第三章 矿尘防治

第三章矿尘防治目录第一节基本概念和理论概述第二节矿尘治理的基本技术第三节防治煤尘爆炸的技术第四节煤尘爆炸事故的处理复习题问题思考第一节基本概念和理论概述主要内容一、矿尘分类二、矿尘含量的计量指标三、矿尘的特性四、矿尘灾害的形式矿尘是指在矿山生产和建设过程中所产生的各种煤、岩微粒的总称。一、矿尘分类矿尘除按其成分可分为岩尘、煤尘等多种无机矿尘外，尚有多种不同的分类方法，下面介绍几种常用的分类方法。1．按矿尘粒径划分(1)粗尘。(2)细尘。(3)微尘。(4)超微尘。2．按矿尘的存在状态划分(1)浮游矿尘。(2)沉积矿尘。浮尘和落尘在不同环境下可以相互转化，浮尘因受自重的作用可以逐渐沉降下来变成落尘，而落尘当落尘受到机械振动、爆风冲击以及巷道中风速的变化等外界条件干扰时，它可再次飞扬，又成为浮尘。其风速的变化与矿尘粒度的关系如表3-1-1。表3-1-1落尘变成浮尘风流的变化与矿尘粒度的关系煤尘粒度／μm75～10535～7510～35吹扬风速／m·s-16.35.293.483．按矿尘的粒径组成范围划分(1)全尘（总矿尘）。(2)呼吸性矿尘。二、矿尘含量的计量指标1．矿尘浓度单位体积矿内空气中所含浮尘的数量称为矿尘浓度，其表示方法有两种：(1)质量法。(2)计数法。表3-1-2中国煤矿矿尘浓度标准序号矿尘中游离SiO2含量/%最高容许浓度/mg.m-3总矿尘呼吸性矿尘12345655～1010～2525～50≥5010的水泥矿尘20.010.06.04.02.066.03.52.51.51.02．产尘强度指生产过程中，采落煤中所含的矿尘量。4．矿尘沉积量指单位时间在巷道表面单位面积上所沉积的矿尘量，单位为g/m2·d。这一指标用来表示巷道中沉积矿尘的强度，是确定岩粉撒布周期的重要依据。5．矿尘的分散度矿尘的分散度是指矿尘的整体组成中各种粒度的尘粒所占的百分比。分散度有两种表示方法。1）重量百分比。2）数量百分比。三、矿尘的特性（一）矿尘的悬浮性分散度高的尘粒可以较长时间在空气中悬浮，不易降落，这是微细矿尘的一种物理特性，叫悬浮性。据实验，不同粒度的煤尘在静止的空气中从1m高处自由降落到底板所需的时间如表3-1-3。表3-1-3不同粒度的煤尘从lm高处自由降落到底板所需时间煤尘粒度／μm1001010.50.2降落时间2.6s4.4min7h22h92h（二）矿尘的成分二氧化硅是地壳内最常见的氧化物，它以两种状态存在：一种是结合状态的二氧化硅，即硅酸盐矿物，其危害性不大；另一种是游离状态的二氧化硅，主要为石英，它是引起人体尘肺病的主要因素。（三）矿尘的表面积和吸附性矿尘表面积和矿尘的分散度有密切关系，分散度越高，矿尘表面积越大。(四）矿尘的形状和硬度矿尘的形状和硬度，在一定程度上也能影响矿尘的稳定程度。（五）矿尘的吸湿性矿尘与空气中的水分结合的现象叫吸湿性或者叫湿润性。（六）矿尘的荷电性尘粒由于在粉碎过程和在空气流动中摩擦而带有电荷，悬浮在空气中的矿尘亦可直接吸附空气中的离子而产生电荷。矿尘的荷电性对矿尘在空气中的稳定程度有影响。表3-1-4是一次实测所得数据。作业方式带正电荷粒子（％）带负电荷粒子（％）不带电粒子（％）干式凿岩49.844.06.2湿式凿岩46.743.010.3爆破34.550.614.9表3-1-4井下矿尘的电荷矿尘具有很大的危害性，表现在以下几个方面：(1)污染工作场所，引起职业病。(2)某些矿尘（如煤尘、硫化尘）在一定条件下可以爆炸；(3)加速机械磨损，缩短精密仪器使用寿命；(4)降低工作场所能见度，增加工伤事故的发生。四、矿尘灾害的形式矿山尘肺病简介尘肺病是工人在生产中长期吸人大量微细粉尘而引起的以纤维组织增生为主要特征的肺部疾病。它是一种严重的矿工职业病，一旦患病，目前还很难治愈。因其发病缓慢，病程较长，且有一定的潜伏期，不同于瓦斯、煤尘爆炸和冒顶等工伤事故那么触目惊心，因此往往不被人们所重视。而实际上由尘肺病引发的矿工致残和死亡人数，在国内外都远远高于各类工伤事故的总和。煤矿尘肺病类型硅肺病(矽肺病)：由于吸人含游离SiO2含量较高的岩尘而引起的尘肺病称为硅肺病（患者多为长期从事岩巷掘进的矿工）；煤硅肺病(煤矽肺)：由于同时吸人煤尘和含游离SiO2的岩尘所引起的尘肺病称为煤硅肺病（患者多为岩巷掘进和采煤的混合工种矿工）；煤肺病：由于大量吸入煤尘而引起的尘肺病多属煤肺病（患者多为长期单一的在煤层中从事采掘工作的矿工）。煤矿尘肺病我国煤矿工人工种变动较大，长期固定从事单一工种的很少，因此煤矿尘肺病中以煤硅肺病比重最大，约占80%左右。作业人员从接触矿尘开始到肺部出现纤维化病变所经历的时间称为发病工龄。尘肺病中最危险的是硅肺病，发病工龄最短(一般10年左右)，煤肺病的发病工龄一般为20～30年，煤硅肺病介于两者之间。尘肺病的发生机理被毛细血管覆盖的气泡群鼻咽喉气管支气管细支气管影响尘肺病的发病因素(1)矿尘的成分能够引起肺部纤维病变的矿尘，多半含有游离SiO2，其含量越高，发病工龄越短，病变的发展程度越快。对于煤尘，引起煤肺病的主要是它的有机质(即挥发分)含量。据试验，煤化作用程度越低，危害越大，因为煤尘的危害和肺内的积尘量都与煤化作用程度有关。影响尘肺病的发病因素(2)矿尘粒度及分散度尘肺病变主要是发生在肺脏的最基本单元即肺泡内。矿尘粒度不同，对人体的危害性也不同。5µm以上的矿尘对尘肺病的发生影响不大；5µm以下的矿尘可以进入下呼吸道并沉积在肺泡中，最危险的粒度是2µm左右的矿尘。由此可见，矿尘的粒度越小，分散度越高，对人体的危害就越大。影响尘肺病的发病因素(3)矿尘浓度尘肺病的发生和进入肺部的矿尘量有直接的关系，也就是说，尘肺的发病工龄和作业场所的矿尘浓度成正比。国外的统计资料表明，在高矿尘浓度的场所工作时，平均5～10年就有可能导致硅肺病，如果矿尘中的游离SiO2含量达80％～90％，甚至1.5～2年即可发病。空气中的矿尘浓度降低到《规程》规定的标准以下，工作几十年，肺部吸入的矿尘总量仍不足达到致病的程度。影响尘肺病的发病因素(4)个体方面的因素矿尘引起尘肺病是通过人体而进行的，所以人的机体条件，如年龄、营养、健康状况、生活习性、卫生条件等，对尘肺的发生、发展有一定的影响。尘肺病在目前的技术水平下尽管很难完全治愈，但它是可以预防的。只要积极推广综合防尘技术，就可以达到降低尘肺病的发病率及死亡率的目的。（二）煤尘爆炸1．煤尘爆炸的机理(1)煤本身是可燃物质，当它以粉末状态存在时，总表面积显著增加，吸氧和被氧化的能力大大增强，一旦遇见火源，氧化过程迅速展开；(2)当温度达到300～400℃时，煤的干馏现象急剧增强，放出大量的可燃性气体，主要成分为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氢和1％左右的其他碳氢化合物；(3)形成的可燃气体与空气混合在高温作用下吸收能量，在尘粒周围形成气体外壳，即活化中心，当活化中心的能量达到一定程度后，链反应过程开始，游离基迅速增加，发生了尘粒的闪燃；(4)闪燃所形成的热量传递给周围的尘粒，并使之参与链反应，导致燃烧过程急剧地循环进行，当燃烧不断加剧使火焰速度达到每秒数百米后，煤尘的燃烧便在一定临界条件下跳跃式地转变为爆炸。2.煤尘爆炸的条件煤尘爆炸必须同时满足以下三个条件：（1）煤尘的爆炸性。（2）煤尘浓度。（3）引起煤尘爆炸的热源。3.煤尘爆炸的效应（1）爆炸温度。（2）爆炸压力。（3）爆炸速度。（4）冲击波。（5）爆炸生成有害气体4.影响煤尘爆炸的因素（1）煤的成分。①挥发分。②灰分。③水分。（2）煤尘浓度（3）煤尘粒度。（4）矿井的瓦斯浓度。第二节矿尘治理的基本技术主要内容一、减尘技术二、降低浮尘三、除尘措施四、隔尘措施一、减尘技术减尘是指减少和抑制尘源产尘,从而减少井下空气中煤尘的浓度。减尘一是减少产尘总量和产尘强度；二是减少呼吸性矿尘所占的比例。（一）煤层注水湿润煤体煤层注水所使用的设备主要包括钻机、水泵、分流器及水表等，见图3-2-1。1．钻孔布置方式煤层注水的方式有：长钻孔注水、短钻孔注水、深孔注水和巷道钻孔注水等多种方式。如表3-2-1所示。表3-2-1煤层注水方式的种类注水力式钻孔地点钻孔长度/m特点长钻孔注水工作面回风巷道或运输巷道30在原岩应力区的煤体中注水短钻孔注水工作面6再应力降低区的煤体中注水，裂隙发育，透水性强，注水压力低深孔注水工作面6～20在应力升高区的煤体中注水，不发育，透水性弱，注水压力高巷道钻孔注水上部煤层巷道或底板巷道不确定在应力降低区的煤体中或瓦斯卸压煤层中注水（1）长钻孔。钻孔直径为75～100mm，其布置形式较多，如图3-2-1所示。图3-2-1长钻孔注水防尘示意图a-上向钻孔；b-双向钻孔；c-伪倾斜钻孔；d-八字型与倾斜联合钻孔1-钻孔；2-解理abcd（2）短钻孔。其钻孔长度比工作面循环进度稍长，一般取1.5～2m，最大不超过6m。其布置如图3-2-2中a所示。（3）深孔。如图3-2-2中b。图3-2-2短孔、深孔注水防尘示意图a—短孔；b—深孔1—回风巷；2—运输巷（4）巷道钻孔。如图3-2-3所示。图3-2-3巷道钻孔注水2．封孔封孔方法有两种：一种是封孔器封孔，另一种是水泥砂浆封孔。（1）封孔器封孔。（2）水泥砂浆封孔。3．注水（1）注水方法。一是利用矿井地面贮水池，通过井下供水管网实施静压注水；二是利用井下的水泵实施动压注水。a.静压注水：b.动压注水：利用水泵或风包加压将水压入钻孔的注水叫动压注水。长钻孔动压注水的适用性强，被很多煤矿采用，其注水系统如图3-2-3所示。图3-2-4动压注水系统1一注水管；2一水泥砂桨；3一压力表；4一高压胶管；5一阀门；6一分流器；7一单向阀；8一注水表；9一注水泵；10一供水桶（2）注水压力。（3）注水速度（注水流量）注水速度是指单位时间内的注水量。为了便于对各钻孔注水流量进行比较，通常以单位时间内每米钻孔的注水量来表示。（4）注水量4.煤层注水效果在实际注水中，常把在预定的湿润范围内煤壁出现均匀“出汗”（渗出水珠）的现象，作为判断煤体是否全面湿润的辅助方法。影响煤层注水效果的因素有如下几个方面：（1）煤层注水的效果同煤层的裂隙及孔隙的发育程度有关。（2）煤层的注水效果与煤层的埋藏深度和地压的集中程度有关，埋藏越深，地压越集中的地方，煤层的孔隙被压紧，透水性越差。（二）采空区灌水采空区灌水时在开采近距离煤层群的上组煤或采用分层法开采厚煤层时（包括急倾斜水平分层），可以利用往采空区灌水的方法，借以润湿下组煤和下分层煤体，防止开采时生成大量的煤尘。灌水方式同黄泥灌浆。（三）湿式作业湿式作业是利用水或其他液体，使之与尘粒相接触而捕集矿尘的方法，它是矿井综合防尘的主要技术措施之一，具有所需设备简单、使用方便、费用较低和除尘效果较好等优点。1.湿式凿岩、钻眼该方法的实质是指在凿岩和打钻过程中，将压力水通过凿岩机、钻杆送入并充满孔底，以湿润、冲洗和排出产生的矿尘。2.水封爆破和水炮泥水封爆破和水炮泥都是由钻孔注水湿润煤体演变而来的，它是将注水和爆破联结起来，不仅起到消除炮烟和防尘作用，而且还提高了炸药的爆破效果。（1）水封爆破。水封爆破就是在工作面打好炮眼后，先注入压力不超过4.903×106Pa(50kg/cm2)的高压水，使之沿煤层节理、裂隙渗透，直到煤壁见水为止。然后装入防水炸药，再将注水器插入炮眼进行水封，如图3-2-5所示。图3-2-5水封爆破1—安全链；2—雷管脚线；3—注水器；4—胶圈；5—水；6—炸药（2）水炮泥。水炮泥是用装水塑料袋填于炮眼内代替粘土使用。水炮泥的形式有两种：一种是刀把型的人工结扎封口水炮泥；另一种是双层自动封口水炮泥，其形式如图3-2-6a、b所示。图3-2-6塑料水炮泥(a)—人工结扎封口；(b)—双层自动封口二、降低浮尘它的捕尘作用有：①在雾体作用范围内，高速流动的水滴与浮尘碰撞接触后，尘粒被湿润，附着性增强，尘粒间会互相附着凝集成较大的颗粒，在重力作用下下沉；②高速流动的雾体将其周围