“十三五”煤矿粉尘职业危害防治技术及发展方向

李德文，赵 政，郭胜均，郑 磊，张小涛，隋金君

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

我国是全世界最主要的煤炭生产国家。随着我国煤炭开采的机械化、自动化、智能化技术水平的不断提高，煤炭年产量也在不断提升。2021年全国原煤产量达到41.3亿t，创历史新高[1]，且随着煤矿大型机械采掘设备的投入，尤其是大采高综采和快速掘进装备的推广应用，在减员增效的同时，也造成了产尘强度增高、产尘量增大，导致尘肺病患病率增高等一系列新问题。

粉尘是煤矿五大灾害之一。高浓度的粉尘不仅会引发煤尘爆炸、诱发矿工尘肺病，也会直接影响煤矿智能装备中相关传感元件的可靠性，已经成为当前煤矿井下亟待解决的重要难题[2-6]。截至2020年底，我国累计报告职业病101.1万例，其中，职业性尘肺病90.3万例，占90%，绝大部分来自煤矿从业人员[7-9]。近年来，我国煤矿煤尘爆炸事故也时有发生[10-12]，例如：2020年8月20日，山东能源集团肥城矿业公司梁宝寺能源有限公司发生煤尘爆炸事故，造成7人死亡、9人受伤[13]；
2022年2月7日，国家能源集团宁夏煤业有限公司枣泉煤矿发生煤尘爆燃事故，造成1人死亡、8人受伤[14]。

近年来，国家对矿井安全生产和粉尘危害的重视程度越来越高。在《国家职业病防治规划(2016—2020年)》《安全生产“十三五”规划》及《“健康中国2030”规划纲要》中明确要求，加强对高危粉尘、高毒物品等职业病危害源头进行治理。粉尘职业危害防治已被列入国家战略与重大需求，“十三五”以来，我国加大了矿山职业危害防治关键技术及装备的研发力度，并取得了较大的进步，煤矿尘肺病的高发态势得到了一定程度的遏制。为此，笔者梳理“十三五”期间煤矿井下粉尘职业危害防治技术取得的最新进展，总结存在的不足之处，并对未来的研究方向进行展望。

采掘工作面是煤矿井下最为主要的粉尘产生场所，其产尘量约占全矿井产尘量的85%，是粉尘治理的重点和难点。由于采掘工作面粉尘质量浓度较高，仅采取单一的防尘措施，难以达到理想的降尘效果，通常需要采用多种措施相结合的综合防尘技术。

1.1 普通综采工作面综合防尘技术

生产期间，当不采取防尘措施或防尘措施不到位时，综采工作面粉尘质量浓度一般可达1 000～4 000 mg/m3，呼吸性粉尘质量浓度达1 100 mg/m3。“十三五”期间，难注水煤层注水减尘、采煤机二次负压降尘及含尘气流控制、采煤机尘源智能跟踪喷雾降尘、液压支架移架降架及放煤自动高压喷雾降尘等综采工作面的综合防尘技术取得了较大进步[15-18]。

1.1.1 难注水煤层的注水减尘技术

针对难注水煤层，通过采取煤层注水措施增加煤体水分含量，可从根本上减少产尘量，最大限度减少截割时粉尘的产生量。

1)基于难湿润煤尘的复配湿润剂

针对难湿润煤尘的疏水性，为降低水的表面张力，改善煤尘亲水性能，提高煤层注水效果及喷雾降尘效果，采用正交试验方法，研发了复配湿润剂，在防尘用水中添加质量分数为0.2%的复配湿润剂后，其表面张力可降低至33.20 mN/m，可大大提高煤层注水效果[19-20]。

2)难注水煤层注水逾裂增渗工艺

针对难注水煤层，采用“注—裂—渗—润”的注水逾裂增渗方法：将压力水注入注水钻孔，低渗透性介质不再遵循线性达西公式，而呈现出非线性渗流特性，存在着启动压力梯度；
煤体裂隙在水压作用下逐步被压裂扩展，形成次生裂隙；
随水压增大，次生裂隙逐渐扩张，形成裂隙网络，压力水沿裂隙及部分孔隙进行注水驱气及径向渗流；
水经毛细渗吸作用进入更小的孔隙空间以充分润湿煤体。

在阳泉新元煤矿3417综采工作面进行煤层注水逾裂增渗试验，试验结果表明：当注水压力达到4.5～7.0 MPa时煤体被逐步压裂、裂隙扩展，压力水进入次生裂隙，保压润湿煤体；
当流量小于设定值，再次提高注水压力至11 MPa左右时，煤体次生裂隙继续扩张，形成裂隙网络，完成二次压裂，在注水流量恢复至设定值后再次保压润湿煤体。

3)煤层注水及其自动监测系统

为提高煤层注水效率和保障注水过程中人员安全，利用煤层注水监控系统实现分时段自动注水控制、注水压力和流量等参数的实时监测，以及动静压注水自动转换，能监测注水过程中“跑水”现象，并可接入煤矿安全监控系统，实现煤层注水过程远程监控[21]。

1.1.2 采煤机喷雾降尘技术

1)采煤机二次负压降尘及含尘气流控制

在采煤机摇臂安设喷雾降尘器，通过8～12 MPa水压的高压喷雾降低滚筒产尘量的同时产生负压，将附近含尘气流吸入降尘器，实现二次降尘；
在采煤机机身布置喷雾引导装置，引导含尘气流沿煤壁一侧运动，控制粉尘扩散。

2)采煤机尘源跟踪智能喷雾降尘技术

利用传感器自动检测采煤机位置，按采煤机移动方向顺次开启或关闭采煤机前后滚筒对应支架上的喷雾装置，使采煤机前后滚筒始终处于高压雾流包络之中，就近降低滚筒割煤时的产尘量[22]。与采煤机二次负压降尘及含尘气流控制系统相结合，可对采煤机形成立体喷雾包围，实现对采煤机割煤区域的封闭降尘，有效降低采煤时的产尘量。

1.1.3 支架移架、放煤自动高压喷雾降尘技术

针对液压支架移架和放煤产尘，通过喷雾位置优化及喷嘴优选，对降柱移架和放煤过程中产生的粉尘进行控制和捕集。

综采工作面采用上述多项技术相结合的综合防尘体系后，可大大降低工作面生产期间空气中的粉尘质量浓度。不同条件的综采(放)工作面采取上述综合防尘技术后的降尘效率如表1所示[4]。

表1 不同条件的综采(放)工作面综合防尘降尘效率

1.2 大采高综采工作面“控、降、抽、除”粉尘精准防控技术

我国厚煤层储量约占煤炭总储量的40%～50%，大采高综采技术具有煤炭采出率高、巷道掘进率低等优点，已然是实现煤炭生产向集约、高效、安全发展的开采技术[23-24]。目前我国西部榆神及神东矿区，相继实现了采高5.0、6.0、7.2、8.0 m的技术跨越，2018年3月投产的神东上湾煤矿8.8 m超大采高综采工作面，其单产能力达到1 600万t[25]。近年来，我国8 m左右大采高综采工作面已在多个矿区推广应用，但大采高综采技术在提高产能的同时，其工作面的产尘强度、粉尘扩散规律、粉尘危害程度和治理难度均远超一般采高的综采工作面，传统防尘技术已不能满足粉尘治理要求。在无防尘措施时，大采高综采工作面的粉尘质量浓度高达3 000～5 000 mg/m3，割煤和移架时的瞬时原始总粉尘质量浓度甚至可达10 000 mg/m3以上[26]。

针对大采高综采工作面采煤机割煤及液压支架移降架两大主要产尘工序，按照“控、降、抽、除”的防治思路，中煤科工集团重庆研究院有限公司开发出了“气水喷雾+机载除尘+支架封闭控尘+高位抽尘与微雾净化”粉尘综合精准防控技术[27-28]，如图1所示。

1—远射程气水喷雾；
2—采煤机机载除尘器；
3—液压支架封闭控尘；
4—负压微雾控除尘。图1 大采高综采工作面粉尘综合精准防控技术示意图

首先，针对采煤机滚筒割煤和片帮垮落尘源，利用安装布置在支架顶梁下方的耗水量低和射程远的气水喷雾对滚筒及其周边区域的破碎煤体进行快速湿润，从源头上减少产尘量；
再利用安装在采煤机上风端头行走位置的机载除尘器对垮落产生的粉尘进行源头集中抽尘净化，避免粉尘向后方扩散；
针对液压支架降柱移架产尘，则利用安装在相邻2个支架侧护板缝隙处的滑移式封闭控尘装置将高处产生的粉尘直接导入采空区，从根本上避免风流吹散粉尘；
最后，针对综采工作面上部空间长期悬浮的浮游粉尘，利用安装在液压支架立柱前方顶梁处的负压抽尘微雾净化装置进行高效抽尘净化和喷雾沉降。在神东补连塔煤矿现场综合应用结果表明：大采高综采工作面“控、降、抽、除”粉尘精准防控技术的综合降尘效率在90%以上，工作面有人作业空间内粉尘质量浓度降至10 mg/m3以下，粉尘防控效果显著[28]。

1.3 综掘工作面长压短抽自适应控风除尘技术

据实测，综掘工作面不采取防尘措施时，工作面端头粉尘质量浓度高达3 000 mg/m3以上，其中呼吸性粉尘占近40%[29-31]。特别是岩巷综掘工作面，生产期间产生的粉尘分散度更高，严重危害矿工身心健康，影响安全生产。

综掘工作面除尘技术措施主要有长压短抽控风除尘、高压喷雾降尘、泡沫降尘、注水除尘等，其中综掘工作面长压短抽控风除尘是最有效的除尘措施，在除尘系统控除尘工艺参数(压抽风量比、控风装置径轴向风量比、控尘装置出风口与端头的距离、吸风口与端头的距离等)匹配情况下的降尘效率能达到95%以上，其他措施只能达到80%左右[32-35]。但目前除尘系统控除尘工艺参数靠人工定时调节,工艺参数在掘进过程中不断变化，导致降尘效果极不稳定，现场应用时降尘效率在75%～95%变化，不能满足持续高效治理煤矿综掘工作面粉尘的需要。

为解决这一难题，“十三五”期间以综掘工作面长压短抽控风除尘系统持续高效控除尘为目标，研究随煤矿井下工艺参数变化自适应调节的智能除尘技术及装备，保障粉尘治理效率持续在95%以上，有效降低作业人员劳动强度。综掘工作面长压短抽自适应控风除尘技术总体方案如图2所示。

图2 综掘工作面长压短抽自适应控风除尘技术总体方案

综掘工作面长压短抽自适应控风除尘系统主要由控风系统、除尘系统、高效控除尘安全保障系统、基于最佳协调机制的智能控制系统等组成。控风系统主要由径轴向风量可自动调节的控风装置、距离传感器、距离自动调节装置、供风风量监测装置、供风风筒储存装置、配套的单轨吊移动装置等组成；
除尘系统主要由吸尘罩、抽尘风筒、除尘器、除尘器风量监测与自动调节装置、配套移动装置等组成；
高效控除尘安全保障系统主要由除尘系统进出口粉尘浓度传感器、抽尘管道内瓦斯浓度传感器、巷道内粉尘浓度传感器、压抽风筒重叠段瓦斯浓度传感器、区域控制器等组成；
智能控制系统主要有各种传感器监测装置组成的感知层、区域控制器和地面控制系统形成的决策层、各种自动调节装置组成的执行层等。

煤矿综掘工作面智能化除尘系统可实现对各项技术参数、粉尘浓度、瓦斯浓度等的实时监测，当出现系统技术参数变化、除尘效率变化、瓦斯浓度超限等情况时，区域控制器自主决策系统计算最佳控除尘工艺技术参数，通过对执行层各种调节装置的协同调控，保证系统处于最佳工作状态，保证控除尘系统始终处于持续高效、安全控除尘状态，满足综掘工作面粉尘防治智能化的需求。该系统与现有综掘工作面控除尘系统的最大区别在于系统的技术参数由智能化调控取代人工定时调节。在神东寸草塔煤矿22120运输巷道综掘工作面应用长压短抽自适应控风除尘系统的粉尘降尘效率对比见表2。由表2可以看出，通过自适应除尘系统不断自动调节抽风量，实现了粉尘除尘效率大于等于95%的目标。

表2 寸草塔煤矿22120运输巷道综掘工作面自适应除尘效率对比

2.1 锚喷作业粉尘防治技术

为解决支护喷浆过程中的粉尘污染问题，有关科技工作者开发了多种喷浆作业配套工艺及装备[36-38]。针对潮式喷射工艺，先后研发了多种集装料、搅拌、上料、锚喷和控除尘于一体的成套技术装备，可大大降低喷浆作业人员处的粉尘质量浓度。湿式喷浆工艺可从根本上大大消除喷浆过程中的粉尘产生，国内已有研究者开发出了湿式喷浆机。另外，有些单位正在开展喷浆机械手和喷浆机器人研究，可实现喷浆作业自动化，进一步减少喷浆作业过程中的粉尘对人员的危害。

2.2 钻孔作业粉尘防治技术

针对煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采钻孔施工时的粉尘污染问题，碎软煤层定向钻孔降尘装置采用压缩空气环缝引射为动力，通过孔口压气控尘、环缝引射干式除尘的方式，能够极大地降低钻孔施工时周围的粉尘浓度。现场应用效果表明，在碎软煤层定向钻孔施工过程中,作业场所周围1 m内的粉尘降尘效率达99.3%以上[39]。

2.3 运输、转载及巷道自动喷雾降尘技术

煤矿井下煤流运输胶带、转载点及辅助运输大巷等位置的粉尘防治主要是采取喷雾降尘的方式。目前，我国煤矿井下这些位置的喷雾降尘控制方式正在由手动控制向自动控制转变。矿用自动喷雾降尘装置可以根据需要实现各种形式的自动控制，主要有以下几种模式：①超限模式，用户可以根据需要设置喷雾粉尘浓度，当作业场所的粉尘浓度超过设定的喷雾浓度时，装置自动开始喷雾,而当粉尘浓度小于设定的喷雾浓度时，自动停止喷雾；
②定时模式，用户可以根据需要设置多个喷雾时间段，装置在选择的时间段内自动开启喷雾,其他时间则自动停止喷雾；
③触控模式，当转载胶带在运煤时，装置自动开启喷雾,而当胶带上没有煤块时，自动停止喷雾。

3.1 呼吸性粉尘连续监测技术

呼吸性粉尘是煤矿职业病高发的主要诱导因素。目前我国矿山防尘重点已逐步从总粉尘治理转向呼吸性粉尘防治，但暂无矿山环境呼吸性粉尘连续监测装置。“十三五”期间，中煤科工集团重庆研究院有限公司针对矿山高浓度粉尘环境，以冲击分离理论为基础，提出了一种基于虚拟冲击原理的可满足BMR分离效能曲线的呼吸性粉尘连续分离方法。研制的虚拟冲击分离器样件如图3所示。

图3 虚拟冲击分离器样件

根据MT 394—1995《呼吸性粉尘测量仪采样效能测定方法》，不同粒径的测试平均值与BMRC曲线的对比测试结果如表3所示，可以看出，分离效能的最大偏差为4.24%，满足标准要求的不超过±5%。在松藻煤矿、石壕煤矿连续开展了30 d的工业性试验，装置试验效果良好。

表3 测试平均值与BMRC曲线的对比结果

基于虚拟冲击分离器，利用激光散射法对低浓度粉尘检测精度高，静电感应法对高浓度粉尘检测精度高的特性，研发出融合2种检测方法优点的矿山呼吸性粉尘传感器，其量程为0～500 mg/m3，误差小于12%，灵敏度为0.01 mg/m3，实现了煤矿井下呼吸性粉尘宽量程、高精度、高灵敏度的连续监测[40-42]。研制的呼吸性粉尘浓度传感器的样机如图4所示。

图4 呼吸性粉尘浓度传感器样机实物图

3.2 个体呼吸性粉尘检测仪

目前在矿山领域的呼吸性粉尘监测主要为针对作业场所的区域性或点位监测，不能反映出个体呼吸所吸入粉尘浓度情况。针对这一点，现国内有煤矿采用个体呼吸性粉尘采样器取样后通过滤膜称重的方法进行测量。“十三五”期间，研发了基于光散射法粉尘个体监测仪，能够实现对职工个体呼吸性粉尘质量浓度的连续监测，实时显示测量值(测量范围0～200 mg/m3)与采样器采样测量的相对误差最大为1.59%[43]。研制的个体呼吸性粉尘检测仪实物如图5所示。

图5 个体呼吸性粉尘检测仪实物图

3.3 尘肺预警技术

3.3.1 累积接尘量实时监测技术

累积接尘量是引发尘肺病的重要因素，目前通用的监测方法是工班采样法。但是，工班采样法会进一步增加作业人员的负重，也不能实时监测作业人员的累积接尘量，对尘肺病预警的实时性较差。基于呼吸性粉尘浓度传感器、呼吸性粉尘个体检测仪等研究成果，提出一种累积接尘量实时监测技术，通过连续监测，实现对尘肺病的实时预警，该监测技术在国内外尚属空白。

作业人员累积接尘量实时监测的基本思路：将布置的有限呼吸性粉尘传感器实测浓度数据融合到综掘工作面呼吸性粉尘时空分布模型中，推演得到作业人员任意位置的呼吸性粉尘实时浓度，结合人员定位系统的监测信息(作业位置、作业时间)，初步计算个体接尘量，再使用个体呼吸性粉尘监测仪进行修正，实现作业人员呼吸性粉尘累积接尘量的实时监测。该技术在神东寸草塔煤矿工业试验的累积接尘量监测误差不超过±28.6%。

3.3.2 粉尘职业危害预警技术

考虑呼吸性粉尘累积接尘量、个体呼吸量、游离SiO2含量、工龄等因素，采用拟合COX回归分析，建立尘肺病预警模型：

h(ct,x)=h(ct)eβ1x

(1)

式中:h(ct,x)为发病风险；
ct为累积暴露游离SiO2浓度；
x为是否发病；
h(ct)为针对不同累积呼吸尘性粉尘暴露量的风险系数；
β1为回归系数。

基于尘肺病预警模型，构建了煤矿粉尘职业危害预警信息系统，可适用于煤矿企业、煤矿集团、各级政府进行分级监督管理。预警系统构成见图6。

图6 煤矿粉尘职业危害预警系统构成示意图

4.1 存在问题

随着国家对煤矿粉尘灾害重视程度的不断提高，以及粉尘防治技术及装备研发投入力度的持续提升，煤矿粉尘职业危害防治技术及装备水平也取得了长足的进步，具备了较高的水平。但由于我国煤矿数量众多，各矿井的开采条件及生产装备水平存在较大差距，现有防尘技术及装备仍然不能完全满足矿井粉尘灾害防治的需要。

1)连采机及掘锚机等快速掘进工作面粉尘高效防尘工艺装备仍需改进。为了解决矿井采掘比例失衡的问题，加快巷道掘进速度，连续采煤机、掘锚一体机、智能型大断面快速掘锚等先进设备已越来越多地在煤矿井下投入使用，但现有的除尘设备及配套工艺还不能很好地满足高效降尘的需要，经常存在控、除尘设备不易与掘进设备同步移动，最优降尘工艺参数无法保证等问题。

2)瓦斯抽采与煤层注水协调问题仍未有效解决。瓦斯抽采使煤层大多数水分流失，极大地增大了产尘量；
煤层注水可有效提高煤层水分含量，湿润煤体，减少生产时的产尘量。在已进行瓦斯抽采的工作面，利用瓦斯抽采钻孔实施煤层注水，将大大减少煤层注水钻孔的施工量，提高注水效率。但是，目前煤层注水与瓦斯抽采钻孔共用技术仍不成熟，经常出现“跑水”“窜水”等现象，无法达到理想的注水减尘效果。

4.2 发展方向展望

随着我国煤矿井下采掘装备智能化水平的迅速提高，伴随少人化、无人化开采技术的推广，未来煤矿防尘的主攻方向是：①与职业危害智能化防控相关的基础与理论研究；
②与无人值守工作面配套的技术与装备研究，如典型产尘点防尘机器人的研究，煤矿井下尘源分区智能化综合防尘成套技术及装备研究，采掘工作面呼吸性粉尘高效控制关键技术及装备研究；
③与职业健康相关的粉尘监测与预警技术研究，如煤矿井下空气质量网格化监测技术及评价技术标准研究，粉尘危害预警技术及预警系统的完善提高研究，职业健康智能监管技术及监管体系研究；
④与个体防护关联的防尘智能穿戴用品研究。

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