煤矿井下锚杆支护粉尘防治现状和发展方向

张维果 ZHANG Wei-guo

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原 030006）

摘要： 介绍了煤矿粉尘的危害和煤矿粉尘的性质，分析了锚杆支护粉尘防治现状和锚杆钻车干式除尘，评述了锚杆支护粉尘防治发展方向。

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关键词 ： 煤矿粉尘；锚杆支护；干式钻孔

中图分类号：TD714 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）03-0044-03

作者简介：张维果（1980-），女，山西运城人，硕士，助理研究员，现在中国煤炭科工集团太原研究院有限公司短壁研发中心从事煤矿机械产品的设计与开发工作。

0 引言

随着国家对节能减排、安全生产及改善井下环境的重视，设计高效除尘系统已成为当务之急。除尘器工作的好坏直接影响最终排出气体的粉尘浓度，粉尘浓度大小不仅影响矿井的安全生产也危害作业人员的身体健康。

我国是产煤大国，2012年产量约36.5亿吨，约占世界产量的一半。同时，我国对煤炭能源的需求进一步增大，煤矿在提高工作面单产的同时不断增加工作面的数量，采掘工作面的增加，煤矿在采、掘、支护、运输等各环节都会向井下空气中排放大量的粉尘，导致粉尘污染问题日趋严重。

1 煤矿粉尘的危害[1-3]

煤矿粉尘是影响煤矿高产高效安全生产的主要因素之一，煤矿粉尘危害主要表现在以下几个方面：一是对人体健康的危害，即工人长期吸入矿尘后，会患尘肺病。据卫生部2009年数据显示，新中国成立以来至2009年底，累计报告职业病722730例，2009年新增职业病18128例，其中尘肺病14495例，死亡748例，新增病例中煤工尘肺和矽肺占91.89%。二是煤尘的自燃性和爆炸性，煤尘能够在完全没有瓦斯存在的情况下爆炸；对于瓦斯矿井，则有可能发生瓦斯煤尘同时爆炸。无论是何种爆炸，都将给矿井酿成严重的灾难。

除此之外，煤矿粉尘能加速设备的磨损，使产品质量下降；能缩短精密仪器的使用寿命；能降低工作场所的能见度，使工伤事故增多；粉尘不仅污染了环境，对原料本身也是一种损耗，据资料统计，有些煤矿向井下空气中排放的煤粉尘达到煤炭产量的1.6%。

2 煤矿粉尘的性质[1][4]

为了搞好粉尘防治，减少尘肺病，就需要对煤矿产生的粉尘性质进行研究。一般来说，粉尘是能够较长时间呈浮游状态存在于空气中的一切固体微小颗粒。从气溶胶科学观点来看，含尘空气是一种分散体系，分散相是固体微小颗粒，分散媒是空气。而气溶胶粒子就是悬浮于气体中的固体颗粒物，即粉尘。煤矿粉尘（简称粉尘）系煤尘、岩尘和其它有毒有害粉尘的总称[5]。下面介绍几种主要的粉尘性质：粉尘粒度、分散度、粉尘浓度、安息角等。

2.1 粉尘粒度[6] 粉尘从卫生学角度可分为呼吸性粉尘和总粉尘，总粉尘通常指粒径在100μm以下的粉尘粒子，呼吸性粉尘是指采集的粉尘空气动力学直径均在7.07μm以下，而且空气动力学直径5μm粉尘的采集效率为50%。粒径是粉尘大小的度量，因粉尘颗粒一般是不规则的，用空气动力学直径来度量。但粉尘的空气动力学直径不能直接测出，需先采用粉尘粒度分析仪测定粉尘的斯托克斯直径，然后据公式计算出空气动力学直径。

2.2 粉尘分散度及粒度分布 粉尘分散度对除尘工作具有重要意义，是除尘系统设计、管路布置、管径计算及除尘设备的选用的主要依据之一。分散度表征岩石粉碎的程度，粉尘分散度是指各种不同粒径的粉尘在整个粉尘中所占的百分数。分散度高，表示粉尘总量中微细粉尘粒径多，占比例大；分散度低，表示粉尘总量中粗粉尘粒径多，占比例大。

2.3 粉尘浓度 粉尘浓度大小不仅影响矿井的安全生产也危及作业人员的身体健康。粉尘浓度是指单位体积空气中的粉尘的含量。粉尘浓度又包括总粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度两种。目前，国内外因测尘仪器和测尘方法不同，粉尘浓度的表示方法也不同，按其原理大致可分为两类：取样法和非取样法。为保障操作人员的安全和健康，我国能源部于2010年修订和颁布了《煤矿安全规程》，对粉尘浓度作了专门规定。第739条规定“作业场所空气中粉尘（总粉尘、呼吸性粉尘）浓度符合表1要求[5]。”

2.4 粉尘的安息角 粉尘的安息角是评价粉尘流动特性的一个重要指标。粉尘通过小孔连续地下落到水平面上时，堆积成的锥体母线与水平面的夹角称为安息角。影响粉尘安息角的因素有粉尘粒径、含水率、粒子形状、粒子表面光滑程度、粉尘黏性等。安息角小的粉尘，其流动性好；相反，安息角大的粉尘，其流动性差。煤矿粉尘安息角平均值约35°～40°。设计除尘装置时，应使管道、导向板、倒灰板、储灰斗等倾斜角大于粉尘的安息角，防淤积堵塞。

3 锚杆支护粉尘防治现状

锚杆支护是一种快速、安全、经济的巷道支护方式，是煤矿巷道支护技术的发展方向。锚杆钻机作为煤矿巷道支护主要设备，在国内外得到普遍使用。锚杆钻机在钻孔作业时产生的粉尘需要及时清理，否则钻杆无法继续推进。

3.1 锚杆支护粉尘情况[7] 钻孔时，粉尘浓度一般在200~700mg/m3，且细粒粉尘比例较大，呼吸性粉尘所占比例大约为60%，平均含SiO2量达到57%，对作业人员的危害极大。据研究资料表明，若在工作面同时钻8～10个深为1.8m的钻孔，则产生悬浮于空气中的有害呼吸性粉尘超过1000mg/m3。

3.2 锚杆支护粉尘防治方法 目前，钻孔主要采用湿式和干式钻孔两种方式。

3.2.1 湿式钻孔 湿式钻孔时需向空心钻杆内注入高压水，将泥水混合物从钻杆和煤层之间挤出，湿式钻孔不会造成巷道内粉尘飞扬，粉尘污染较小。但湿式钻孔容易发生水管堵塞，遇到煤层夹矸、软硬煤结合时，夹矸、软煤遇水后膨胀、松软、塌陷，造成卡钻、断钻杆，且成孔后堵孔、塌孔现象严重。另外，湿式钻孔还会造成水资源浪费、造成巷道底板积水，软化底板，影响工作面的作业环境等。

3.2.2 干式钻孔 干式钻孔时需向钻杆中心孔注入高压风，使钻孔内产生的煤（岩）粉通过高压风吹出钻孔，防止煤（岩）粉堵塞钻孔，克服了湿式钻孔排尘的缺陷，但钻孔内吹出的煤（岩）粉会造成巷道内粉尘飞扬，污染严重。

为解决钻孔粉尘污染问题，经不断探索，现锚杆钻车采用机载干式除尘系统，靠风机负压产生的力，使含粉尘气体沿胶管进入三级除尘箱进行净化处理，并把粉尘收集起来。干式除尘技术应用到锚杆钻车除尘系统中，使工人操作空间的空气得到净化，是锚杆钻车最有效的除尘方法。

3.3 锚杆钻车干式除尘 锚杆钻车采用空心钻杆后串联布置多级干式除尘器，除尘器后布置风机负压抽风的机载干式除尘系统。除尘系统采用多种除尘机理综合使用，对呼吸性粉尘有较高除尘效率，且满足结构紧凑、体积小、重量轻，移动和维修方便的新型除尘设备。

机载干式除尘系统的主要工作原理（如图1所示）：①钻箱马达带动钻箱钻眼时，钻头高速旋转产生的大量粉尘在风机负压作用下，通过空芯钻杆和钻箱空心轴进入第一级除尘器。②含尘空气沿着切线方向进入，由于气旋作用，大量粗粉尘边旋转边下降到外筒底部，通过油缸开启腔体底盖排入机外；细粉尘通过内筒螺旋叶片向上排入第二级除尘器。③当含尘气流进入，由于断面积突然扩大，使流速下降，在层流或接近层流的状态下运动，经一定时间后，尘粒在重力的作用下尘粒沉落到底部被分离，净化后的气体进入第三级除尘器。④含尘气流从滤芯周边进入，经滤纸过滤，细粉尘被过滤，净化后气体从滤芯中心被吸入风机，净化后气体最终排入巷道空气中。

3.4 锚杆支护粉尘监测[6] 为了有效防治锚杆支护粉尘对人体的危害，对支护工作面粉尘的监测是不可或缺的，也是科学防治粉尘的前提。国内粉尘监测技术与国外发达国家存在不小差距，主要表现在以下几方面：①监测方法。我国对粉尘的监测还停留在以短时间断性测尘为主的阶段，测出的粉尘浓度不能准确反映煤矿井下的粉尘污染状况。②监测仪器。国内虽已研制出呼吸性粉尘采样器，但因没制订相应的法规和标准，而没有普遍推广应用。③管理标准。我国煤炭系统虽已制定出一个总粉尘和呼吸性粉尘制度的管理标准，但不是卫生浓度标准，标准落后造成粉尘防治的混乱。

4 锚杆支护粉尘防治发展方向[7]

防尘技术就是以各种技术手段减少粉尘的产生及其危害的措施。井下现用的防尘技术有多种，主要的有：减尘、降尘、排尘、除尘、隔尘等。而对锚杆支护粉尘防治，比较有效的方法主要是除尘器除尘。

除尘器是控制和治理粉尘的主要设备，也是除尘系统中的核心设备，是从含尘气流中将粉尘分离出来并加以捕集的装置。根据除尘机理可分为重力、旋风、过滤除尘、湿式除尘、电除尘等。现阶段主要采用旋风、重力和过滤除尘器，针对降低总粉尘浓度有明显的效果；而今后随着井下环境要求的不断提高和相关政策的出台，除对总粉尘浓度要求之外，将会对降低呼吸性粉尘浓度提出更高的要求。

锚杆支护粉尘防治技术的发展，应从治理总粉尘为主向治理呼吸性粉尘过渡，对于煤矿主要产尘点可采用综合除尘技术进行除尘，多种除尘方法可配合使用。因此，除尘器应由单一机理除尘向多种除尘机理综合使用，从而提高除尘效率，并对呼吸性粉尘有较高的除尘效率。锚杆支护除尘技术中除采用旋风、重力、过滤除尘之外，还需采用对呼吸性粉尘除尘效率较高的布袋过滤和湿式水箱过滤等方法。另外，对工人操作空间还可采用气幕隔尘技术和佩戴防护面具，将粉尘隔离，免于污染。

同时，锚杆支护粉尘监测技术发展，应从短时间采样测尘与长时间连续监测并重，并逐步向连续监测发展；总粉尘浓度监测逐步向呼吸性粉尘监测发展，能准确把握工人在一个工作班之内所接触的平均粉尘浓度。

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参考文献：

[1]赵益芳.矿井防尘理论及技术[M].煤炭工业出版社,1995.

[2]中国疾病控制中心.卫生部通报2009年职业病防治工作情况[OL].http://www.chinacdc.cn/mtdx/wdwsdxgbd/201004/t20100429_

39963.htm.

[3]郑继烈.矿山监测呼吸性粉尘浓度的可行性[J].工业安全与防尘,1994,7:24-25.

[4]穆智宏.煤矿防尘与粉尘检测[M].黄河出版社,1992.

[5]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程（2010版）.2010.

[6]闫跃进.呼吸性粉尘监测技术与防治方法[M].中国地质大学出版社,1998.

[7]李德文,郭胜均.中国煤矿粉尘防治的现状及发展方向[J].2009(11):747-752.