3矿尘防治.doc

3 矿尘防治 ●煤尘爆炸是煤矿五大灾害之一 ●由煤尘引起的尘肺病危害着职工的健康，每年因尘肺死亡人数3000人左右。 3.1 矿尘及其分类 （1）矿尘的含义 ●矿尘是指在矿山建设和生产过程中生成的直径不大于1mm的矿物微粒的总称。 ●矿尘的大小叫粒度（D）单位为μmμm。 ●1mm＝1000μm（1μm相当于1/70～1/80头发丝粗）。 （2）矿尘的分类 按矿尘的组成可分为岩尘、煤尘和水泥粉尘。 1）煤尘 ●煤尘的一般含义为“细微颗粒的煤炭粉尘”。 （但随着应用场合不同而又有不同的严格定义，这一点只得注意。在评价作业场所空气中呼吸性粉尘状况时，将二氧化碳含量低于10％的粉尘定义为煤尘，而在评价作业人员接触呼吸性粉尘状况时，将游离二氧化硅含量小于5％的粉尘定义为煤尘。） 2）岩尘 ●岩尘一般是指细微颗粒的岩石粉尘。 ●在评价作业场所空气中呼吸性岩尘状况时，也使用“矽尘”一词表示岩尘。这两个名词的含义应该是相同的。岩尘（矽尘）中游离的二氧化硅含量一般大于10。 3）水泥粉尘 ●煤矿井上下有些场所生产、应用水泥或水泥制品时产生水泥粉尘。 ●例如，煤矿井下的典型场所为锚喷作业点，大量使用水泥，产生水泥粉尘。 （3）粉尘的分散性和浓度 ①粉尘的分散度 粉尘分散度是指粉尘集合体中，各种粒径或粒径区间的尘粒所占的百分比。它有两种表示方法数量分散度和质量分散度。 1）数量分散度 数量分散度是指各粒径区间尘粒的颗数占总颗粒数的百分比，用Pni表示，计算公式为 式中 Pni第i个粒径区间尘粒的分散度； ni第i个粒径区间的颗粒数，个； 总颗粒数，个。 2）质量分散度 质量分散度是指各粒径间尘粒的质量占总质量的百分比，用用Pmi表示，计算公式为 式中 Pmi第i个粒径区间尘粒的质量分散度； mi第i个粒径区间尘粒数的质量，mg； 尘粒的总质量数，mg。 ●必须指出，同一粉尘组成，若用不同方法表示分散度，则在数值上相差很大。矿山常采用数量分散度。 ●从卫生角度讲看，粉尘一般划分为4个粒径区间 小于2 μm、 2～5 μm、 5～10 μm、 大于10 μm。 ●矿山在实施湿式作业情况下，粉尘分散度大致为 小于2 μm占46.5～60； 2～5 μm占25.5～35； 5～10 μm占4～11； 大于10 μm2.5～7。 通常5 μm以下尘粒占90以上， 说明这类粉尘难以沉降和捕获，危害较大。 ②粉尘浓度 粉尘浓度是指单位体积矿井空气中所含浮尘的数量，起表示方法有两种质量法和数量法。 1）质量法 是指在1 m3空气中所含浮尘的mg数，mg/m3; 2）数量法 是指1 cm3空气中所含浮尘的颗粒数，颗/cm3。 3.2 粉尘的基本性质 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。 （1）粉尘的比表面积和表面能 ●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。 ●物料被粉碎为细微的粉尘，其总表面积显著增加。 （2）粉尘的凝聚与附着 ●一般把粉尘间互相结合形成的一个新的大尘粒的现象称作凝聚； ●尘粒和其它物体结合的现象称为附着。 ●细微粉尘增大了表面能，即增加了粉尘的结合力。 （3）粉尘的湿润性 ●不同性质的粉尘对同一性质的液体的亲和程度是不一样的，这种不同的亲和程度称为粉尘的湿润性。 ●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。对于浸润性好的亲水性粉尘（中等亲水、强亲水），可选用湿式除尘器。 （4）粉尘的光学特性 ●粉尘的光学特性包括粉尘对光的反射、吸收和透光程度等。 ●可以利用粉尘光学特性来测定粉尘的浓度和分散度。 （5） 自燃和爆炸性 ●粉尘的自燃是由于粉尘的氧化而产生的热量不能及时散发，而使氧化反应自动加速造成的。 （6）粉尘的电性质 1）荷电性 ●自然界的粉尘通常都带有电荷。 ●认识粉尘的电性质一方面可以利用其特性研制电除尘设备 ●带电尘粒吸入肺组织，较容易沉积在支气管、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。 3.3 矿尘的存在状态 （1）浮游矿尘（浮尘） 浮尘指悬浮飞扬的煤矿井下的矿尘，其粒度（D）小于1μm。 （2）沉积矿尘（落尘） 落尘指矿井空气中沉降在巷道四周和巷道中各种堆积物上的矿尘，其粒度（D）大于10μm。 （3）浮尘和落尘的关系 ●浮尘和落尘的存在状态不是绝对不变的，浮尘因受自重的作用可以逐渐沉降下来变成落尘，而落尘受到外界条件的干扰，又可再次飞扬变成浮尘。 ●浮尘在空气中的飞扬时间，取决于粒度、比重、形状。同时，还受空气的温度、湿度，尤其是风速的影响。 3.4矿尘的生成 煤矿在开拓、掘进、采煤、运输及提升各生产环节中，随着岩体和煤体的破坏、碎裂，便产生大量的矿尘。 （1）采煤工作面产尘源 ●采煤工作面的主要产尘工序有采煤机落煤、装煤、液压支架的移架、运输转载、运输机运煤、人工攉煤、放炮及放煤口放煤等。 ●采煤工作面的各种产尘工序的产尘机理一般可分为摩擦和抛落两种机制，前者产生的大颗粒粉尘较多，后者产生的呼吸性粉尘较多。 （2）掘进工作面产尘源 ●掘进工作面的产尘工序主要有机械破岩（煤）、装岩、放炮、煤矸运输转载及锚喷等。 ●一般而言，掘进工作面各工序产生的粉尘含游离二氧化硅成分较多，对人体危害大，操作人员很有必要进行个体防护作为其他粉尘控制措施的补充。 （3）其它粉尘源 ●巷道维修的锚喷现场、煤炭装卸点等都会产生高浓度的粉尘，尤其是煤炭装卸处的瞬时粉尘浓度高达数g/m3，有时甚至达到煤尘爆炸浓度界限。 ●此外，地面煤炭运输、煤堆、矸石山等由于风力作用也产生大量的粉尘，使矿区周边空气环境受到严重的污染。 3.5 影响矿尘产生的因素 1矿井地质构造复杂，断层、褶皱比较多，岩层和煤层遭到破坏的地区，开拓、开采时，矿尘的产生量最大。 2煤层的倾角越大，厚度越大，采掘过程中煤尘的发生量越大。 3煤质脆、节理发育、结构疏松、水分少的煤层，开采时，煤尘的产生量大。 1自然条件 2 采掘条件 1采掘机械化程度高，采掘强度大时，矿尘的发生量大。 2采煤的方法不同，生成煤尘的量不一样。 3通风的状态不同，空气中的矿尘量不同。 3.6 煤矿粉尘防治技术 我国煤矿目前主要采用以风、水为主的综合防尘技术措施。 ●一方面用水将粉尘湿润捕捉； ●另一方面借助风流将粉尘排除井外。 （1）减尘措施 ●在矿井生产中，采取各种技术措施，减少采掘作业时的粉尘发生量，是减尘措施中的主要环节，是矿井尘害防治工作中最为积极、有效的技术措施。 减尘措施主要包括 ●改进采掘机械结构及其运行参数减尘 ●湿式凿岩 ●水封爆破 ●添加水炮泥爆破 ●封闭尘源 ●捕尘罩 ●预湿煤体减尘措施（如煤层注水等）。 （2）降尘措施 ●尽管采取了减尘措施，采、掘、运等诸环节仍然会产生大量的粉尘，这是就要采取各种降尘方法进行处理。降尘措施是矿井综合防尘工作的重要环节。 ●现行的降尘措施主要有 ●产尘点的喷雾洒水，即采煤机上内外喷雾、放炮喷雾、支架喷雾、装岩洒水、巷道净化水幕等。 （3）通风除尘 ●通过上述两类措施所不能消除的粉尘要用矿井通风的方法排除井外。 ●矿井通风是除尘措施中最根本的措施之一。 通风除尘方法分为全矿井通风排尘和局部通风除尘两种。 （4）个体防护 ●在井下粉尘浓度较高的环境下作业的人员需配备个体防护的防尘用具。 防尘面罩、防尘帽、防尘呼吸器等。 ●个体防护虽然是防尘工作中不容忽视的一个重要方面，但它是一项被动的防尘措施。 3.7 煤尘爆炸原因及条件 ●凡是遇到火源能发生燃烧和爆炸的固体粉尘都称为可燃粉尘。●煤尘是一种可燃粉尘，它遇到火源能燃烧和爆炸。 （1）煤尘爆炸的原因 煤尘爆炸是煤尘被剧烈的氧化的结果。大家知道固体之间的化学反应是在固体物质的表面上进行的，因此悬浮煤尘之所以能爆炸其原因虽然国内外学者尚未取得一致的看法，但基本可以归纳如下两大方面 1 煤尘的氧化面积增大 ●粉尘状态下的煤，表面积大大增加，例如1cm3的煤块，破碎成1μm的煤尘时，其表面积将增大1万倍。 ●煤尘的氧化能力显著增强、吸附氧分子的数量增加，从而加快了煤尘的氧化速度和热化过程。 2 可燃气的作用 ●可燃的物质在受热后会放出大量的可燃气体，可燃气体在爆炸界限内遇火是要爆炸的。 ●煤尘是可燃粉尘，它在较低温度下（300～400℃）就能放出大量的可燃气体（挥发分）。 ●据实验1kg焦煤（挥发分为20％～26％）在高温下能放出290～350L可燃气体。 鉴于上述原因，决定了煤尘具有爆炸的可能性。 第一步是悬浮的煤尘在热源的作用下被干馏而形成可燃气体； 第二步是可燃气体与空气混合而形成燃烧； 第三步是煤尘燃烧放出热量； 第四步这种热量以分子热传导和火焰辐射的方式传给附近悬浮着的煤尘，这些煤尘受热气化后使燃烧循环持续进行下去； 第五步随着每个循环的逐次进行，其反应速度也越来越快，通过剧烈的燃烧，最后形成爆炸。 （2）煤尘爆炸发展过程分析 煤尘爆炸的过程，可视为由以下五步发展形成的 （3）煤尘爆炸的效应 煤尘的燃烧及爆炸实际上是煤尘的可燃气体的燃烧及爆炸，所以煤尘的爆炸具有与瓦斯爆炸相类似的特点。 ●煤尘的爆炸是其激烈氧化的结果 ●在爆炸时要释放大量的热量，这个热量可以使爆源周围气体的温度上升到2300～2500℃。 ●这种高温是造成煤尘爆炸连续发生的重要条件。 爆炸后要产生高温气体、高压气体和冲击波及生成大量有害气体、皮渣、粘块等。 1 爆炸温度 2 爆炸压力 ●煤尘的爆炸使爆源周围气体的温度急剧上升，必然使气体的压力突然增大。 ●爆炸压力随离开爆源的距离的延长而跳跃式的不断增大，爆炸在扩展过程中如果有障碍物或巷道的断面突然变化及巷道拐弯等，则爆炸压力将增加得更大。 3 爆炸速度 ●在爆炸生产高温高压得同时，爆炸火焰和冲击波以极快得速度向外传播。 ●爆炸火焰传播速度每秒可达到1000 m/s。 4 冲击波 ●煤尘爆炸同样形成冲击波，其传播速度比爆炸火焰传播得还要快，有的可达2400m/s。它对矿井得破坏极大。 5 爆炸生成有毒气体 煤尘爆炸后生成大量的一氧化碳气体，其浓度可达2％～3％，有时甚至高达8％左右，这是造成矿工大量中毒伤亡的主要原因。 6 爆炸生成皮渣和粘块 煤尘爆炸含有不可燃气体，煤尘爆炸又缺乏氧气，因此，煤尘的燃烧是不完全的，一部分煤尘燃烧了，另一部分煤尘被局部焦化，并附在巷道、支架上，在巷道的周围及煤壁上形成一种烧焦的皮渣和粘块。 4 煤尘爆炸的必要条件 煤尘爆炸必须满足以下三个条件 ●煤尘本身具有爆炸性； ●煤尘必须悬浮在空气中，并达到一定的浓度；（45-2000 g/m3） ●有一个引爆煤尘的热源（610-1050℃）。 以上三个条件缺其中任何一个条件都不可能形成煤尘爆炸。 ●只有当煤尘悬浮在空气中,它的全部表面才能与空气中的氧接触,并在氧化、热化的过程中放出大量的可燃气为爆炸创造条件。 我国对煤尘爆炸的实验结果 煤尘爆炸下限浓度 煤尘爆炸强的浓度 煤尘爆炸上限浓度 45g/m3 300-400 g/m3 1500-2000 g/m3 ● 在井下各生产环节，不可能产生大于45g/m3的煤尘浓度。 ●当巷道周围等处的沉积煤尘受振动和冲击时，它们会重新飞起来，此时就足以达到煤尘爆炸浓度。 ●悬浮煤尘是产生煤尘爆炸的直接，而沉积煤尘是造成煤尘爆炸的最大隐患。 ● 煤尘爆炸引燃温度的变化范围比较大，它是随煤尘的性质及实验条件的不同而变化的。 ●经实验得知我国煤尘的引然温度在610-1050℃之间，一般为700-800℃。 ＠●放炮时出现的火焰 ●电气设备的火花、电缆及架线式机车上的电弧； ●斜井提升所产生的摩擦热； ●矿灯的故障或使用不当； ●瓦斯燃烧及爆炸和井下火灾或明火等都能引起煤尘爆炸。 ●在矿井下能够引起煤尘燃烧的高温热源有 （5）影响煤尘爆炸的主要因素 ●影响煤尘爆炸的因素很多， 煤的成分、煤的性质、煤的粒度以及外界条件等等。 ●这些因素中，有的是增加粉尘爆炸性的，有的是抑制和减弱其爆炸危险性的。 1煤的成分 煤的组成除固定碳以外还有挥发分、水分、灰分等。 这些对煤尘的爆炸性起不同作用。 ①挥发分 ●理论和实践都已经证明，煤尘的挥发分越高，煤尘的爆炸危险性越强。 ●我国煤田的煤质按照挥发分的含量依次增高的顺序是 无烟煤、贫煤、焦煤、肥煤、气煤、长烟煤、褐煤。 ●一般来说，煤尘的爆炸性也是按照这个顺序增加的。无烟煤的挥发分含量低，它的煤尘基本上不爆炸。 ②灰分 ●煤尘中的灰分是不可燃物质，它使煤尘的比重增加。 灰分能吸收大量的热量起到降温的作用和阻止煤尘飞扬是其迅速沉降的作用以及阻挡爆炸煤尘的传播其到隔爆的作用。 ●有煤尘爆炸危险的矿井，所采用的撒布岩粉和设置岩粉棚子等防爆措施，就是利用灰粉能减弱煤尘的爆炸性的原理来预防煤尘爆炸的。 ●据实验得知，当煤尘中的灰分含量小于10时，它对煤尘的爆炸性没有什么影响；当灰分的含量达30-40时，煤尘的爆炸性急剧下降；当灰分的含量达到60-70时，煤尘失去其爆炸性。 ③水分 煤尘中的水分有吸热降温阻止燃烧的作用，阻止煤尘飞扬使其迅速沉降的作用以及阻挡爆炸煤尘的传播起着隔爆的作用。 ●煤尘中的水分是不可燃物，而且水分能凝结煤尘。 ●目前，有煤尘爆炸危险的矿井所采用的煤体注水、喷洒雾水、水封爆破、设置水幕和水槽棚子等防尘措施，都是利用这一性质。 ●实验表明当煤尘中的水分为0.42-21.33时，对煤尘的爆炸性影响不明显；当煤尘水分达到25时，煤尘也能参加大爆炸。 2煤尘浓度 当煤尘的浓度在爆炸界限范围内时才能爆炸，而在爆炸界限内随着煤尘的浓度不同其爆炸的强度也不一样，从爆炸下限浓度到爆炸最强浓度，其爆炸浓度逐渐增大；从爆炸最强浓度到爆炸上限浓度其爆炸强度逐渐减弱。 3 煤尘粒度 ●实践证明，1mm以下的煤尘都参加爆炸，但是，粒度越小，起受热氧化越充分，释放可燃性气体越快，因而，越容易爆炸。 ●实验证明粒度为75μm以下的煤尘是最爆的主体；当粒度过小时（10μm以下），煤尘的爆炸性有减弱的趋势。这是由于过细的煤尘在空气中迅速氧化成灰烬所致，也有人认为是过细的煤尘“凝结”成“煤尘团”的缘故。 ●煤尘粒度对爆炸压力也有明显的影响，各种挥发分含量的煤尘随粒度的增大，其爆炸压力都在减小。 ●粒度不同的煤尘其引燃温度也不同。煤尘的粒度越小，单位重量的表面积越大，引燃温度越低，火焰的传播速度越快。 4 矿井的瓦斯浓度 ●矿井瓦斯是可燃性气体，当其混入时，煤尘爆炸的下限浓度降低。 ●混入量越大，则煤尘爆炸的下限浓度越低。 瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度的关系 空气中瓦斯浓度/ 0.5 1.4 2.5 3.5 备注 煤尘爆炸下限浓度/g.m-3 34.5 26.4 15.5 6.1 VT20 3.7 预防煤尘爆炸的技术措施（预防） 预防煤尘爆炸的技术措施可分为三大类 防尘措施、防爆措施和隔爆措施。 （1） （1）防尘措施 防止措施是指尽量减少煤尘的生成和使空气的含尘量降低的措施。 1）减少煤尘生成的措施 减尘措施是指在采掘工作面中减少煤尘的产生量，从而减少井下空气中煤尘的浓度。它是防尘技术措施中最积极最有效的措施。 ①煤层注水湿润煤体 ②采空区灌水 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湿润下组煤和下分层煤体，防止开采时生成大量的煤尘。此法称为采空区灌水。 ③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过来的，它是将注水和爆破联结起来，不仅起到了消除炮烟和防尘的作用，而且还提高了炸药的爆破效果。 ④改进采煤机结构 ●采煤机落煤是煤尘的主要来源。其方法是增大被破碎煤体的颗粒。采用增大截齿间距等措施，可以减少煤尘的生成量。 ●尽量减少炮眼的数目、少用炸药以及降低运输转载高度等均对减少煤尘有利。 2降低浮尘 ①喷雾洒水降尘 在煤尘的发源地进行喷雾洒水是降低井下空气中含尘量最简单、最方便而又比较有效的措施。它适用于采煤、掘进、运输、提升及风流净化等各种作业场合。 ②合理的风速 从防尘的角度要求，工作面的风速控制在1.2-1.6m/s为宜。此风速既能吹走浮尘，又不吹起浮尘，是比较合理的风速。 ③消除落尘 规程规定“每一矿井，矿长必须组织人员按计划对井巷定期清扫、冲洗煤尘和刷浆。” （2）防爆措施 ●防爆措施主要是指防止煤尘爆炸的措施。 ●井下能够引燃煤尘的高温热源和引燃瓦斯的相同。 ●根据对煤尘爆炸事故的统计，煤尘爆炸事故的火源主要是瓦斯爆炸和不正确的放炮作业。因此防止瓦斯爆炸的措施和有关的放炮作业的一切规定都对防止煤尘爆炸有效，均应严格执行。 （3）限制爆炸措施（隔爆措施） ●限制煤尘爆炸的技术措施主要是使已沉落在巷道周壁和支架上的煤尘失去爆炸性， ●局部地区发生爆炸后，将其隔离在一个很小的范围内，使其不在扩大，所以又称隔爆措施。 1 抑制煤尘爆炸的措施 用机器或人工定期在巷道内洒布岩粉，以增加积沉在巷道周壁和支架上煤尘的不燃物质的含量，从而抑制煤尘爆炸。 2 隔爆措施 ①岩粉棚隔爆 规程规定开采有煤尘爆炸危险性煤层的矿井，矿井的两翼、相临的采区和相临的煤层都必须用岩粉棚或水棚隔开。 ●岩粉棚的结构及规格 ●岩粉数量的要求 ●对岩粉的要求 ②水槽棚隔爆 ●水槽棚是具有一定强度的硬质易碎的聚氯乙烯和聚氨脂泡沫组成，水槽内盛满水置于距顶板100_150mm处。 ●其隔爆作用在于，当井下发生爆炸时，爆风压力将水槽棚崩翻并破碎。水瞬间分散于巷道空间内，形成雾状。 ③水幕隔爆 国内外也有用水幕来隔绝煤尘爆炸的传播。无论是一般型水幕还是自动隔爆水幕均需牢固的安装在不易崩坏的岩石巷道中，以免冲击波将其摧毁。 ④自动式防爆棚 试验表明，岩粉棚、水槽棚都必须在爆炸火焰爆炸之前靠冲击波把岩粉或水冲开，因此必须将其设置在距火源较远的位置上。 ●自动式防爆棚的主要特点是利用各种传感器测量煤尘爆炸所产生的各种物理参数并迅速的转化成点信号，指令机构的计算器根据这些准确的信号计算出这些火焰的传播速度并在最恰当的时候发出动作信号，让抑制装置强制喷洒岩粉，水或其它灭火剂。 ●各国所使用的传感器是根据爆炸火焰产生红外线、紫外线，产生的温升、压力波等参数研制而成，它们有红外线传感器、紫外线传感器和温度传感器。 ●自动防爆棚所使用的消火材料有水、岩粉、重碳酸钙、重碳酸钠、重碳酸钾和磷酸铵及氮气、二氧化碳等惰性气体。 ●自动式防爆棚的种类有自动岩粉棚、自动水棚、自动水袋、自动水幕及自动式岩粉分散装置等。 ●我国已先后研制出聚氯乙烯隔爆水槽、泡沫塑料隔爆水槽以及ZGBY型自动隔爆装置；确定了适用范围及使用方法。由于隔爆技术的应用，提高了矿井的抗灾能力，促进了煤矿的安全生产。