 采掘机械截割煤岩是煤矿粉尘产生的主要根源，20世纪80年代以来，国内外在机械破碎煤岩及产尘方面做了一些探索。美国宾夕法尼亚州立大学帕克分校Zipf和Bieniawski[21]采用应变能密度理论计算采动影响下的煤体破碎尺寸及临界裂缝长度和方向，模拟了煤体受不同尺寸截割头垂直加载后的破碎情况。西弗吉尼亚大学Khair等[22]在实验室设计了镐形截齿旋转割煤装置，用以模拟现场截割条件，探究工作参数与破碎煤块粒径分布之间的关系。波兰学者Rojek等[23]利用离散元2D和3D模型模拟截割破碎过程，结果表明，3D模型模拟结果与实验结果匹配程度较高，能够较好地预测切割应力变化。我国在煤岩产尘机理上的研究起步较晚，康天合等[24，25]以晋东南某矿低级无烟煤为研究对象，通过改变冲击高度和次数，进行了重锤冲击产尘实验研究，分析了该无烟煤冲击产尘粒径的分布规律，得出该煤样冲击产尘的质量与粒径之间存在明显的分形特征。Baafi和Ramani[26]利用哈氏可磨性装置或破碎机进行的测试，研究了煤质对产尘量的影响。Organiscak和Page[27]选取烟煤进行的实验表明，磨削过程（多道次破碎）哈氏可磨性指数（Hardgrovegrindabilityindex，HGI）与气载粉尘浓度呈正相关关系，而轧辊破碎过程（单程破碎）HGI与产尘量呈负相关或无确切关系。Srikanth和Ramani[28]进行的单次破碎实验，分别讨论了呼吸性粉尘生成率与水分、挥发分及与固定碳含量、燃料比（固定碳/挥发分）、湿燃料比（燃料比/水分）、镜质组反射率等煤性质的关系。黄声树等[29]进行的重锤冲击产尘实验结果表明，水分含量越高，煤的产尘能力越低。赵文彬等[30]对某焦煤样品的单轴抗压强度测试与落锤冲击产尘实验结果显示，焦煤抗压强度越小，产尘越多。由上可知，国内外在煤岩机械破碎及产尘方面取得了一定进展，但对煤岩破碎产尘过程、煤岩产尘影响因素和作用机制的认识还不清楚，制约了源头减尘和精准降尘目标的实现。 2.　采掘工作面粉尘运移规律 国内外学者主要采用三种方法来研究矿井粉尘的运移规律，即物理模拟实验、数值模拟和现场实测。谭聪等[31]建立综采工作面的实验模型，研究了在采煤、支架移动、放煤和运输过程中产生的不同水分含量粉尘的浓度分布模式，同时，采用实验模型分析不同风速下采煤过程中粉尘浓度的变化[32]。聂百胜等[33]分析了PM10和PM2.5粉尘颗粒物占总粉尘颗粒物的比例，揭示了粉尘浓度的分布规律。在采掘空间，掘进或割煤产生的粉尘随通风风流的扩散过程属于气-固两相流的范畴。相较于相似实验存在模型简化、耗时长等缺点，现场实测易受到生产和地质条件等因素影响，而数值模拟因高效性和灵活性被广泛地用于研究煤矿中粉尘和风流的分布规律[34，35]。刘荣华等[36]基于气-固两相流理论建立了割煤过程中的粉尘扩散模型，研究了综采工作面采煤机周围气流场和粉尘浓度的分布规律。谭聪等[37]采用欧拉-拉格朗日方法，模拟了综采工作面的粉尘扩散，分析了风速、刮板输送机转速和滚筒转速对切煤过程中粉尘扩散的影响。Cai等[38，39]基于计算流体力学离散颗粒模型（CFD-DPM）的气流-粉尘耦合方法研究了综采工作面中多个污染源的扩散和污染，并分析了不同位置的粉尘粒径分布情况。杜翠凤等[40]利用FLUENT软件研究了长压短抽式通风条件下的综掘工作面粉尘分布规律。程卫民等[41]研究了配有附壁风筒综掘工作面的风流及粉尘的分布。周刚等[42]利用FLUENT软件研究了大采高综采工作面风流-呼吸性粉尘耦合运移规律。Hu等[43]研究了综掘工作面在不同通风速度下粉尘的扩散规律，探究了风流的流动状态和粉尘分布特性。为了更好地掌握采掘面粉尘动态分布状况，有必要围绕综掘和综采工作面气载粉尘时空分布规律做进一步研究。 3.　煤尘润湿特性与改善方法 湿式降尘作为目前控制煤尘昀常用的技术手段之一[44]，其降尘效率与煤体和溶液性质息息相关。煤尘的高疏水性导致湿式降尘方法难以有效润湿煤尘[45]，因此开展了大量煤与溶液性质方面研究。通常认为，增加水分含量可以改善煤尘的润湿性，固定碳含量的增加会使煤尘更加疏水[46]，而胡夫[47]发现水分含量对润湿性影响很小，灰分和挥发分对煤尘润湿性的影响也存在一些变化[48]。此外，煤尘表面化学结构也是影响煤尘润湿性的重要因素。程卫民等[49]发现芳香族基团和羟基是影响煤尘湿润性的两个主要因素，而高建广和杨静[50]发现酚羟基和固定碳的含量决定了其润湿性。此外，有证据表明煤尘中的矿物质含量对润湿性有重要影响[51]。一些研究者发现，可以通过粒度分布的分形维数来评估煤尘的表面轮廓，并且分形维数越大，煤表面越粗糙[52]。此外，Li等[53]提出，将分形维数作为定量参数可以比粉尘平均直径（D50）更能全面地评估粉尘的粒径分布特征。为提高喷雾等湿式降尘效率，采用在水中添加表面活性剂的方法来降低水的表面张力，提高水的雾化质量和润湿性[54]。Kilau和Voltz[55]研究了阴离子表面活性剂和聚环氧乙烷体系的粉尘润湿模型，发现吸附层体系的双层结构提高了煤表面的亲水性。Kilau和Pahlman[56]又研究了多种多价阴离子的钠盐和钾盐对硫酸钠阴离子表面活性剂粉尘润湿性能的影响，同时分析了多价阴离子电解质增强阴离子表面活性剂降尘能力的机理。Zhou等[57]研究了四种表面活性剂与粉尘的接触角，结果表明，阴离子表面活性剂在四种表面活性剂中具有昀小的接触角。为提高表面活性剂溶液效率，一些研究人员研究了表面活性剂和磁场之间的协同作用[58]。但过去的研究还缺少对呼吸性煤尘润湿特性的专门研究，关于表面活性剂润湿煤尘的机理和磁化改善降尘剂（表面性活性剂）性能的机理还认识不清，制约了煤尘润湿性的改善。 4.　抑尘泡沫特性 泡沫抑尘是实现粉尘源头抑制的有效途径。研究表明，泡沫抑尘效率可提高30%以上，用水量比常规喷雾降低70%以上[59，60]。而泡沫抑尘效果在很大程度上取决于泡沫性能，如泡沫润湿性、泡沫发泡性和泡沫稳定性等。对此，相关学者进行了一些研究。Han等[61]采用高速摄影仪通过沉降实验探究了煤尘颗粒与泡沫之间的关系。Ren等[62]研究发现，泡沫的稳定性是影响粉尘治理效果的关键因素，并确定了不同发泡倍数的泡沫中粉尘颗粒与泡沫排液率的关系。Ren和Kang[63]研制出一种具有高泡沫膨胀性和润湿性的新型发泡剂，实验结果表明，该新型发泡剂能迅速降低固液材料的表面张力，且具有良好的发泡和润湿能力。膨胀流变性是泡沫的重要性质之一，主要指界面黏弹性，它提供了发泡剂分子在界面上吸附行为的信息[64]。由于发泡剂分子在膜上处于动态变化，它指示液膜的硬度和韧性（影响其抗干扰能力），并作用于发泡和泡沫排液过程，进而影响发泡性和稳定性[65]。Wang等[66]讨论了表面电位和表面性质对稳定性的影响。Dou和Xu[67]比较了添加羧甲基纤维素钠和高吸水性聚合物对表面活性剂润湿煤尘特性的影响