㊀第４８卷第２期
Ｖｏｌ ４８㊀Ｎｏ ２㊀㊀２０２０
年
２月
ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
㊀Ｆｅｂ.２０２０㊀
㊀㊀程卫民(１９６６ )ꎬ男ꎬ山东曹县人ꎬ二级教授ꎬ博士生导师ꎬ博士(后)ꎬ博士毕业于中国矿业大学北京研究生部安全技术及工程专业ꎮ现为山东科技大学安全与环境工程学院院长ꎬ山东省泰山学者特聘教授㊁山东省有突出贡献的中青年专家㊁国家安全生产专家㊁山东省教学名师ꎬ教育部高等学校安全科学与工程学科教学指导委员会委员㊁中国职业安全健康协会第五届理事会理事㊁山东省安全生产管理协会副理事长㊁
山东省煤炭学会副理事长㊁山东省安全生产标准化技术委员会副主任委员㊁«煤炭科学技术»编委ꎬ享受国务院政府特殊津贴ꎮ
程卫民及其团队长期从事矿山粉尘环境防治研究工作ꎬ建立了煤尘微观润湿理 论ꎬ提出了细观喷雾降尘机制ꎬ研制了绿高效抑尘材料ꎬ研发了矿山粉尘环境系列化防治技术与装备ꎬ研究成果已在全国１００多个矿山企业成功推广应用ꎬ取得了良好的经济和社会效益ꎮ
主持国家自然科学基金重点项目㊁国家重点研发计划课题㊁山东省重大基础研究项目和重大科技创新项目等
５项国家级㊁省部级项目ꎮ２０１８年获得山东省技术发明一等奖ꎬ２０１５年获得国家安全生产监督管理总局科技成果一等奖ꎬ２０１７㊁２０１３㊁２０１２年分别获得中国煤炭工业协会科学技术一等奖㊁中国职业安全健康协会科学技术一等奖㊁中国黄金协会科学技术一等奖ꎮ２００９㊁２０１８年均获得国家级教学成果二等奖ꎮ在国内外刊物及会议发表学术论文２３８篇(ＳＣＩ㊁Ｅｉ
收录１３１篇)ꎬ出版学术著作６部ꎬ获国内外授权发明专利２９项ꎮ
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程卫民ꎬ周㊀刚ꎬ陈连军ꎬ等.我国煤矿粉尘防治理论与技术２０年研究进展及展望[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８(２):１－２０ ｄｏｉ:１０ １３１９９/ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２０ ０２ ００１ＣＨＥＮＧＷｅｉｍｉｎꎬＺＨＯＵＧａｎｇꎬＣＨＥＮＬｉａｎｊｕｎꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｄｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｅｃｈ￣
ｎｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉｎａ ｓｃｏａｌｍｉｎｅｓｉｎｔｈｅｐａｓｔ２０ｙｅａｒｓ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０ꎬ４８(２):１－２０ ｄｏｉ:
１０ １３１９９/ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２０ ０２ ００１
我国煤矿粉尘防治理论与技术２０年研究进展及展望
程卫民１ꎬ２ꎬ周㊀刚１ꎬ２ꎬ陈连军１ꎬ２ꎬ王㊀刚１ꎬ２ꎬ聂㊀文１ꎬ２ꎬ张清涛１ꎬ２
(１.山东科技大学安全与环境工程学院ꎬ山东青岛㊀２６６５９０ꎻ
２.山东科技大学矿山灾害预防控制 省部共建国家重点实验室培育基地ꎬ山东青岛㊀２６６５９０)
摘㊀要：近年来ꎬ随着矿井开采机械化㊁自动化㊁智能化水平日益提高ꎬ作业环境粉尘污染日益严重ꎮ为了进一步提高矿井清洁化生产水平ꎬ推动煤矿安全保障能力和职业健康水平ꎬ分析了我国煤矿粉尘防治的研究现状ꎬ总结了２０年来粉尘防治理论及技术取得的成果ꎬ并提出了未来发展方向ꎮ全面阐述了现有的防尘基础理论ꎬ主要包括：粉尘弥散污染规律㊁粉尘微观润湿理论㊁尘雾凝并湿式除尘理论㊁湿式喷射混凝土除尘理论ꎮ基于上述理论ꎬ国内高校㊁科研院所研发了综采工作面局部雾化封闭与空气幕隔离㊁综掘工作面风雾双幕协同增效㊁煤层注水强渗－增润㊁矿山湿(潮)喷作业系统㊁高效环保抑尘剂等不同尘源控除尘技术工艺ꎮ同时针对现有研究的不足ꎬ在智能化防尘㊁煤层注水减尘㊁采掘作业环境降尘㊁抑尘材料等４个方面给出了下步研究展望ꎮ研究与实践表明ꎬ我国煤矿已经初步形成了粉尘防治的理论和技术体系ꎬ未来要以智能化防尘为抓手ꎬ实现粉尘高精度传感－传输－评估与预警ꎬ开发集雾化除尘㊁干式㊁干湿混合式㊁小型化㊁吸风量大等于一体的组合式除尘器ꎬ实现综掘工作面㊁综采工作面等广域复杂空间微细粉尘高效通风控除尘技术与装备体系ꎻ同时ꎬ在低渗煤层水力强 收稿日期:２０１９－１０－２５ꎻ责任编辑：王晓珍
基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(５１９３４００４)ꎻ国家自然科学基金面上资助项目(５１７７４１９８)ꎻ山东省高等学校 青创科技计划 资助项目(２０１９ＫＪＨ００５)
作者简介：程卫民(１９６６ )ꎬ男ꎬ山东曹县人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｃｈｅｎｇｍｗ＠１
６３.ｃｏｍ通讯作者：周㊀刚(１９７９ )ꎬ男ꎬ安徽阜南人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｚｈｏｕｇａｎｇ＠ｓｄｕｓｔ.ｅｄｕ.ｃｎ
１
２０２０年第２期煤炭科学技术第４８卷渗－增润技术㊁智能化防尘机器人㊁化学抑尘等技术与装备方面实现突破ꎮ以此来实现矿山粉尘的分源高效治理ꎬ提升矿井的清洁化生产水平ꎮ
关键词：煤矿粉尘防治ꎻ除尘技术ꎻ湿式除尘ꎻ智能化防尘ꎻ注水防尘
中图分类号:ＴＤ７１４㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:０２５３－２３３６(２０２０)０２－０００１－２０
Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｄｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ
Ｃｈｉｎａ ｓｃｏａｌｍｉｎｅｓｉｎｔｈｅｐａｓｔ２０ｙｅａｒｓ
ＣＨＥＮＧＷｅｉｍｉｎ１ꎬ２ꎬＺＨＯＵＧａｎｇ１ꎬ２ꎬＣＨＥＮＬｉａｎｊｕｎ１ꎬ２ꎬＷＡＮＧＧａｎｇ１ꎬ２ꎬＮＩＥＷｅｎ１ꎬ２ꎬＺＨＺＮＧＱｉｎｇｔａｏ１ꎬ２
(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳａｆｅｔｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＱｉｎｇｄａｏ㊀２６６５９０ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｎｉｎｇＤｉｓａｓｔｅｒＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＣｏ－ｆｏｕｎｄｅｄｂｙＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅａｎｄｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＱｉｎｇｄａｏ㊀２６６５９０ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓꎬｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｅｖｅｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎꎬａｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｉｎｍｉｎｉｎｇꎬｄｕｓｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｓｅｒｉｏｕｓ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｌｅａｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｅｖｅｌｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｓꎬｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｇｕａｒａｎｔｅｅａｂｉｌｉｔｙａｎｄｏｃｃｕｐａｔｉｏｎａｌｈｅａｌｔｈｌｅｖｅｌｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｓꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓ
ｔａｔｕｓｏｆｄｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｉｎＣｈｉｎａꎬｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｏｆｄｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｐａｓｔ２０ｙｅａｒｓꎬａｎｄｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎ.Ｉｎｔｈｉｓｐａ￣ｐｅｒꎬｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｉｅｓｏｆｄｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌａｒｅｅｘｐｏｕｎｄｅｄꎬｉｎｃｌｕｄｉｎｇｄｕｓｔｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｐｏｌｌｕｔｉｏｎｌａｗꎬｄｕｓｔｍｉｃｒｏｗｅｔｔｉｎｇｔｈｅｏｒｙꎬｄｕｓｔｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄｗｅｔｄｅｄｕｓｔｉｎｇｔｈｅｏｒｙꎬｗｅｔｓｈｏｔｃｒｅｔｅｄｅｄｕｓｔｉｎｇｔｈｅｏｒｙ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｂｏｖｅｔｈｅｏｒｙꎬｄｏｍｅｓｔｉｃｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓａｎｄｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｒｅ￣ｓｅａｒｃｈｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓｈａｖｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｄｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄｅｄｕｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｕｓｔｓｏｕｒｃｅｓꎬｓｕｃｈａｓｌｏｃａｌａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｃｌｏｓｕｒｅａｎｄａｉｒｃｕｒｔａｉｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｍｉｎｉｎｇｆａｃｅꎬｗｉｎｄｆｏｇｄｏｕｂｌｅｃｕｒｔａｉｎｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｍｉｎｉｎｇｆａｃｅꎬｃｏａｌｓｅａｍｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｓｔｒｏｎｇｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎａｎｄｍｏｉｓｔｅｎｉｎｇꎬｍｉｎｅｗｅｔ(ｔｉｄｅ)ｓｐｒａｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎬｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｄｕｓｔｓｕｐ￣ｐｒｅｓｓｏｒꎬｅｔｃ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔ
ｉｍｅꎬｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｒｅｓｅａｒｃｈꎬｔｈｅｎｅｘｔｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｓｐｅｃｔｓａｒｅｇｉｖｅｎｉｎｆｏｕｒａｓｐｅｃｔｓ:ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｄｕｓｔｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎꎬｃｏａｌｓｅａｍｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｄｕｓｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎꎬｍｉｎｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｄｕｓｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎꎬｄｕｓｔｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓ.Ｒｅ￣ｓｅａｒｃｈａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｔｈａｔＣｈｉｎａ ｓｃｏａｌｍｉｎｅｓｈａｖｅｉｎｉｔｉａｌｌｙｆｏｒｍｅｄａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｏｆｄｕｓｔｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ.Ｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅꎬｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｔａｋｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｄｕｓｔｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｓａｓｔａｒｔｉｎｇｐｏｉｎｔꎬｒｅａｌｉｚｅｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｄｕｓｔｓｅｎｓｉｎｇｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇꎬａｎｄｄｅｖｅｌｏｐａｃｏｍｂｉｎｅｄｄｕｓｔｒｅｍｏｖｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎꎬｄｒｙ－ｔｙｐｅꎬｄｒｙｗｅｔｍｉｘｅｄｔｙｐｅꎬｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｌａｒｇｅａｉｒｓｕｃｔｉｏｎꎬＡｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｏｆｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎａｎｄｄｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆｆｉｎｅｄｕｓｔｉｎｗｉｄｅａｒｅ￣ａｃｏｍｐｌｅｘｓｐａｃｅｓｕｃｈａｓｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｍｉｎｉｎｇｆａｃｅａｎｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｍｉｎｉｎｇｆａｃｅａｒｅｒｅａｌｉ
ｚｅｄ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅ￣ｑｕｉｐｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｔｒｏｎｇｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙａｎｄｍｏｉｓｔｅｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｌｏｗｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏａｌｓｅａｍｏｆｍｉｎｅꎬｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｓｈｏｔｃｒｅｔｅｄｕｓｔ－ｐｒｏｏｆｒｏｂｏｔａｎｄｄｕｓｔｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌａｒｅａｌｓｏａｃｈｉｅｖｅｄ.Ｉｎｔｈｉｓｗａｙꎬｔｈｅｍｉｎｅｄｕｓｔｃａｎｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅｓꎬａｎｄｔｈｅｃｌｅａｎｅｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅｍｉｎｅｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏａｌｍｉｎｅｄｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌꎻｄｕｓｔｒｅｍｏｖａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｗｅｔｄｅ－ｄｕｓｔｉｎｇꎻｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｄｕｓｔｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎꎻｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｄｕｓｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎ
０㊀引㊀㊀言
我国煤炭资源丰富㊁品种齐全ꎬ且分布广泛ꎬ而石油㊁天然气资源相对匮乏ꎬ能源结构一直以煤为主ꎮ根据国家统计局给出的详细数据显示ꎬ我国在
２０１２年至２０１８年间的能源消费总量呈现逐年增长的趋势ꎬ虽然由于国家政策的调整以及对新能
源的投入ꎬ导致我国的煤炭消费总量近几年有小幅度的波动情况ꎬ但是煤炭消费总量仍然占能源消费总量的６０％左右ꎬ而且在接下来很长的一段时间内ꎬ煤炭将继续作为我国的主体能源为我国的经济发展提供重要作用[１－２]ꎮ
近１０年以来ꎬ随着矿井智能化㊁机械化㊁自动化水平的日益提高ꎬ增加了瓦斯㊁煤尘㊁火灾等灾害发生的潜在隐患ꎬ尤其是矿井的粉尘污染ꎬ已经严重影响了企业的安全生产ꎬ威胁工人的职业卫生健康[３]ꎮ而矿井粉尘主要来源于井下采煤㊁掘进㊁运输㊁提升等生产环节ꎬ但其产生量又受地质构造㊁开采方法㊁通风条件等因素的影响ꎮ
据统计ꎬ各生产环节所产生的浮游粉尘量占全部矿井的大致比例如下：采煤工作面５０％ꎬ掘进工作面３５％ꎬ喷浆作业点１０％ꎬ装㊁运㊁卸煤环节５％[４]ꎮ其中ꎬ采煤㊁掘进以及锚喷作业区的产尘量占矿井总产尘量的９５％以上ꎮ根据现场实测ꎬ在综采工作面没有任何防尘措施的情况下ꎬ当采煤机截割和移架等工序共同作业时ꎬ人员主要作业区域的时间加权总尘质量浓度可达５００~８５０ｍｇ/ｍ３ꎬ呼尘可达３００~５００ｍｇ/ｍ３ꎻ即使采取了防尘措施ꎬ也仍然不能改变工作面作业环境的恶劣状况[５]ꎮ再如ꎬ文献[６]中锚喷作业近年来主要采用干喷和湿喷工艺ꎬ虽然操作简单ꎬ但作业现场粉尘的游离二氧化硅含量高达８０％以上ꎬ且时间加权呼尘质量浓度超过
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程卫民等：我国煤矿粉尘防治理论与技术２０年研究进展及展望２０２０年第２期
２００ｍｇ/ｍ３ꎮ上述粉尘浓度已大幅超出国家规定的上限值[７－８]ꎬ矿工患尘肺病的风险极高ꎮ
煤矿粉尘的危害主要包括２个方面:①煤尘的自燃性和爆炸性ꎮ煤尘爆炸是煤矿中致灾性最严重的灾害ꎬ与瓦斯爆炸相比ꎬ煤尘爆炸的强度和致灾范围更大㊁破坏性更强ꎬ造成的灾难更严重[９]ꎮ我国的煤尘爆炸灾害十分严重ꎬ据统计ꎬ２０００年初至２０１９年初ꎬ全国发生煤尘事故１６起ꎬ致使５００多人死亡[１０]ꎮ②煤尘导致尘肺病ꎮ煤矿生产过程中产生的粉尘一部分通过喷雾降尘或通风排尘等措施进行消除ꎬ一部分粒度较小的尘粒飞扬悬浮在生产空间内ꎬ作业人员由于长期接触呼吸性粉尘ꎬ吸入的粉尘会慢慢沉积在人体肺部ꎬ例如细小支气管或是肺泡内ꎬ长时间接触呼尘会在生理㊁病理上产生一系列的变化ꎬ导致肺组织纤维化疾病[１１]ꎬ称为煤工尘肺病ꎮ在煤炭类行业ꎬ尘肺病是一种多发的职业病ꎬ具有 隐性 矿难和 隐形杀手 的说法ꎬ比起瓦斯爆炸等 显性 矿难ꎬ它所具有的杀伤力更强ꎬ并且会损害更多㊁更广的体ꎬ潜在危害性更重ꎮ据统计ꎬ每年因尘肺病死亡人数是矿难和其他工伤事故死亡矿工数量６倍之多[１２]ꎮ据国家卫健委公布ꎬ２０１０年以来ꎬ我国年均报告职业病新病例２.８万例ꎬ截至２０１８年底ꎬ累计报告职业病９７.５万例ꎬ其中ꎬ职业性尘肺病８７.３万例ꎬ约占报告职业病病例总数的９０％ꎻ２００８ ２０１８年ꎬ全国尘肺病新增病例总数２４７６１１人ꎬ其中煤矿尘肺病新增１２５４１８人ꎬ约占５０.６５％[１３－１４]ꎮ
目前ꎬ大多学者只针对煤矿单一的防尘技术展开研究ꎬ对综合类煤矿粉尘防治理论技术体系的研究还较少ꎮ因此ꎬ为了体现最新的研究成果ꎬ推进我国煤矿粉尘防治技术的发展ꎬ提高矿井安全保障能力和职业健康水平ꎬ笔者分析了我国煤矿粉尘防治的研究现状ꎬ总结了粉尘防治理论及技术取得的成果ꎬ并提出了未来发展方向ꎮ
１㊀我国煤矿粉尘防治理论研究现状
１.１㊀粉尘弥散污染规律
１.１.１㊀综采工作面粉尘污染
综采工作面粉尘污染一直是矿井粉尘防治的重点ꎬ对于综采工作面粉尘污染研究方法主要分为试验与数值模拟ꎮ蒋仲安等[１５]以气溶胶力学和流体动力学理论为基础ꎬ结合综采工作面实际环境和呼吸性粉尘二次飞扬特点ꎬ建立了与综采工作面移架产尘点与割煤产尘点耦合下的呼吸性粉尘扩散模型ꎬ并通过相似试验对模型进行了验证ꎻ刘毅等[１６]基于气固两相流理论建立了粉尘运动的数学模型ꎬ根据综采工作面的具体性质和实测数据ꎬ明确综采工作面产生的粉尘运动规律ꎻＲＥＮＡＵＤ等[１７]通过构建两阶段的数学模型ꎬ对矿井空间中的粉尘分布进行了相关模拟ꎬ研究了采煤工作面粉尘的扩散规律ꎮ相关学者亦采用ＣＦＤ(计算流体力学)数值计算方法对综采工作面粉尘运移规律进行了研究ꎮＰＡ￣
ＴＡＮＫＡＲ等[１８]利用ＬＥＳ大涡法对气体运动过程进行了仿真模拟ꎬ同时利用Ｅｕｌｅｒｉａｎ－Ｌａｇｒａｎｇｉｎ法对粉尘颗粒的空间分布进行了数值模拟ꎮＲＥＮ等[１９]采用计算流体力学(ＣＦＤ)的方法ꎬ计算模拟了矿井内的风流和粉尘流动特性ꎬ并根据结果提出２种可能的粉尘控制方案(图１)ꎻＳＵＮ等[２０]利用数值模拟的方法研究了风流扰流对粉尘污染的影响ꎬ同时提出了局部喷雾封闭控除尘技术ꎬ提高了除尘率(图２)ꎮＭＡＧＥＳＨ等[２１]将工作面中运移的风流视作连续相ꎬ而将煤尘分别视作连续相与离散相进行了数值模拟ꎬ并对比分析了由不同模拟方法得到的煤尘分布规律ꎮ谭聪等[２２]将现场实测的粉尘质量浓度分布情况与模拟的综采工作面割煤粉尘运动规律进行对比ꎬ得出几个重要的对综采工作面粉尘质量浓度有影响的因素ꎬ主要是工作面风速㊁采煤机滚筒转速㊁刮板输送链条速度以及煤壁面条件ꎻ姚锡文等[２３]针对不同通风条件下的综采工作面风流运动和煤尘分布规律进行了数值模拟ꎬ得到了上行通风与下行通风的降尘机理以及大倾角综采工作面的最优排尘风速
ꎮ
图１㊀呼吸带高度处的风流速度分布[１９]
Ｆｉｇ.１㊀Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｉｒｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙａｔｔｈｅｈｅｉｇｈｔｏｆｂｒｅａｔｈｉｎｇ
ｚｏｎｅ[１９]
综上所述ꎬ国内外学者通过试验与数值模拟等手段对综采工作面粉尘污染规律进行了研究ꎮ根据综采工作面不同尘源产尘特点ꎬ建立了适用于综采工作面的风流－粉尘颗粒ＤＰＭ耦合流动数学模型ꎬ并采用欧拉－拉格朗日法来描述气载粉尘的湍流扩
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２０２０年第２期煤炭科学技术第４８
卷
图２㊀粉尘浓度迹线[２０]
Ｆｉｇ.２㊀Ｔｒａｃｅｏｆｄｕｓｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ[２０]
散ꎬ对综采工作面采煤机截割产尘ꎬ移架产尘以及通风携尘等多尘源粉尘的弥散过程进行了ＣＦＤ数值模拟ꎬ所得成果为综采工作面粉尘防治奠定了科学的理论基础ꎮ但是随着综采机械化的不断推广ꎬ综采工作面粉尘污染也日益严重ꎬ过去的理论与技术不足以保障现有生产需要ꎮ因此ꎬ在综采工作面粉尘弥散污染规律方面ꎬ目前较为前沿的理论是通过现场测定与试验测试相结合ꎬ同时ꎬ进行综采工作面风流－粉尘耦合运移的ＣＦＤ数值模拟ꎬ以确定综采工作面风流－粉尘运移㊁逸散规律ꎮ１.１.２㊀综掘工作面粉尘污染
综合机械化掘进工作面粉尘弥散影响因素较多ꎬ例如产尘位置多变㊁技术工序繁杂等ꎬ对此ꎬ研究学者进行了深入细致的研究ꎮＮＡＫＡＹＡＭＡ等[２４]采用试验和数值模拟结合的方法ꎬ对风流和粉尘在综掘工作面的运移情况进行了研究ꎬ结果表明：风流流线与粉尘迹线存在着对应关系ꎬ且试验和模拟结果与现场实测一致性较高ꎮ在巷道粉尘弥散的试验研究中ꎬＮＩＥ等[２５]得出了试验条件下粉尘浓度沿风向变化的曲线和流场与粉尘浓度场之间的关系ꎬ提出了实现风㊁尘分流的技术途径ꎮ王德明等[２６]分析了综掘工作面产尘机理ꎬ借助于Ｆｌｕｅｎｔ软件对工作面粉尘分布与运移规律进行数值模拟研究ꎬ获取整体
横向和纵向上的粉尘运移分布规律ꎮ
ＹＵ等[２７－２９]建立了掘进巷道的高仿真度三维模型ꎬ采用稳态解算方法分别对压入式㊁压抽混合式及添加附壁风筒等通风条件下粉尘分布规律进行了仿真模拟ꎬ对比了压抽风量比例㊁压抽风筒位置和风幕等对粉尘浓度分布范围及粒径沉积规律的影响ꎬ分析出合理风量压抽比例和风筒位置最佳布置方式ꎬ依据分析结果与实测数据对比ꎬ对除尘方法提出了指导建议ꎬ并对其降除尘效果进行了分析ꎬ明确了最优化的除尘技术(图３㊁图４㊁图５)ꎮ
图３㊀单压通风时２.５μｍ粉尘迹线[２７]
Ｆｉｇ.３㊀Ｍｏｖｅｍｅｎｔｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓｏｆ２.５μｍｄｕｓｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｈｅｎｆｏｒｅｄｒｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ[２７]
㊀㊀针对掘进工作面存在的粉尘扩散模型误差大㊁粉尘时空演化规律不明确等难题ꎬ国内外学者基于ＣＦＤ(计算流体力学)－ＤＥＭ(离散单元法)计算框架完善了粉尘细观运动受力ꎬ采用颗粒放大法建立了综掘工作面离散粉尘颗粒动态追踪模型ꎬ并结合现场实测对模型进行了校正ꎬ提出了以粉尘动态追踪模型为核心㊁宏观粉尘团与细观颗粒流联结的预测分析法ꎬ明确了综掘工作面单压㊁长压短抽及长压短抽结合传统附壁风筒通风方式下不同粒级粉尘颗粒运动迹线㊁风流诱导偏离流线㊁沉降行为以及累积质量分布等粉尘时空演化规律：单压的情况下ꎬ巷道内的风速随着距掘进工作面距离的增大逐渐衰减ꎬ掘进工作面
附近的高浓度粉尘团随风流扩散至整个巷道ꎬ对整个工作面有严重的污染ꎻ在长压短抽的情况下ꎬ随着距掘进工作面距离的增大ꎬ巷道内的风速逐渐减小ꎬ一部分粉尘团随抽风而消除ꎬ一部分粉尘仍然聚集在掘进工作面附近ꎬ随风流逸散至整个巷道断面ꎻ长压短抽结合传统附壁风筒通风的情况下ꎬ靠近掘进工作面和附壁风筒径向出风口处的风速相对较大ꎬ中间区域风速相对较小ꎬ总体上沿巷道长度方
４
程卫民等：我国煤矿粉尘防治理论与技术２０年研究进展及展望２０２０年第２
期
图４㊀长压短抽通风时风流－尘粒耦合场运移数值模拟[２８]Ｆｉｇ.４㊀Ａｉｒ－ｄｕｓｔｃｏｕｐｌｅｄｆｉｅｌｄｍｉｇｒａｔｉｏｎｌａｗｉｎｌｏｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｓｈｏｒｔｅｘｈａｕｓｔｅｄｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｏｆａｔｔａｃｈｅｄｗａｌｌｄｕｃｔ
[２８
]
图５㊀附壁风筒长压短抽通风时风流－粉尘逸散规律[２９]
Ｆｉｇ.５㊀Ｗｉｎｄ－ｄｕｓｔｃｏｕｐｌｅｄｆｉｅｌｄｍｉｇｒａｔｉｏｎｌａｗｉｎｌｏｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ
ａｎｄｓｈｏｒｔｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｏｆａｔｔａｃｈｅｄｗａｌｌｗｉｎｄｍｉｌｌ[２９]
向风速分布更为均匀ꎬ且旋流风幕会在附壁风筒处形成ꎬ对于封闭综掘机司机前方的高浓度粉尘团具有显著的效果ꎬ并由抽风筒抽出ꎬ避免了粉尘逸散ꎬ大幅降低粉尘浓度ꎮ
为了解决综掘工作面粉尘质量浓度超标的技术难题ꎬ国内学者蒋仲安等[３０]运用计算流体力学的离散相问题(ＤＰＭ)对岩巷综掘工作面通风除尘系统进行数值模拟(图６)ꎮ确定了风量压轴比为２ʒ３的 以轴为抽ꎬ前压后抽 混合式通风除尘较优ꎬ并对现场进行了应用ꎬ验证了研究结论的正确性
ꎮ
图６㊀压入式通风时流场分布[３０]
Ｆｉｇ.６㊀Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｆｏｒｃｅｄｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ
[３０]
１.２㊀煤尘润湿理论
煤层注水和喷雾降尘是采掘工作面粉尘防治的主要措施ꎬ通过钻孔压向待开采煤层注水或高压雾化产生的雾场ꎬ使煤体(尘)湿润ꎬ从而减少采掘过
程中浮煤的产生ꎮ因此ꎬ煤粉润湿性是影响降尘效果的重要因素ꎮ１.２.１㊀煤尘润湿特性
为此ꎬ要想更好地了解煤尘的润湿性ꎬ首先需要对煤尘与水之间的固－液关系进行分析研究ꎮ对此ꎬ董平等[３１]在对超细煤粉表面润湿性进行详细分析后发现ꎬ随着变质程度的不同ꎬ超细煤粉粉碎后的煤粉表面疏水性将不断增加ꎮ聂百胜等[３２]根据煤
大分子和表面的结构特点分析了煤表面自由能的特征和煤吸附水的微观机理ꎬ得出煤吸附水分子是多层吸附的结论ꎮ第１层吸水主要是由于煤与水分子的氢键作用ꎬ而其他水分子层的吸附则是由分子间的长程作用力所致ꎮ金龙哲等[３３]分析了煤层注水时水在煤体内的运动过程ꎬ应用界面化学理论分析了水在煤表面的润湿过程ꎬ总结出煤体能够自行润湿的条件ꎬ并初步阐述了水在煤表面的润湿机理ꎮＫＯＬＬＩＰＡＲＡ等[３４]针对不同粉尘样品ꎬ研究了它们的物理㊁矿物学和润湿特性ꎮ采用固定时间润湿率(试图模拟采矿环境周围的润湿性)和绝对时间润湿性(评估内在润湿率)来评估粉尘润湿率ꎬ得出煤尘的固定润湿
率在５７％~９９％ꎬ大多数矿井的润湿率在９０％以上ꎬ煤层中部的润湿性最差ꎻ粉尘颗粒与水滴的接触时间是提高煤尘润湿性的重要因素ꎬ结果表明ꎬ颗粒较大的粉尘完全润湿需要更多的时间ꎮＡＲＫＨＩＰＯＶ等[３５]提出了一种估算细煤颗粒在水滴上润湿性的新方法ꎬ提高了颗粒润湿性估算的准确性ꎮ
湿式除尘和化学抑尘相结合ꎬ尤其是阴离子表面活性剂对煤润湿性的影响最为显著ꎮ王德明等[３６]分别研究了十二烷基硫酸钠(ＳＤＳ)㊁十二烷基磺酸钠(ＳＤＤＳ)和十二烷基苯磺酸钠(ＳＤＢＳ)对煤尘的润湿能力ꎬ测试了煤尘接触角㊁表面张力㊁润湿时间等参数(图７)ꎬ试验结果表明：对于相同的阴离子表面活性剂ꎬ随着浓度的增加ꎬ使得吸附密度和煤尘表面亲水位点也相应增加ꎬ提高了润湿效率ꎮ林柏泉等[３７]系统地分析了煤尘的物理性质及其润湿行为(图８)ꎮ研究了不同表面活性剂对煤尘润湿性的影响ꎬ并与去离子水进行了比较ꎮ研究结果表明ꎬ煤的粒度越细ꎬ煤的微观结构越复杂ꎬ煤的润湿性越
差ꎮ在３种不同的煤尘样品中ꎬ挥发分含量较高的煤的润湿性能较差ꎬ因为挥发分更容易释放ꎬ颗粒周围更容易形成气膜ꎮ
１.２.２㊀煤尘微观润湿机理
文献[３８－３９]从分子层面对我国１４类煤种煤尘理化结构与其润湿性之间关系进行了试验研究ꎬ首次发
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