王 平 路國(guó)強(qiáng) 徐 洋

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

我國(guó)煤炭資源豐富，煤炭始終是我國(guó)主要能源［1］。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，對(duì)煤礦資源的需求量急劇增加，煤炭消費(fèi)量更是達(dá)到一次能源消費(fèi)量的60%［2-3］，為滿足社會(huì)對(duì)煤礦資源日益提高的消耗量，煤礦開采深度及強(qiáng)度不斷加劇。煤礦開采過(guò)程中各環(huán)節(jié)均會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，粉塵污染對(duì)企業(yè)安全生產(chǎn)造成極大威脅，嚴(yán)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(jì)，2018 年煤炭工人新發(fā)塵肺病病例占?jí)m肺病病例數(shù)高達(dá)83%［5］，2020共通報(bào)職業(yè)病病例101.1 萬(wàn)例，其中90.3 萬(wàn)例為職業(yè)性塵肺病，占比高達(dá)90%，煤炭行業(yè)職工占多數(shù)［6-7］，截至2021 年底，全國(guó)共報(bào)告職業(yè)性塵肺病患者91.5 萬(wàn)例。塵肺病仍將是我國(guó)危害最大的職業(yè)病，因此，我國(guó)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(fēng)除塵、煤層注水、噴霧降塵、化學(xué)除塵等手段控制污染。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)粉塵治理手段持續(xù)進(jìn)行探索和實(shí)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(jìn)一步提高；但目前大多數(shù)研究?jī)H僅是針對(duì)某一種技術(shù)展開的，而對(duì)各種技術(shù)交叉融合、綜合應(yīng)用的研究相對(duì)較少。因此，為了推動(dòng)我國(guó)粉塵防治技術(shù)朝高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展，通過(guò)對(duì)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(duì)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(yùn)輸、加工各個(gè)環(huán)節(jié)中。煤礦開采過(guò)程中，機(jī)械設(shè)備在煤層和巖層上鉆孔、打眼、爆破、掘進(jìn)隧道時(shí)，煤層和巖層均會(huì)受到不同程度的破壞，其表面的細(xì)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(yùn)輸和提升時(shí)，都會(huì)有不同形式和不同程度的粉塵產(chǎn)生，在掘進(jìn)巷道與回采巷道交會(huì)時(shí)也會(huì)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(fēng)情況等因素存在緊密聯(lián)系，開采過(guò)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(dú)運(yùn)動(dòng)的粉塵顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及在某一時(shí)刻發(fā)生碰撞的結(jié)果（圖1）?？諝庵械男×椒蹓m受布朗運(yùn)動(dòng)、速度梯度、流體的紊流運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)捕捉粉塵，同時(shí)大幅降低了捕集過(guò)程中所消耗的能量。

1.2.2 潤(rùn)濕性

煤塵顆粒和液體表面接觸時(shí)，二者是否相互附著，融合難易程度的性質(zhì)稱煤塵的潤(rùn)濕性。一般通過(guò)濕潤(rùn)邊界角來(lái)表征粉塵的潤(rùn)濕性。圖2 是粉塵潤(rùn)濕邊界角。懸浮的粉塵與空氣碰撞時(shí)，在其表面形成保護(hù)層，液體逐漸將粉塵內(nèi)的空氣排出，與之融合，變化過(guò)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(lái)說(shuō)，爆炸下限濃度為30 g/m3，上限濃度為2 000 g/m3，且具有最強(qiáng)爆炸性的濃度范圍為300～500 g/m3。當(dāng)粉塵濃度達(dá)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?zé)嵩磿r(shí)，將會(huì)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(guò)程中，還會(huì)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(dá)2 000～2 500 ℃，極其危險(xiǎn)。

1.3 煤礦粉塵的危害

（1）對(duì)煤礦工人的危害。對(duì)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(huì)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(qiáng)的易爆性。采煤工作面產(chǎn)生的粉塵幾乎為爆炸性粉塵，當(dāng)井下粉塵濃度超出安全標(biāo)準(zhǔn)，且遇到明火、電火花或其他特殊情況時(shí)，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(yán)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(yán)重，加快儀器的老化，影響儀器的工作效率，甚至導(dǎo)致一些儀器無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅存在許多潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，還導(dǎo)致資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。

（4）對(duì)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(yán)重影響作業(yè)人員的視線，降低能見度，從而導(dǎo)致操作失誤，引發(fā)工傷事故以及嚴(yán)重的安全事故。

2 煤礦粉塵防治技術(shù)

2.1 通風(fēng)除塵

通風(fēng)除塵是利用礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)作為動(dòng)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(guò)濃度標(biāo)準(zhǔn)，最后利用風(fēng)力原理排出污濁氣流。

2.1.1 壓入式通風(fēng)

壓入式通風(fēng)能將風(fēng)送到更遠(yuǎn)的產(chǎn)塵點(diǎn)，出風(fēng)口處有效距離相對(duì)較長(zhǎng)，污風(fēng)排除能力強(qiáng)。然而，粉塵會(huì)在巷道內(nèi)沉積和揚(yáng)起，對(duì)巷道造成嚴(yán)重污染，污染范圍較大，且回風(fēng)巷道內(nèi)的工作人員正好處于污風(fēng)中。

陳紹杰等［8］根據(jù)氣-固兩相流理論，運(yùn)用Fluent數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建了掘進(jìn)巷道的幾何模型（圖4），在使用壓入式通風(fēng)的掘進(jìn)巷道中對(duì)不同風(fēng)筒出風(fēng)口處的風(fēng)速和風(fēng)筒位置下的流場(chǎng)和粉塵漂浮運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明：在風(fēng)速增大的過(guò)程中，風(fēng)流速度主要集中在風(fēng)筒下方及對(duì)角處，并在x=3 m 處逐漸形成渦流區(qū)域；粉塵懸浮時(shí)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(kuò)散情況隨風(fēng)筒與工作面距離增加而嚴(yán)重，在空氣中停留時(shí)間變長(zhǎng)，軌跡越來(lái)越紊亂，出口處排塵量減小，除塵效率下降。姜婉［9］通過(guò)數(shù)值模擬，研究了風(fēng)筒位置變化對(duì)風(fēng)流和粉塵分布的影響規(guī)律以及風(fēng)速對(duì)粉塵運(yùn)移和沉積的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：壓入式通風(fēng)中，風(fēng)筒距頂板75 cm 時(shí)風(fēng)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(shì)，沿巷道3～4 m范圍內(nèi)沉積情況較為嚴(yán)重，出現(xiàn)大粒徑粉塵堆積的現(xiàn)象，離迎頭越遠(yuǎn)，沉積的粉塵粒徑越小。

2.1.2 抽出式通風(fēng)

抽出式通風(fēng)從根源上排除礦塵，將噴霧設(shè)備置于風(fēng)機(jī)內(nèi)對(duì)礦塵進(jìn)行凈化處理，再將其排出至巷道。抽出式通風(fēng)的缺點(diǎn)是送風(fēng)距離短，有效距離較短，風(fēng)筒為骨架風(fēng)筒，造成了勞力強(qiáng)度較大，降塵范圍窄，能力不足等問(wèn)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(duì)抽出式通風(fēng)的風(fēng)筒抽風(fēng)口距掘進(jìn)面距離和抽風(fēng)筒風(fēng)速進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明：當(dāng)距離為5 m，風(fēng)速為8 m/s 時(shí)，粉塵濃度相對(duì)較低，擴(kuò)散范圍較小，具有良好的除塵效果。郭奮超等［11］分別對(duì)壓入式和抽出式通風(fēng)下的粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了一套抽出式通風(fēng)除塵系統(tǒng)（圖5），結(jié)果表明：掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處總粉塵降塵效率高達(dá)96.01%，呼吸性粉塵降塵效率達(dá)到92.02%，機(jī)尾10 m 處總粉塵和呼吸性粉塵降塵效率高達(dá)到99.06%、97.47%，取得了顯著的降塵效果。

2.1.3 混合式通風(fēng)

牟國(guó)禮等［12］利用Fluent 對(duì)長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：壓風(fēng)量為500 m3/min、抽風(fēng)量為436 m3/min 時(shí)風(fēng)流場(chǎng)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(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)，掘進(jìn)頭周圍粉塵濃度在300 mg/m3以上，相對(duì)較高，沿程逐漸降低，絕大部分粉塵集中在掘進(jìn)頭至抽風(fēng)口的范圍內(nèi)，可以最大程度地將粉塵排到工作面外。夏潤(rùn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)數(shù)值模擬，分別對(duì)壓入式通風(fēng)除塵系統(tǒng)、抽壓混合式通風(fēng)系統(tǒng)下掘進(jìn)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：?jiǎn)为?dú)使用壓入式通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行除塵時(shí)效果較差，粉塵濃度相對(duì)較高，污染嚴(yán)重，而抽壓式通風(fēng)除塵系統(tǒng)的除塵效率可高達(dá)85%以上。

2.2 煤層注水

在煤層中鉆孔并注入高壓水進(jìn)行灌水處理，當(dāng)壓力水通過(guò)注水鉆孔進(jìn)入到煤體里以后，會(huì)均勻分布在煤體的裂隙、孔隙以及一些超微細(xì)孔隙中，充分濕潤(rùn)煤體，減少粉塵飛揚(yáng)。但由于我國(guó)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(yù)知，且該過(guò)程中流量也在不斷變化，此外，受注水時(shí)間、注水速度、鉆孔半徑等因素的影響，降塵效果達(dá)不到預(yù)期效果。

常亞男等［14］運(yùn)用COMSOL 仿真軟件，對(duì)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(jìn)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(lái)越稀疏，滲透速度越來(lái)越小。黃山［15］利用FLAC3D建立煤層注水模型，對(duì)注水壓力、注水時(shí)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(shí)間相同時(shí)，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(shí)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(jì)、實(shí)用，操作簡(jiǎn)單方便，具有良好的降塵效果，但由于噴嘴類型、噴霧機(jī)理、噴嘴布局、噴霧參數(shù)、煤塵參數(shù)等因素對(duì)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(dòng)力不足、噴頭易堵塞、能耗高等問(wèn)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(guò)霧化降塵交叉試驗(yàn)對(duì)不同條件下的降塵效率進(jìn)行測(cè)定，得到磁-電耦合作用下噴霧對(duì)全塵的降塵效率為97.84%，對(duì)呼塵的降塵效率高達(dá)95.82%。王鵬飛等［18］搭建了氣水噴霧降塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖7），測(cè)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(guò)程中，噴嘴耗水量基本呈線性上升，耗氣量呈指數(shù)增長(zhǎng)，霧化角隨出口直徑的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，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(dòng)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(fēng)流速度場(chǎng)特性、霧滴粒子渦旋運(yùn)動(dòng)規(guī)律（圖9），研究結(jié)果表明：以75°安裝噴嘴，水壓為8 MPa，風(fēng)機(jī)風(fēng)速設(shè)定為12 m/s時(shí)，裝置性能最優(yōu)，此時(shí)渦旋霧幕覆蓋范圍最大，降塵能力最佳。

2.4 化學(xué)抑塵

化學(xué)抑塵是通過(guò)將表面活性劑加到表液體中，從而提高液體對(duì)粉塵的潤(rùn)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(fù)雜，成本較高，盡管對(duì)粉塵的捕集效率明顯提高，但對(duì)水的需求量并沒(méi)有顯著減少。

2.4.1 表面活性劑復(fù)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(jìn)行復(fù)配，基于所設(shè)計(jì)的優(yōu)化復(fù)配實(shí)驗(yàn)方案制備了一種效果良好的降塵潤(rùn)濕劑，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，除塵效率高達(dá)到91%。XU 等［21］分別對(duì)SDS、SDDS、SDBS 對(duì)煤塵的潤(rùn)濕能力進(jìn)行測(cè)試，包括煤塵接觸角、表面張力、潤(rùn)濕時(shí)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(shí)，吸附密度和煤塵表面親水位點(diǎn)隨濃度上升而增加，潤(rùn)濕率得以提高。LI 等［22］全面分析了煤塵物理性質(zhì)及潤(rùn)濕過(guò)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(jī)理改進(jìn)泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)（圖12），并進(jìn)行測(cè)試，設(shè)備表現(xiàn)出較好的性能。孟慶國(guó)等人［24］使用改進(jìn)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(guò)測(cè)量潤(rùn)濕性確定最終效果，得出當(dāng)APG∶PAC∶APEO∶AEG=80∶1∶40∶0 除塵效率最高，并在實(shí)踐中應(yīng)用。陳貴等［25］依據(jù)已知的粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律和粉塵濃度分布情況，運(yùn)用模擬軟件對(duì)大斷面巖巷綜采面進(jìn)行了模擬研究。此外，還設(shè)計(jì)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(dá)到了最佳的降塵效果。

3 總結(jié)與展望

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤炭行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)以及設(shè)備機(jī)械化程度不斷提高，所面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越嚴(yán)峻，煤礦工人的健康和環(huán)境保護(hù)遭遇嚴(yán)重威脅。針對(duì)粉塵污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷努力探索粉塵治理方法，促使我國(guó)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(guó)粉塵防治技術(shù)依然存在較大的進(jìn)步空間，為進(jìn)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(huì)產(chǎn)生大量粉塵，僅憑單一的降塵技術(shù)，難以達(dá)到理想的治理效果。為此綜合考慮各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，將其深度交叉融合，研發(fā)出集化學(xué)、噴霧等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)一體化的治理手段，實(shí)現(xiàn)單一降塵手段向多種技術(shù)復(fù)合應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。

（2）在通風(fēng)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(qiáng)、潤(rùn)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(jìn)各類噴嘴，研發(fā)具有射程更遠(yuǎn)、耗水量低、霧滴粒徑小的霧化器；從巷道粉塵擴(kuò)散速度快的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出受返風(fēng)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(jī)聚合物材料，通過(guò)自由基聚合、光合能催化等反應(yīng)機(jī)理，制備低成本、無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)二次污染的環(huán)境友好型抑塵材料。