（安全技术及工程专业论文）煤矿粉尘监测与控制系统的模拟研究.pdf

河北理- 丁大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h e r ei sl o t so fd u s tp r o d u c e dd u r i n gt h ep r o d u c t i o nc o u i e i na l lc o a lm i n e sw o r k p l a c e t h ec o a lm i n ed u s t sp r o d i g i o u sh a r m i sd e c i d e db yt h ep r o p e rq u a l i t y ：c o a lm i n e r s h e a l t hi s s e r i o u s l y h u r t b yi t ；a c c e l e r a t e t h em a c h i n ea b r a s i o na n da b r i d g er i g i d i n s t i l l a n e n t su s i n gl i f e ；i tc a l la l s ob r i n go nt h eg r i m e sb u r n i n ga n db l a s tc o n s e q u e n t l y t h em e a s u r i n gw a y sa n di n s t r u m e n t sa b o u tt h ed u s ti nc o a lm i n eh a v es o m e m a l p r a c t i c e su n i n t e l l i g i b l yn o to n l yi nt e c h n i c a lb u ta l s oi np i a c t i c ew o r k i n gc o 峭 c o m m o ns a m p l i n gi m p l e m e n tc a l lg a t h e rt h ed u s t sc o n s i s t e n c ya sas p o ta n di n s t a n t n u m e r i c a lv a l u eo n l y , w h i c hc o u l dn o tr e f l e c tt h ed u s tp o l l u t i o ni n b ；t a t n c ei nw o r k i n g l o c a t i o na n di ss h o r to fr e p r e s e n t a t i o nb u tt h ec o u r $ ei sa l s of u s s ya n dt h eo r o ro f m e a s u r i n gr e s u l ti sb i g g i s h d e p e n do i lt h ea n a l y z ea n di n s t r u m e n t sa b o u tt h ed u s t ，t h et e x t w o r ko v e ra n dd e s i g nai n s p o c ta n dm e a s u r i n gt e c h n i c a ls y s t e mt h a tu s e di nd u s t sc o n t r o l i nc o a lm i n ea n dm a k eae x p l o i t a t i o na n dt e s t i n gs t i m u l a n ti n v e s t i g a t i o ni nc o m p u t e r s o f t w a r e 1 t h es y s t e ma d o p t st h et e c h n i c a lo f d u s ts e n s o ra n ds c mt oi n s p e c ta n dc o n t r o lt h e d u s ti nc o a lm i n e i tm a k e ss c ms y s t e ma st h em a i nc o n t r o l l e ra n dm a k e sd u s ts e n s o ra n d j o u r n e ys w i t c ha sd e t e c t o r , w h i c hc o u l dh s p o c tt h ed u s ti se g c c c dt h el i m i to rn o t t h ed a t a w i l lb es e n dt ot h em a i nc o n t r o l l e ra n dt h e nt ot h ei n s p e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gc e n t e r , 5 0a s t ob es h o w no rg i v eaa l a r ma n de x e c u t ec o n t r o l l i n gm e a s u r e ” 2 ms p e c i a l t ya n dp r i n c i p l ea r ea n a l y z e da n dg e n e r a l i z e d a 。b o u t d u s t sm a j o r m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，s ot h ep r o p e re q u i p m e n ts e l e c t e dt oc o m p o s ei ta n di t s s y s t e md i a g r a mi sp l o r e d ；i tm a k eu s eo f c o m p u t e rt os i m u l a t et h es y s t e ma n dv ct ow o r k o u ts o f t w a r es y s t e m , s oa st oi m p l yt h ef u n c t i o na b o u td a t e s f i n d i n g , p r e s e n t a t i o ni nr e a l - t i m e , s a v i n ga n ds oo n i ta l s os u p p l i e se f f e c ta n d i e m i f i ca c c o r d i n ga b o u te x e c u t i o no f a s p i r a t i n ga n df a l l i n gd u s tm e a s u r e m e n t 3 t h ec o n t r o l l i n gm e a s u r es h o u l db ee x e c u t e da n dm i n e r ss h o u l ds t o pp r o d u c t i o n w h e nt h ed u s te x c e e d sl i m i ta n dd u s t sc o n t r o l l i n gm e a s u r ea n de q u i p m e n ts h o u l db e s t a r t u p t h ed u s t sc o n t r o l l i n ge q u i p m e n t sm a i n l yi n c l u d ea e r a t i o n , d u s t se l i m i n a t i n ga n d d r o p p i n ge q u i p m e n t s d u s t sd r o p p i n gm e a s u r e sa r cm a i n l yp a r ti nc o a l si n t e g r a t e d d u s t p r o o f t h ea c t u a ld u s t p r o o fm e a s u r e sa r em a i n l yi n c l u d ed e s i c c a t e da n dw a t e r i s hd u s t 1 i 摘要 c a t c h e ra n dp r a ys p r i n k l i n gi ne v e r yd u s t sp r o d u c t i o np l a c e s u c ha se x p l o d e rp r a ya n d 0 e p o r a t i n gw a t e ri nl a n e w a y e t c 4 t h es y s t e ma b o u tc o a lm i n e si n s p e c ta n dc o n t r o lo f d u s tc o u l di n s p e c ta n dc o n t r o l d u s te x a c t l ya n dd y n a m i cb u ta l s op u tf o r w a r d ss p e c i f i cm e a s u r ea b o u te x c e p ta n d d r o p p i n gd u s te f f e c ts o 勰t oa c t u a l i z ed u s t si n s p e c t i n ga n dc o n t r o lp r o c e d u r a la n d r o b o t i c i z e d t h eh a r mo ft h ec o a lm i n e sd u s tc o u l db er e l e a s e dh a r d l ya n di tw i l lb e i m p o r t a n tf o rw o r k e r s h e a l t ha sw e l l 嚣t h ea c c i d e n t s o c c u l t e n c ec o u l db ep r e v e n t e d f i g u r e2 5 ，t a b l e 4 ，r e f e r e n c e5 2 k e yw o r d s ：d u s to f c o a lm i n e ，m e a s u r e m e n ta b o u td u s t , c o n t r o la b o u td u s t , s i m u l a t i o n c h i n e s ef i b r a r yc a t a l o g ：t d 7 6 1 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：狂益f 鲤 日期：迎z 年竺月醴日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 引言 引言 煤尘危害为煤矿五大自然灾害之一，一直是煤炭行业防治工作的重点。粉尘给 煤矿工作人员和安全生产造成极大危害：一方面。粉尘污染的作业环境严重危害工 人的身体健康，可引起肺部病变，造成尘肺病。据最新的资料表明，在我国实际的 严重尘肺病患者有1 2 0 万之多，占到全世界尘肺病患者的一半以上，每年因此死亡 的人数超过4 0 0 0 人，每年出此引起豹直接损失超过8 0 亿元。面在所有因各种粉尘 引起的尘肺病中，煤矿工人占到的比例最高。究其原因，除了经济能力、技术条 件、卫生立法等方面的因素外，我国在粉尘监督监测体系和手段的完整性和科学性 方面应进一步加强和提高。另方面，粉尘浓度过高潜伏着爆炸的危险，悬浮的煤 尘也是造成煤矿煤尘爆炸的主要原因之一。此外，高浓度粉尘还会加速机械设备磨 损，缩短精密仪器的使用寿命。因此，监测作业场所粉尘浓度，控制煤矿粉尘的产 生，对于确保从业人员生命健康、预防事故的发生尤为重要。 目前采用的用于粉尘检测的大流量瞬时采样法缺乏代表性。瞬时采样只能采集 采样时、点的粉尘浓度，不代表工人在工作班中暴露的粉尘浓度。其次，国内矿山 测量粉尘浓度的常用方法有采样器采样和直读式快速测尘仪两种。使用采样器采 样，测量的准确度较高，在很多国家定为标准粉尘浓度测定仪器，但是它存在很大 的局限性，测尘需要称重、烘干、采样、再烘干、再称重及计算等一系列繁琐的过 程，尤其是不能及时反映现场环境的粉尘污染状况；直读式快速测尘仪，虽然有快 速、直读，并能及时反映出作业场所粉尘污染状况的优点，但由于受技术条件的限 制，测量结果误差很大，其本身具有的局限性使该类仪器无法推广应用。再次，溯 尘人员经常由于生产达标的原因，使得粉尘的测定结果经常人为性偏低，粉尘监测 的覆盖率和合格率不合实际，使得检测结果缺乏真实性。 目前我国采用先进的计算机及信息化技术，针对不同行业的职业安全卫生信息 开发的公共管理监测系统十分缺乏，特别是针对煤炭行业( 为我国粉尘危害最为严 重的行业) 的粉尘监控的试验性研究更是空白。随着粉尘传感器、电子、自动控 制，计算机、网络、信息传输这些领域新成果、新技术的不断出现以及社会的飞速 发展，大量的数据、信息的管理、储存已非人们的手工及纸笔所能达到。随着计算 机技术及信息化产业的飞速发展，各行各业实现计算机管理势在必行。监控是实现 矿并安全生产，预防事故发生的重要措施之一，也是矿井现代化管理水平的重要标 河北理t 大学硕士学位论文 志，因此，就目前状况而言，研究一套煤矿粉尘监测控制系统对于确保矿工生命健 康、预防灾难性煤尘爆炸事故的发生是十分必要的。 本文研究设计了一套针对煤矿的粉尘监测控制应用技术系统，并进一步对其进 行试验性研究。该系统的实现必将提高、改进传统的检测技术，全面提高粉尘检测 的科学性、准确性，使得矿山粉尘监控变得及时高效，确保矿山职工免受粉尘的危 害。 2 - l 文献综述 1 文献综述 1 1 粉尘 1 1 1 粉尘的概念、分类及特性 粉尘，也称”空气中的悬浮颗粒物”，指的就是在生产过程中产生的能较长时间 悬浮于空气中的固体颗粒，其大小在1 0 0 p r a 以下。 1 依照粉尘的不同特性，有不同的分类方法： 1 ) 按照粉尘的形状及粒径大小分类 粒径在1 0 1 x r a 以上的容易沉降到地面的叫工业粉尘，它们在静止空气中可加速 沉降，由于它们是用眼睛可以分辨的粉尘，又叫可见粉尘；粒径在l o 岬到0 1 1 t m 的称为飘尘，又称为显性粉尘，它们在静止空气中可等速沉降，普通显微镜可观察 到；粒径小于0 1 0 a n 的粉尘则称超显微粉尘，它们在静止空气中不沉降，仅随空气 分子无规则的运动，要借助高倍显微镜才能观察到。 2 ) 按粉尘的理化性质分类 按粉尘的理化性质分类，分为无机粉尘、有机粉尘、混合粉尘。 无机粉尘，包括矿物性粉尘( 如石英、石棉、滑石粉、煤粉等) ，金属粉尘 ( 如铁、锡、铝、锰、铍及其氧化物等) 和人工无机粉尘( 如金刚砂、水泥、耐火 材料等) 。 有机粉尘，包括植物性粉尘( 如棉、麻，谷物、烟草等) 、动物性粉尘( 如毛 发、角质、骨质等) 和人工有机粉尘( 如有机燃料、炸药等) 混合性粉尘为各种粉尘的混合物。大气中的粉尘一般为混合性粉尘。 3 ) 根据粉尘粒子在呼吸道沉积部位的不同分类 不同粒径的粉尘粒子进入人体呼吸道的深度和在呼吸道的沉积部位不同，有些 粉尘被人体吸入后又被呼出即使同样粒径的粉尘颗粒进入人体呼吸道的深度也不 是完全一样，这里存在一个问题，概率大小是依据人体呼吸道的标准解剖结构、气 道内气体的流量和流速，经过实验模拟和计算得到的。据此可将粉尘分为：非吸入 性粉尘、可吸入粉尘和呼吸性粉尘。非吸入性粉尘空气动力学直径大于1 5 1 a n ，被吸 入呼吸道的机会非常少；空气动力学直径小于1 5 r a 的在医学上具体指可吸入而且 不再呼出的粉尘，它包括沉积在鼻、咽、喉头、气管和支气管及呼吸道深部的所有 3 河北理工大学硕士学位论文 粉尘；空气动力学直径小于5 岬以下的粒子可到达呼吸道深部和肺泡区，进入气体 交换的区域，称之为呼吸性粉尘 2 粉尘的特性 粉尘浓度是指单位体积空气中的粉尘含量，通常以每立方米的空气中所含粉尘 毫克数( m g m 3 ) 或者克数( g 秆) 来表示。这种表示方法又称为质量浓度，此外， 还有数量浓度( 粒子数c m 3 ) 以及体积浓度等。 单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度，这罩粉尘的体积不包括尘粒之间的空 隙，所以密度为粉尘的真密度，单位为g 耐。只有表面光滑又密实的粉尘的真密度 才与其物质密度相同，通常形成粉尘的物质密度比它所形成的粉尘密度大 2 0 扣5 0 。 粉尘的粒度用粒径来表示。所谓粒径，就是颗粒的直径、大小和尺寸。现实的 粉尘颗粒形状是不规则的。实际上，迄今为止的任何一种粒度测量仪，都是用现实 颗粒同圆球颗粒相比较的方法测量颗粒大小的，即“如果颗粒是圆球，那么它应该 是( 等效于) 那么大”。粒径的科学定义如下：当被测颗粒的某种物理特性或物理 行为与某一直径的同质球体( 或其组合) 最相近时，就把该球体的直径( 或其组 合) 作为被测颗粒的等效粒径( 或粒度分布) 。 单位质量( 或单位体积) 粉尘的总表面积称为粉尘的比表面积。由于粉尘的比 表面积增大，它的表面能也随之增大，增强了表面活性。在研究粉尘的湿润、凝 聚、附着、吸附、燃烧等性能时，必须考虑其表面积。细微粉尘增大了表面能，即 增强了尘粒的结合力一般把尘粒间互相结合形成一个新的大尘粒的现象称作凝 聚；尘粒和其他物体结合的现象称作附着。不同性质的粉尘对同一性质的液体的亲 和程度是不同的，这种不同的亲和程度称为粉尘的湿润性。粉尘湿润性还与粉尘的 形状和大小有关，球形粒子的湿润性比不规则形状的粒子要小；粉尘越细，亲水能 力越差。在除尘技术中，粉尘的湿润性，是选用除尘设备的主要依据之一。 粉尘的光学特性包括粉尘对光的反射、吸收和透光程度等。可以利用粉尘的光 学特性来测定粉尘的浓度和分散度。通过含尘气流的光的强度减弱程度与粉尘的透 明度和形状有关，但主要取决于粉尘粒子的大小及浓度。尘粒粒径大于光波波长和 小于光波波长对光的反射和折射作用也是不相同的。 粉尘的自燃是由于粉尘氧化而产生的热量不能及时散发，而是氧化反应自动加 速所造成的。各类可燃性粉尘的自燃温度相差很大。根据不同的自燃温度可将可燃 性粉尘分成两类。第一类粉尘的自燃温度高于周围环境的温度，因而只能在加热时 4 一 l 文献综述 才能引起燃烧；第二类粉尘的自燃温度低于周围环境的温度，甚至在不加热时都可 能引起自然这种粉尘造成火灾的危险性最大在封闭或半封闭空间内( 包括矿井 各种巷道) 可燃性悬浮粉尘燃烧导致的化学爆炸的粉尘最高浓度和最低浓度称为爆 炸的上限和下限。出于上下限浓度之间的粉尘都具有爆炸危险性。在封闭或半封闭 空间内高于爆炸浓度上限或低于爆炸浓度下限的粉尘虽然不能爆炸，但是可以燃 烧，因此也是不安全的。 粉尘的电性质包括两个方面：荷电性和比电阻。 1 荷电性 粉尘荷电量的大小取决于物料的化学成分和与其接触的物质，如高温可时带电 量增加，高湿则使带电量减小。通常在于燥空气中，粉尘表面的最大荷电量约为 2 7 x 1 0 - 9 c c m 2 。研究粉尘电性质一方面可利用其特性研制电除尘设备，另一方面， 某些学者认为带电尘粒吸入肺组织，较易沉积于支气管、肺泡中，增加了对人体的 危害。 2 比电阻 粉尘的导电性通常用比电阻表示。粉尘比电阻可用圆伴电极法测出，即在两圆 板电极间堆积粉尘层，在两极间加直流电压，测出电压、电流后算出。比电阻是评 定粉尘导电性的指标，一般在1 0 4 c l 锄1 0 q 锄范围内，比较适于静电除尘 随着矿山、冶金、玻璃制造、陶瓷、耐火材料、建材等行业生产的大规模发 展，粉尘的危害逐渐被人们认识：给生产带来不安全因素，如机械的磨损；煤、面 粉等粉尘不仅引起的燃烧爆炸等，造成经济上的巨大损失；而且石英及含有游离二 氧化硅的粉尘，使长期从事粉尘作业的工人可能发生尘肺病，严重损害健康，甚至 丧失劳动能力或过早死亡。 近年来，我国工业的迅速发展造成了环境的恶化，粉尘也是引起环境问题的主 要污染物。我国矿山企业四大职业危害( 工伤死亡、粉尘、毒物、爆炸) 中最严重者 当属尘害粉尘被工人吸入体内，在呼吸系统沉积到一定的剂量后，就会导致尘肺 病的发生尘肺病是危害广大从业人员健康的最严重的一种职业病，主要分布于煤 炭、冶金、机械、建材、化工石油及轻工等行业【3 l 。如何积极有效的防治尘肺病， 是一项迫切需要解决的问题。 为了控制尘肺病的发生，必须加强粉尘的监督检测工作。国内外学者普遍认为 监测和控制粉尘浓度是防治尘肺病的重要监督手段，是降低乃至消灭粉尘危害的关 键。 - 5 一 河北理工大学硕士学位论文 1 1 2 我国粉尘检测概况 我国的测尘工作是在解放后才丌始的。我国的粉尘浓度测定，开始要求用瞬时 大量定点测全尘浓度，强调计重法，为总粉尘监测。目前煤炭行业的粉尘监测三 种方法并存：一种是全工作班个体呼吸性粉尘监测，第二种是瞬时大流量定点全尘 监测，第三种是瞬时大流量定点呼吸性粉尘监测。为此在我国采用的标准中出现了 “时间加权平均浓度”与“最高允许浓度”、“呼吸性粉尘浓度”与“总粉尘浓 度”、“环境浓度”与“个体接触浓度”共存的混乱局面。 近十几年来，我国粉尘测量仪表的研制与生产有较大发展，用于生产的粉尘采 样器和测尘仪达到十余种，如：常熟电子仪器厂生产的a f q 一2 0 型粉尘采样器，核 工业部太原辐射防护研究院研制的c x f 2 防爆型呼吸性粉尘个体采样器，北京地 质仪器厂研制的a z f c 1 型矿用智能测尘仪，常熟矿山机电器材厂生产的a k f c 一 9 2 型粉尘采样器和a k f c 9 2 g 型个体粉尘采样器，煤炭科学研究总院重庆分院研 制的a l n 9 5 型粉尘粒度分布与浓度测定仪等1 4 j 。 粉尘颗粒粒度测定的方法有很多，传统的颗粒粒径测量方法有筛分法、显微镜 法、沉降法、电感应法等，近年来发展的方法有激光衍射法、在显微镜法基础上发 展的计算机图象分析技术、基于布朗运动的粒度测量法及质谱法等。并且现在又不 断有新的粉尘颗粒粒度测量方法和综合性测量仪器研究成功一般来说，颗粒粒度 既取决于直接测量( 或间接测量) 的数值尺寸，也取决于测量方法。由于各种颗粒 粒径测量方法的物理基础不同，同一样品用不同的测量方法得到的粒径的物理意义 甚至粒径大小也不同，如筛分法得到的是筛分径；显微镜法、光散射法得到的是统 计径；沉降法、电感应法和质谱法得到的是等效径。此外，不同的颗粒粒度测量方 法的适用范围也不同。根据被测对象、测量准确度和测量精度等选择合适的测量方 法是十分必要的。 目前国内外测尘仪器及其采用的测量方法各种各样，粉尘浓度的表示方法也不 尽相同，但是它们大致可以分为两大类：其原理分别基于取样法和非取样法，具体 如图1 所示i ”。 6 l 文献综述 图i 粉尘浓度测量方法的分类 f i g 1c l a s so f t h em e t h o d so f t h ed u s td e n s i t ym e a s u r e m e n t 但随着科学技术的进步和人们对粉尘及尘肺病的深入研究，发现上述粉尘检测 方法及仪表无论在技术上还是在实际工作过程中均存在一些难以克服的弊端： 1 ) 目前我国对粉尘的检测主要以短时阃间断性测尘为主，采用的大流量瞬对采 样法缺乏代表性。瞬时采样只能采集采样时、点的粉尘浓度，不代表工人在工作班 中暴露的粉尘浓度，同时粉尘引起尘肺病的影响因素中主要还与工人的接触时间长 短有关，因此采用“短时”的采样方法不能真实反映工人整个工作班的实际吸入粉 尘量。测出的粉尘浓度有时偏大( 在粉尘浓度较大时监测) ，有时偏小( 在不生产时监 测) ，根本不能准确地反映煤矿井下的粉尘污染状况。 2 ) 具体到粉尘检测仪器，目前国内矿山测量粉尘浓度的常用方法有采样器采样 和直读式快速测尘仪两种。使用采样器采样，测量的准确度高，在很多国家定为标 准粉尘浓度测定仪器，但是它存在很大的局限性，测尘需要称重、烘干、采样、再 烘干、再称重及计算等一系列繁琐的过程，尤其是不能及时、动态反映现场作业环 境的粉尘污染状况；直读式快速测尘仪，虽然有快速、直读，并能及时反映出作业 场所粉尘污染状况的优点，但由于受技术条件的限制，测量结果误差很大，使该类 仪器无法推广应用1 2 1 。 3 ) 检测结果缺乏真实性。煤炭系统各局、矿的粉尘检测队伍分成两部分，一是 以通风部门为主的自测队伍，另一是以卫生系统为主的检测队伍，实际上各矿局都 - 7 - 河北理工大学硕士学位论文 是以自测为主，这些测定人员经常由于生产达标的原因，使得粉尘的测定结果经常 人为性偏低，粉尘检测的覆盖率和合格率不合实际等。 1 2 煤矿粉尘的产生及特性 1 2 1 生产性粉尘的产生及特性 1 生产性粉尘的产生 在生产过程中产生和形成的、能较长时问在空气中悬浮的固体微粒被称为生产 性粉尘。悬浮于空气中的粉尘称为浮尘，已沉落的粉尘称为积尘，我们检测和防治 的重点就是浮尘。从胶体化学的观点来看，含有粉尘的空气是一种气溶胶，悬浮粉 尘散布弥漫在空气中与空气混合，共同组成一个分散体系，分散介质是空气，分散 相是悬浮在空气中的粉尘粒子。煤炭生产过程中伴随煤和岩石破碎而产生的煤矿粉 尘是生产性粉尘的一种。其中，呼吸性粉尘是损害劳动者健康的重要职业性有害因 素，可能引起多种职业性肺部疾病。 煤矿在生产、贮存、运输及巷道掘进等各个环节中都会向空气中排放大量的粉 尘。尤其在风速较大的作业场所，粉尘排放量猛增，据资料统计，有的矿区排向空 气的煤粉尘是煤炭产量的1 6 以上。 采煤工作面是煤矿产尘量最大的作业场所，其产尘量约占矿井产尘量的6 0 0 6 左 右。为了预防矿井瓦斯、煤尘爆炸等恶性事故的发生，改善矿井劳动卫生条件，采 煤工作面是矿尘防治的重点。机采工作面在我国越来越普及，但产尘浓度也随之上 升。采煤机割煤、支架移架、放煤口放煤及破碎机破煤是机采工作面的四大产尘 源，产尘量分别约占6 0 0 , 6 、2 0 0 , 6 、1 0 和1 0 左右1 6 j 。为了搞好采煤工作面的粉尘 防治，有效降低其粉尘浓度，必须针对采煤工作面的尘源采取相应的治理措施，以 达到对粉尘进行综合治理的目的。 综采放顶煤开采技术是2 0 世纪9 0 年代以来在我国大面积推广的比较先进的采 煤方法，但工作面粉尘问题也引起较多关注。综采放项煤工作面的产尘环节主要有 采煤机落煤、放煤、移架、装煤和运煤五大工序。从微观方面分析，煤尘产生可分 为摩擦、抛落和摩擦与抛落相结合等三种方式。 巷道掘进也是井下主要产尘源之一，在无任何防尘措施的情况下，对炮掘工作 面、机掘工作面和巷道锚喷过程中产尘情况如表l 所示。 一8 - 1 文献综述 袭l掘进工作面尘源及产尘量分布 t a b l e 1d i s t r i b u t i o no f s o u r c e a n dq u a n t i t yo f d u s ta tt h ee x c a v a t i o nf a c e 巷道维修的锚喷现场、煤炭装卸点等也都产生高浓度粉尘，尤其是煤炭装卸处 的瞬时粉尘浓度有时高达数g m 3 ，有时甚至达到煤尘爆炸浓度界限。 此外，地面煤的装运、煤堆、矸石山等也都产生高浓度粉尘，使矿区周边空气 环境受到严重的污染，对居民健康和植物都造成十分不利的影响。 煤矿生产过程产生粉尘一般都不伴有化学变化，因此漂浮于空气中粉尘的化学 成分与其来源物料的化学成分基本相同。 2 生产性粉尘的特性 1 ) 按粉尘中游离二氧化硅含量分类 煤矿粉尘按其游离二氧化硅的含量分为矽尘与煤尘根据我国“矽尘作业工人 医疗预防措施实施办法”中规定，作压环境粉尘中游离二氧化硅含量在1 0 以上者 称为矽尘，1 0 以下者称为非矽尘，在煤矿则为混合性煤尘。游离二氧化硅含量小 于5 的粉尘又称为单纯煤尘粉尘中游离二氧化硅的含量越高，引起尘肺病的程度 越重，病情发展越快，危害也越大。 2 ) 粉尘的分散度 分散度指物质被分散的程度，以粉尘粒径大小的数量或质量组成百分比构成比 来表示，前者称粒子分散度，粒径小的颗粒越多，则分散度越高；后者称质量分散 度，质量小的颗粒占总质量百分比越大，质量分散度越高。煤矿作业场所空气中较 小颗粒粉尘含量较多时，其分散度越高，由于质量轻，在空气中悬浮时间较长，不 易降落，被吸入肺的机会就愈多。同时粉尘的分散度愈高，单位体积总表面积越 大，理化活性越高，易于与空气中的氧气发生反应而引起粉尘的自燃或爆炸。粉尘 还可以吸附有毒气体，如一氧化碳、氮氧化物等，分散度愈高，吸附的量愈多，对 人体危害也愈大 3 ) 粉尘的吸湿性 9 一 河北理工大学硕士学位论文 粉尘的吸湿性指粉尘对水的吸附。粉尘的吸湿性与粉尘的成分、结构有关，可 分为亲水性粉尘与疏水性粉尘两大类炭黑、煤粉尘均属于疏水性粉尘。另外，粉 尘越细，比表面积增加，表面吸附能力随之增强，容易吸附空气而在尘粒表面形成 气膜，降低了尘粒间的聚集及尘粒的吸湿性，更难于把尘粒从空气中捕捉分离出 来。在除尘技术中，粉尘的吸湿性是选用除尘设备的主要依据之一。对于湿润性好 的亲水性粉尘，可选用湿式除尘器。为了加强液体( 水) 对粉尘的浸润，往往要加 入某些湿润剂，以减少固、液之间的表面张力，增加粉尘的亲水性，提高除尘效 率。 4 ) 煤尘的爆炸性 按照煤尘的爆炸性煤尘可以分为有爆炸性煤尘和无爆炸性煤尘。我国传统煤矿 中9 0 矿井的煤尘具有爆炸性危险性。高分散度的煤炭粉尘具有爆炸性。煤的炭化 程度越低，挥发分越高，煤尘的爆炸性就越强( 见表2 ) 。发生爆炸有两个条件： 粉尘在空气中有足够的浓度，在爆炸区域要求的浓度范围之内；必须具有高温 ( 明火、火花、放电) 情况出现。一般煤尘爆炸的下限浓度为3 0 m g m 3 - 5 0 m g m 3 ， 上限浓度为1 0 0 0 m g m 3 - 2 0 0 0 m g m 3 ，出于上下浓度之间的粉尘都具有爆炸危险性， 其中爆炸力最强的浓度为3 0 0 m g m 3 5 0 0 m g m 31 7 1 。 裹2不同煤种的挥发性与爆炸性的关系 t a b l e 2c o n n e c t i o na b o u tt h ed i f f e r e n tc o a l s v o l a t i l i t ya n de x p l o s i v ei d e n t i t y 1 2 2 呼吸性粉尘的主要特点 呼吸性粉尘的一般含义是”能被吸入人体肺泡的粉尘”，否则为非呼吸性粉尘。 其严格含义有不同表示方法( 如作业场所呼吸性粉尘等) ，但其基本含义是用符合 b m r c ( b r i t i s hm e d i c a lr e s e a r c hc o u n c i l1 标准采样曲线的采样器在空气中采集到的粉 尘颗粒。对呼吸性煤尘，在评价作业场所粉尘状况时，用符合b m r c 曲线的采样器 在作业场所采集到的游离二氧化硅小于1 0 ，空气动力学直径小于7 0 7 t t m 的粉尘称 为呼吸性煤尘。 1 0 1 文献综述 2 0 0 7 年发布的煤矿安全规程中将呼吸性粉尘定义为”能吸入人体肺泡区的 浮尘”，我国有关文献中，一般将粒径小于5 p m 的粉尘视为呼吸性粉尘呼吸性粉 尘除具备一般粉尘的某些物理、化学性质外，尚有如下特点： 1 沉降速度慢，在空气中悬浮时间长。在静止空气中的粉尘，根据其粒径的大 小按一定规律沉降：通常粒径大于1 0 0 p m 的尘粒呈加速度沉降；l i m l o o 肛m 粒径 的尘粒呈等速度沉降；粒径小于l 恤m 的尘粒很难沉降，在空气中呈布朗运动。 2 扩散系数较大，附着速度较快。尘粒的附着速度与扩散系数成比例。尘粒越 小，其扩散系数越大，即扩散越快，因而向液滴或除尘滤料上附着的尘粒就越多 3 肉眼不可见，属显微粉尘。粒径大于l o p m 的粉尘肉眼才能看见，粒径为 o 2 5 p m l o p m 的粉尘在光学显微镜下才可看见，粒径小于0 2 5 1 u m 的粉尘在电子显 微镜下方能看见。 4 能被吸入人体肺部并能在肺泡区沉积嘲。 被吸入人体呼吸系统的粉尘，可通过粘液纤毛系统和肺泡巨噬细胞被清除。如 果长期吸入高浓度呼吸性粉尘，则在肺泡区可产生一定量的粉尘沉积，随着沉积时 间的增长，沉积量的增加，可使肺部发生病理改变，出现不同程度的弥漫性问质纤 维化，进而造成尘肺病。 1 3 煤矿粉尘的危害 煤矿粉尘具有的这些特性决定了以下危害；严重危害工人身体健康，多数人易 引起尘肺病等；易引起燃烧和爆炸；高浓度粉尘能加速机械磨损，缩短精密仪器的 使用寿命。 i 3 1 主要健康危害 煤尘与其他粉尘样主要通过呼吸道进入人体，其次是皮肤接触，部分粉尘溶 于口腔唾液或粘附在食物上也能吞入消化道，后两者侵入人体的量较小人体对粉 尘的进入具有防御功能，呼吸道和肺部均有排除和清除粉尘的能力。只是长期大量 吸入煤矿粉尘会破坏人体防御功能，使清除功能受损，而过量的煤矿粉尘沉积，导 致人体损伤，形成各种疾病。 1 呼吸系统疾病 煤矿粉尘会直接或间接引起呼吸系统疾病主要包括以下几类： 1 ) 尘肺 河北理工大学硕士学位论文 煤工尘肺是指煤矿各工种工人长期吸入作业场所生产性粉尘所引起的尘肺的总 称。粉尘病变严重程度与体内潴留的粉尘数量有关，即存在接触反应关系，还同粉 尘的组成成分有关。在煤矿丌采过程中，由于工种不同，工人接触粉尘的性质也有 差异，从而引起肺部弥漫性纤维化。尘肺病根据煤矿工人接触粉尘的性质可以认为 有3 种主要类型： ( 1 ) 煤肺。长期在单纯有煤尘的环境下作业的工人，他们接触的粉尘主要是煤 尘。这类人员发生的尘肺在病理上有典型的煤尘纤维灶和灶周肺气肿，这类肺部病 变称为煤肺。煤肺发病工龄多在2 0 a , - - 3 0 a 以上，病情进展缓慢，危害较轻。 ( 2 ) 矽肺。长期在煤矿岩石掘进工作面作业的工人，他们接触的粉尘主要是含游 离s i 0 2 较高的岩尘。这类人员发生的尘肺在病理上除有组织纤维化外，还有典型的 矽结节形成，属矽肺类型。病理上有典型的矽结节改变，发病工龄短，一般为 l o - q 5 a 。矽肺的发病率较高，病情发展较快，危害严重。 01234567891 0 鞋径p - ) 图2 不同粒径在各部位的沉积率 f i g 2s e d i m e n tr a t i oa b o u tt h eg r a i nw i t hd i f f e r e n td i a m e t e ri na l lp o s i t i o n ( 3 ) 煤矽肺。一般煤矿井下工人多数都在有煤尘产生和有岩尘产生的两种作业环 境下工作过，他们接触的粉尘既有煤尘也有岩尘。所患的尘肺兼有煤肺和矽肺的病 理改变特征，这类尘肺称煤矽肺【l o 】。煤矽肺是我国煤工尘肺最常见的类型，发病工 龄多在5 a 2 0 a 左右，病情发展较快，危害严重。 现在的观点认为，无论从肺组织纤维化病变进展规律、流行病学和临床表现特 点、病情发展及诊断原则等方面，都没有必要将煤矽肺与煤肺严加区别，故统称为 1 2 1 文献综述 煤工尘肺。煤工尘肺是煤矿最严重的职业病。与矽尘相比，煤尘致纤维化作用较 弱，但由于煤是我国主要能源，采煤工人的数量居全国各类粉尘作业工人之首，因 此实践中煤工尘肺的防治意义和重要性最为突出。 不同类型煤矿的煤工尘肺发病情况因开采方式不同有很大差异。露天煤矿工人 的尘肺患病率低，井工开采工作面的粉尘浓度和粉尘分散度均高于露天煤矿，尘肺 患病率和发病率均较高。我国地域广大，地层结构复杂，各地煤工尘肺患病率有很 大差异，在o 9 2 0 一2 4 1 之间，其中矽肺占1 1 4 ，煤矽肺占8 7 6 ，煤肺占 1 o 。不同煤种的致病能力也不同，由强到弱依次为：无烟煤、烟煤、褐煤。 尘肺病是由于长期吸入过量粉尘所引起的全身性疾病尘肺病发病工龄有的长 达2 0 a 3 0 a ，个别病例在游离二氧化硅含量高的作业区作业也有l a - 2 a 发病者，即所 谓”快发性矽肺”尘肺病的发病工龄、临床症状等设计因素很多且十分复杂，大体 可归纳为以下几个方面：粉尘的成份；粉尘的分散度；粉尘浓度；接触时间；按流 行病学观点，许多因素可分别归诸于宿主、因子、环境等治病要素。尘肺病是难以 治愈的职业病，工人一旦得病，轻则慢性致残，重则死亡。因此，尘肺病不仅造成 劳动力下降，而且造成社会负担，其经济损失是巨大的。 2 ) 慢性阻塞性肺病( c o p d ) 国内外许多研究已证实，长期吸入煤尘不但引起尘肺，还会引起慢性阻塞性肺 疾病，包括慢性支气管炎、支气管哮喘及肺气肿而且在临床上，慢性阻塞性肺病 可以独立存在而不伴有明显尘肺，其发病机理尚未明了，可能与吸烟、呼吸道感染 及遗传因素等均有关系 3 ) 上呼吸道炎症 粉尘首先侵入上呼吸道黏膜，早期引起其功能亢进，黏膜下血管扩张、充血， 黏液腺分泌增加，以阻留更多粉尘，长久则酿成肥大性病变，然后由于黏膜上皮细 胞营养不良，终将造成萎缩性病变，呼吸道抵抗力下降，容易继发病毒及细菌等感 染性疾病。 4 ) 肺癌 有研究表明，一些有煤矿开采的地区，人群中肺癌的发病有升高趋势，可能与 吸入煤矿生产性粉尘有关。但据英国2 4 个煤矿统计，接触煤矿粉尘工人与不接触粉 尘人群中的肺癌发病率无明显差别。煤矿病人肺癌的发病机制有待进一步探讨1 7 1 。 2 局部作用 1 3 河北理工大学硕十学位论文 粉尘沉着于皮肤可能堵塞皮脂腺，容易继发感染而引起接触性皮炎、毛囊炎， 疖肿等；进入眼内的粉尘颗粒，可引起结膜炎等。 3 过敏和中毒作用 煤矿粉尘还可能引起过敏反应和机体的中毒作用，这与粉尘混合的其他元素或 者化合物有关。 1 3 2 煤尘爆炸 l 、煤尘爆炸机理 煤尘爆炸是空气中氧气与煤尘急剧氧化的反应过程。煤是复杂的固体化合物， 被破碎成煤尘后，其吸氧和被氧化的能力大大增强，在外界高温热源的作用下，悬 浮的煤尘单位时间内能吸收更多的热量，大约3 0 0 0 - 4 0 0 时，就可放出可燃气 体。这些气体集聚于尘粒周围，形成气体外壳，当这个外壳内的气体达到一定浓度 并吸收一定能量后，连反应过程丌始，游离基迅速增加，燃烧循环地进行下去：由 于燃烧产物的迅速膨胀而在火焰波波阵面前方形成压缩波，压缩波在不断压缩的介 质中传播时，后波可以赶上前波；这些单波叠加的结果，使火焰面前方气体的压缩 逐渐增高，因而引起了火焰传播的自动加速：当火焰速度达到每秒数百米以后，煤 尘的燃烧便在一定临界条件下跳跃式地转变为爆炸 ，从燃烧转变为爆炸的必要条件是由于化学反应产生的热能必须超过热传导和辐 射所造成的热损失；否则，燃烧剂不能持续发展，也不会转为爆炸。 2 、煤尘爆炸的危害性及特征 煤尘爆炸的危害性表现为对人员的伤害和设备的破坏两个方面。其特征概括为 如下五个方面； 1 ) 产生高温高压 当煤尘开始被点燃时，产生的火焰和压力波两者的产播速度几乎相同。随着时 间的延长，压力波的传播速度加快。这是煤尘得以自动传播的条件之。煤尘爆炸 的理论压力为7 3 6 k p a ，但是在有大量沉积煤尘的巷道中，爆炸压力将随着离开爆源 的距离的增加而跳跃式地增大。只要巷道中有煤尘，这种爆炸就会不停地向前发 展，一直传播到没有煤尘的地点为止。如在爆炸波传播传播的巷道内有障碍物、断 面突然变化处或拐弯等，爆炸压力还将上升。 2 ) 连续爆炸 1 4 l 文献综述 由于煤尘爆炸的压力波传播速度很快，能将巷道中的落尘扬起，使巷道中的煤 尘浓度迅速达到爆炸范围，因而当落后于压力波的火焰到达时，就能再次发生煤尘 爆炸有时可如此反复多次，形成连续爆炸。 连续爆炸是煤尘爆炸的一个重要特征。因为再次爆炸是在前一次爆炸的基础上 发生的，爆炸前的初压往往大于大气压，所以在很多情况下，在一定距离范围内， 离爆炸源越远破坏力越大。 3 ) 煤尘爆炸的感应期 煤尘爆炸也有一个感应期，即煤尘受热分解产生足够数量的可燃气体形成爆炸 艘需时间。根据试验，煤尘爆炸的感应期主要取决于煤的挥发分含量，一般为 4 0 m s , 2 8 0 m s ，挥发分越高，感应期越短。 4 ) 挥发分减少或形成”粘焦” 煤尘爆炸时参与反应的挥发分约占煤尘挥发分含量的4 0 - , 7 0 ，致使煤尘挥发 分减少。根据这特征，可以判断煤尘是否参与了井下的爆炸。气煤、肥煤、焦煤等 粘结性煤尘，一旦发生爆炸，一部分煤尘会被焦化，粘结在一起，沉集于支架和巷 道壁上，形成煤尘爆炸所特有的产物一焦炭皮渣或粘块，统称”粘焦”。”粘焦”也 是判断井下发生爆炸事故时是否有煤尘参与的重要标志，同时还是寻找爆源及判断 煤尘爆炸强弱程度的依据粘焦的形状与爆炸特性密切相关 ( 1 ) 弱爆炸时，火焰与爆风以慢速传播，粘焦粘附在支柱两侧，而迎风侧( 迎爆 源方向) 较密，且多呈椭圆形。 仞中等强度爆炸时，传播速度较快，粘焦主要附着在支柱的背风侧，而在迎风 侧有燃烧的痕迹。 ( 3 ) 强爆炸时，传播速度极快，粘焦粘附在支柱的背风侧，而在迎风侧有燃烧的 和痕迹 “) 距爆源较远处，由于煤尘颗粒飞扬较远和燃烧时间较长，可形成焦化作用较 完全的焦炭颗粒，大量附着在巷道支柱的迎风侧和周壁上，或堆积在背风侧的支柱 下边，在头灯光照下有闪光亮点。 5 ) 产生大量的一氧化碳 煤尘爆炸时产生的一