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1、MYRE.,煤矿矿尘防治 晋煤集团通风处陈永庆,1,概述矿尘性质矿尘危害矿尘测定煤尘爆炸及其预防综合防尘技术 防尘新技术,主要内容,2,一、概述-矿尘的基本概念,从自然界的空气中，人们所吸入的不仅仅是气体，也含有一定量的液体和固体颗粒，通常被称为尘埃。在工业生产中也会产生大量的微小固体颗粒，一般称之为粉尘，绝大多数粉尘的颗粒小到我们的肉眼都看不到。从生理学角度，自然界中产生的大部分尘埃，人体已能有效地进行处理。然而，在一些工业工作环境中，空气中的浮尘浓度已经超过了人体呼吸系统所能处理的能力，由粉尘所引起的呼吸问题是最早的工业职业病之一。,3,矿尘的分类,矿尘：在矿井生产过程中所产生的各种岩矿微
2、粒统称矿尘，也叫粉尘。 按矿尘的成分划分： 煤尘：是从爆炸角度来定义的，它是粒径小于1mm且以固定碳可燃物为主的煤炭颗粒。 岩尘：是从卫生角度来定义的，它是不含或极少含有固定碳可燃物的岩石颗粒。,4,按矿尘的存在状态划分： 浮尘：飞扬在空气中的矿尘称为浮尘，浮尘在空气中飞扬的时间不仅与尘粒的大小、重量、形状有关，还与空气的湿度、风速有密切关系。对矿井安全生产与井下工作人员的健康有直接影响的是浮尘，因此，浮尘是矿井防尘的主要对象。 积尘：从空气中沉降下来的矿尘称为积尘。随外界条件的改变，浮尘和积尘可以相互转化，积尘是产生矿井连续爆炸的最大隐患。,5,按煤尘有无爆炸性划分： 有爆炸性煤尘：经过煤尘
3、爆炸性鉴定，确定悬浮在一定浓度和有引起爆炸热源的条件下，本身能发生爆炸或传播爆炸的煤尘。 无爆炸性煤尘：经过煤尘爆炸性鉴定，确定不发生爆炸或不传播爆炸的煤尘。 按照对人体的危害程度划分： 呼吸性粉尘：呼吸性粉尘是指能在人体肺泡内沉积的，粒径在5微米以下的粉尘，特别是2微米以下的粉尘。 非呼吸性粉尘：不能进入人体肺部的其它尘粒。 全尘：呼吸性粉尘和非呼吸性粉尘之和就是全尘。,6,矿尘浓度：矿井空气中所含浮尘的数量叫做矿尘浓度。矿尘浓度的表示方法有两种： 质量法，每立方米空气中所含浮尘的毫克数，mgm3； 计数法，每立方厘米空气中所含浮尘的颗粒数，粒cm3。 矿尘浓度的大小直接影响着矿尘危害的严重
4、程度，是衡量作业环境的劳动卫生状况和评价防尘技术效果的重要指标。 国内外早期都使用计数法，后因认识到计数法不能很好地反映矿尘的危害性，从20世纪50年代末起，国内外广泛开始采用质量法来计量矿尘浓度。,矿尘产生状况的指标,7,产尘强度：是指生产过程中，采落煤中所含的粉尘量，常用的单位为g/t。 相对产尘强度：是指每采掘1t或1m3矿岩所产生的矿尘量，常用的单位为mg/t或mg/m3。凿岩或井巷掘进工作面的相对产尘强度可按每钻进1m钻孔或掘进1m巷道计算。相对产尘强度使产尘量与生产强度联系起来，便于比较不同生产情况下的产尘量。 矿尘沉积量：是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/m
5、2d。这一指标用来表示巷道中沉积粉尘的强度，是确定岩粉撒布周期的重要依据。,8,矿尘的来源,粉碎作业机械化采矿 支护作业 爆破作业 装载作业运输和碾压,9,矿尘的产生,在现有防尘技术措施的条件下，各生产环节产生的浮尘比例大致为：采掘工作面产尘量占最多，约占全部粉尘的80%；锚喷作业点产尘量占1015；运输通风巷道产尘量占5l0；其他作业点占25。各作业点随机械化程度的提高，矿尘的生成量也将增大，因此防尘工作也就更加重要。,10,二、 矿尘性质,1、矿尘的成分和游离二氧化硅的含量 矿岩被粉碎成矿尘后，化学成分基本上无改变。从安全卫生角度考虑，主要了解矿尘中是否含有有毒物质、放射性物质、燃烧与爆炸
6、性物质和游离二氧化硅，以便采取相应的预防措施。游离状态的二氧化硅（主要是石英）是许多矿岩的组成成分，如煤矿上常见的页岩、砂岩、砾岩和石灰岩等中游离SiO2的含量通常多在2050，煤尘中的含量一般不超过5，半煤岩中的含量在20%左右。矿尘中游离SiO2的含量是危害人体的决定因素，其含量越高，危害越大。,11,从工业卫生角度来说，各种粉尘对人体都是有害的，粉尘的化学组成及其在空气中的浓度，直接决定对人体的危害程度，粉尘中含游离二氧化硅的量越高，危害越严重。 二氧化硅是地壳上最常见的氧化物，是许多种岩石和矿物的重要组成部分，它有两种存在状态，一种是结合状态的二氧化硅，即硅酸盐矿物，如长石(K2OAl
7、2036Si02)；石棉(CaO3MgO4SiO 2)； 高岭土(Al2032SiO22H2O)，滑石(3Mg04SiO2H20)等等。,12,另一种是游离状态的二氧化硅，主要是石英，在自然界中分布很广。粉尘中的游离二氧化硅的含量是引起并促进尘肺病及病程发展的主要因素，含量越高，其危害越大。 许多矿岩都含有游离二氧化硅，煤系地层由于沉积环境不同、岩性不同，其游离二氧化硅含量变化较大，煤层中以煤为主，或者时也伴有夹石等，从煤种来看，无烟煤的二氧化硅的含量高于烟煤。,13,2、矿尘的粒径,矿尘颗粒大小的尺度称为粒径，其单位用微米表示。矿尘的形状很不规则，不能直接用直径表示；一般采用有不同定义的“当
8、量粒径”，根据测定方法与目的确定。矿山一般用显微镜测定的尘粒投影定向径表示，（见表21）。按粒径大小，矿尘可分为：（1）粗尘，粒径大于40m，相当于一般筛分的最小颗粒，在空气中极易沉降；,14,表21常规浮尘的粒度范围,15,（2）细尘，粒径为1040m，肉眼可见，在静止空气中做加速沉降；（3）微尘，粒径为0.2510m，用光学显微镜可以观察到，在静止空气中做等速沉降；（4）超微尘，粒径小于0.25m，要用电子显微镜才能观察到，在空气中做扩散运动。,16,3、矿尘的分散度,在全部矿尘中各种粒径的尘粒所占的百分比叫做矿尘的分散度。矿尘分散度有两种表示方法： 数量分散度，指各粒径区间尘粒的颗粒数占
9、总额粒数的百分比； 质量分散度，指各粒径区间尘粒的质量占总质量的百分比。 粒级的划分是根据粒度大小和测试目的确定的，我国工矿企业将矿尘粒级划分为4级，小于2m、25m、510m和大于10m。,17,矿尘分散度是衡量矿尘颗粒大小构成的一个重要指标，是研究矿尘性质与危害的一个重要参数。矿尘总量中微细颗粒多，所占比例大时，称为高分散度矿尘；反之，如果矿尘中粗大颗粒多，所占比例大，就称作低分散度矿尘。矿尘的分散度越高，危害性越大。,18,4、矿尘的湿润性,粉尘粒子能否与液体相互附着或附着难易的性质称为粉尘的润湿性或吸湿性、浸润性等。粉尘粒子与液体接触时，如果接触面能扩大而相互附着，就是能被润湿；如果接
10、触面趋于缩小而不能相互附着，则为不能被润湿。粉尘的粒径、形状、含水率、表面粗糙度及荷电性等对润湿性有影响。同类粉尘，球形尘粒比不规则尘粒润湿性岛尘粒越细润湿能力越差。液体的表面张力越小，越易被粉尘吸湿，如酒精、煤油等的表面张力小，对粉尘的润湿比水好。 尘粒与水雾粒的相对运动速度较高时易被吸湿。粉尘的吸湿能力还随着环境温度上升而下降。,19,矿尘的湿润性是指矿尘与液体亲和的能力。湿润性决定采用液体除尘的效果，容易被水湿润的矿尘称为亲水性矿尘，不容易被水湿润的矿尘称为疏水性矿尘。对于亲水性矿尘，当尘粒被湿润后，尘粒间相互凝聚，尘粒逐渐增大、增重，其沉降速度加速，矿尘能从气流中分离出来，可达到除尘目
11、的。矿井常用的喷雾洒水和湿式除尘器就是利用矿尘的湿润性使其沉降的。对于疏水性矿尘，一般不宜采用湿式除尘器，而多采用水中添加湿润剂，增加水滴的动能等方法进行湿式除尘。,20,粉尘的吸湿能力,由于不同粉尘对同一液体的亲、憎程度是不同的，可用湿润角和吸湿速度表示其吸湿能力： （1）湿润角,2-2,湿润角越大，粉尘的吸湿能力越强,21,粉尘的吸湿能力,（2）吸湿速度：通常取粉尘的吸湿时间为20min，测出此时的吸湿高度L20(mm)，则吸湿速度为：,22,5、矿尘的比表面积,矿尘的比表面积与粒度成反比，粒度越小，比表面积越大，因而这两个指标都可以用来衡量矿尘颗粒的大小。煤岩破碎成微细的尘粒后，首先其比
12、表面积增加，因而化学活性、溶解性和吸附能力明显增加；其次更容易悬浮于空气中，表2-3所示为在静止空气中不同粒度的尘粒从1m高处降落到底板所需的时间；另外，粒度减小容易使其进人人体呼吸系统，据研究，只有5m以下粒径的矿尘才能进入人的肺内，是矿井防尘的重点对象。,表2-3尘粒沉降时间,23,6、矿尘的电性质,矿尘是一种微小粒子，因空气的电离以及尘粒之间的碰撞、摩擦等作用，使尘粒带有电荷，可能是正电荷，也可能是负电荷，带有相同电荷的尘粒，互相排斥，不易凝聚沉降；带有相异电荷时，则相互吸引，加速沉降，因此有效利用矿尘的这种荷电性，也是降低矿尘浓度，减少矿尘危害的方法之一。,24,7、矿尘的爆炸性,煤尘
13、和有些矿尘（如硫化矿尘）在空气中达到一定浓度并在外界高温热源作用下，能发生爆炸，称为爆炸性矿尘。矿尘爆炸时产生高温、高压，同时产生大量有毒有害气体，对安全生产有极大的危害，防止煤尘的爆炸是具有煤尘爆炸危险性矿井的主要安全工作之一。,25,三、 矿尘的危害,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，危害人体健康，引起职业病。（1）有毒矿尘 这些矿尘能够在呼吸系统内引发化学反应或者使有毒混合物通过肺泡壁被吸收进血流中，它们对机体组织或某些特定器官是有毒的。某些金属矿尘属于这一类。最有害的矿尘包括砷、铅、铀及其他放射性矿物、水银、镉、硒、锰、钨、银和镍的混合物,26,（2） 致
14、癌矿尘： 铀系的衰变所释放的、射线和生成的氡子体成为最危险的致癌微粒。石棉纤维和新生的石英粒子（在次要程度上）引起的肺部组织的磨损和表面化学反应的共同作用会导致肿瘤的形成。暴露在砷尘下也会引起癌症。对柴油机废气粒子的潜在致癌特性的研究也在进行中。 （3）纤维变性矿尘： 很多矿尘的侵蚀作用会导致肺部组织的微小疤痕。长时间的侵蚀会产生纤维组织增生并导致肺部失去弹性和换气面积的大量减少。硅石（石英，燧石）和一些硅酸盐（石棉、云母、滑石）是危害最大的纤维变性矿尘，可能也会引起中毒或者致癌反应。焊接烟气和一些金属矿石也产生纤维变性矿尘，长时间或者过多的暴露在煤尘中也会引起纤维变性反应。,27,由于上述几
15、种原因，工人长期吸人矿尘后，轻者会患呼吸道炎症、皮肤病，重者会患尘肺病，而尘肺病引发的矿工致残和死亡人数在国内外都十分惊人。据国内某矿务局统计，尘肺病的死亡人数为工伤事故死亡人数的6倍；德国煤矿死于尘肺病的人数曾比工伤事故死亡人数高10倍。因此，世界各国都在积极开展预防和治疗尘肺病的工作。 2、某些矿尘(如煤尘、硫化尘)在一定条件下可以爆炸。 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，煤尘则有可能参与瓦斯同时爆炸。煤尘或瓦斯煤尘爆炸，都将给矿山以突然性的袭击，酿成严重灾害。例如，1906年3月10日法国柯利尔煤矿发生的煤尘爆炸事故，死亡1099人，造成了重大的灾难。,28,3、加速
16、机械磨损，缩短精密仪器使用寿命。 随着矿山机械化、电气化、自动化程度的提高，矿尘对设备性能及其使用寿命的影响将会越来越突出，应引起高度的重视。 4、降低工作场所能见度，增加工伤事故的发生。 在某些综采工作面割煤时，工作面煤尘浓度高达40008000mgm3，有的甚至更高，这种情况下，工作面能见度极低，往往会导致误操作，造成人员的意外伤亡。,29,矿山尘肺病,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
17、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。,30,1、尘肺病的发病机理 尘肺病的形成的论点和学说有多种。进人人体呼吸系统的粉尘大体上经历以下四个过程(如图3-1）： (1) 在上呼吸道的咽喉、气管内，含尘气流由于沿程的惯性碰撞作用使大于10um的尘粒首先沉降在其内。经过鼻腔和气管粘膜分泌物粘结后形成痰排出体外。,31,图 31 人体呼吸系统,32,(2) 在上呼吸道的较大支气管内，通过惯性碰撞及少量的重力沉降作用，使510m的尘粒沉积下来，经气管、支气管上皮的纤毛运动，咳嗽随痰排出体外。 因此，真正进入下呼吸道的粉尘，其粒度均小
18、于5m，目前比较一致的看法是：空气中5m以下的矿尘是引起尘肺病的有害部分。 (3) 在下呼吸道的细小支气管内，由于支气管分支增多，气流速度减慢，使部分25m的尘粒依靠重力沉降作用沉积下来，通过纤毛运动逐级排出体外。,33,(4) 粒度为2m左右的粉尘进入呼吸性支气管和肺内后，一部分可随呼气排出体外；另一部分沉积在肺泡壁上或进入肺内，残留在肺内的粉尘仅占总吸入量的12以下。残留在肺内的尘粒可杀死肺泡，使肺泡组织形成纤维病变出现网眼，逐步失去弹性而硬化，无法担负呼吸作用，使肺功能受到损害，降低了人体抵抗能力，并容易诱发其他疾病，如肺结核、肺心病等。在发病过程中，由于游离的SiO2表面活性很强，加速
19、了肺泡组织的死亡。因此硅肺病是各种尘肺病中发病期最短、病情发展最快也最为严重的一种。,34,2、呼吸系统内粉尘沉积的机理 呼吸系统某些区域内粉尘粒子的沉积会根据粒子大小和其空气动力学特性、空气通路的几何形状以及气流形式而发生变化。沉积最主要的三种机理为惯性碰撞、重力沉降和扩散作用。而对于某些特殊类型的粒子，拦截作用和静电沉淀作用会有比较显著的意义。3、粉尘疾病的分类 尘肺病是对由于吸入粉尘引起的心脏呼吸器官损害症状的通称。煤矿尘肺病按吸入矿尘的成分不同，可分为三类：,35,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
20、(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。 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，单纯的硅肺、煤肺病较少。,36,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。上述三种尘肺病中最危险的是硅肺病。其发病工龄最短(一般在10年左右)，病情发展快，危害严重。煤肺病的发病工龄一般为2030年，煤硅肺病介于两者之间但接近后者。,37,1、尘肺病的发
21、病症状 尘肺病的发展有一定的过程，轻者影响劳动生产力，严重时丧失劳动能力，甚至死亡。这一发展过程是不可逆转的，因此要及早发现，及时治疗，以防病情加重，从自觉症状上，尘肺病分为三期：第一期，重体力劳动时，呼吸困难、胸痛、轻度干咳。第二期，中等体力劳动或正常工作时，感觉呼吸困难，胸痛、干咳或带痰咳嗽。第三期，做一般工作甚至休息时，也感到呼吸困难、胸痛、连续带痰咳嗽，甚至咯血和行动困难。,尘肺病的发病症状及影响因素,38,(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，
22、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。 (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。5m以上的矿尘对尘肺病的发生影响不大；5m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2m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。,2、影响尘肺病的发病因素,39,(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510年就有可能导致硅肺病，如果矿尘中的游
23、离SiO2含量达8090，甚至152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。 (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。,40,在世界范围内，粉尘疾病问题在整个20世纪所吸引的研究基金比任何其他井下采矿环境危害都要多。尘肺病在目前的技术水平下很难完全治愈，不过它是可以预防的。当前主要的研究集中在三个方面： 发展、治疗和诊断粉尘疾病的医学研究； 粉尘采样技术和呼吸性粉尘的测量手段； 矿井粉尘的抑制与控制。 只要国家重视，
24、增加资金投入，积极开展尘肺病预防及治疗方面的研究，完善生产技术措施，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。,41,四、 矿尘测定,为了实现对矿尘的研究与控制以及国家立法的需要，必须对矿尘进行测定，矿尘测定包括矿尘浓度、粒径分布和矿尘成分等几个方面，这是由各个因素与尘肺病的密切关系所决定的。 基本的矿尘测定方法包括计数法、计重法和光散射法。,42,计数法在早期使用了很多年，但是现在基本上已经被淘汰。这里作为一种历史回顾加以简要介绍，计数器按照工作原理可以分为两种: 1、依据惯性撞击原理 一股高速脉冲空气被吸入，通过喷射器撞击在经过处理的玻璃、胶片或透明体上。这种类型最常见
25、的仪器是计尘器。 2、热沉淀器 加热后的金属丝发出的分子撞击移动取样空气流中的尘粒，使其转向碰到到临近的承物玻璃片上。粉尘计数仪器使用的玻璃片、胶片或透明物经过显微镜分析以查清在各个粒度范围内的粒子数。,计数法,43,图4-1描绘了早期运用十分成功的一种重力分析采样器的工作流程。空气在振动泵的作用下以2.5L/min的速度通过仪器，空气流速在经过淘析器平行金属板间时减弱，大于7微米的粉尘便沉降下来；通过淘析器的细微粉尘被5微米的滤膜捕集。滤膜在采样过程的前后都会被称重，采样过程一般要持续8小时。,计重法,44,图4-1 重力分析采样器,45,个人采样器是一种轻型的重力分析装置，它可以系缚在单个
26、工人的身上，与帽灯共用一组电池供电。通用的个人采样器使用旋风式采样头和过滤装置。抽吸泵在工人进入矿井之前开启，一直运行到当班工人下班后帽灯被放回在灯架上为止，过滤器也在此时更换。个人采样器的广泛使用不仅可以提供单个工人暴露在呼吸性粉尘中的时间，结合不同工种工人的使用，可以得出全矿井关于粉尘条件改进状况的宝贵数据。 一般将个人采样器的过滤器和抽吸泵结合为单独装置，安装在皮带或帽灯电池上，这样可以去除附加管材，并能够减少对工人的干扰。,个人采样器,46,矿尘很少由单一物质组成，并且矿尘中一般都含有石英粉尘，而它是对井下工作人员危害最大的因素，所以在粉尘样品中对石英含量的计量非常重要，这不仅适用于硬
27、岩矿井，而且随着煤矿机械化开采和锚杆支护的发展，对煤矿也变得日益重要。 使用X光线衍射法可以在输出光谱上得到石英含量的数值。这种方法作为矿尘中的矿物分析手段已经有很长的历史了。进一步的发展方向是将此原理应用到粉尘监控设备中去，以同时显示呼吸性粉尘浓度和石英含量。,SiO2粉尘的鉴别,47,现代粉尘测量仪器都集中在呼吸性粉尘的质量浓度的测量上（5微米）。大多数仪器都是使连续的空气取样中的粉尘通过淘析器（沉淀室）、旋风采样头、或计尘器和滤膜等设备。此外，为了适应长时间读数的需要，大多数重量分析仪器都设计为可连续操作数小时。这些数据从健康保护的观点来看是必要的，但减弱了快速读数和连续监控的功能。当今
28、的粉尘测量方法结合了电子计算机，允许短期与长期数据采集同时进行。其中最流行的方法利用粉尘粒子的光散射定律（丁达尔效应）。,48,早期的丁达尔悬浮体浓度计可将白色光源发出的光束分离。一半通过偏振滤波器到达接目镜，另一半被转向通过采样室，在那儿光被捕集的粉尘粒子反射，并定向射到接目镜上。滤波器被不断的旋转，直到接目镜上同时可见的两半光束显现出相同的亮度为止。以所用滤波器的旋转角度来表示粉尘浓度。现代的丁达尔悬浮体浓度计使用光传感器来探测偏离光线，并为视觉上的显示、记录和传播产生一个电子输出。,光散射法,49,在光散射法的测量设备中，可以使用两种粒度识别技术 ： 1、采样空气通过一个由淘析器和旋风采
29、样头组成的预处理器来排除非呼吸性粉尘粒子。数个旋风采样头串联可以得出一系列粒度范围。 2、使用激光或单色光源。这种方法可以人为控制光源的波长，为测定所研究粒径范围内的矿尘浓度提供了有利的识别手段。,50,五、 煤尘爆炸及其预防,煤尘爆炸同瓦斯爆炸一样都属于矿井中的重大灾害事故。我国历史上最严重的一次煤尘爆炸发生在1942年日本侵略者统治下的本溪煤矿，死亡1549人，残246人，死亡的人员中大多为CO中毒，事故发生前，巷道内沉积了大量煤尘，是由于电火花点燃局部聚积的瓦斯而引起的重大煤尘爆炸事故。,51,煤尘爆炸是在高温或一定点火能的热源作用下，空气中氧气与煤尘急剧氧化的反应过程，是一种非常复杂的
30、链式反应。一般认为其爆炸机理及过程如下： (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300400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；,煤尘爆炸的机理,52,(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
31、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。,53,1、形成高温、高压、冲击波 煤尘爆炸火焰温度为16001900 ，爆源的温度达到2000以上，这是煤尘爆炸得以自动传播的条件之一。 在矿井条件下煤尘爆炸的平均理论压力为736kPa，但爆炸压力随着离开爆源距离的延长而跳跃式增大。爆炸过程中如遇障碍物，压力将进一步增加，尤其是连续爆炸时，后一次爆炸的理论压力将是前一次的57倍。煤尘爆炸产生的火焰速度可达1120ms，冲击波速度为2340ms。,煤尘爆炸的特征,54,2、煤尘爆炸具有连续性 由于煤尘爆炸具有很高的冲击波速，能将巷道中落尘扬起，甚至使煤体破碎
32、形成新的煤尘，导致新的爆炸，有时可如此反复多次，形成连续爆炸，这是煤尘爆炸的重要特征。 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所需的时间。根据试验，煤尘爆炸的感应期主要决定于煤的挥发分含量，一般为40280ms，挥发分越高，感应期越短。,55,4、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4070，致使煤尘挥发分减少，根据这一特征，可以判断煤尘是否参与了井下的爆炸。对于气煤、肥煤、焦煤等粘结性煤的煤尘，一旦发生爆炸，一部分煤尘会被焦化，粘结在一起，沉积于支架和巷道壁上，形成煤尘爆炸所特有的产物焦炭皮渣或粘块，统
33、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。 5、产生大量的CO。 煤尘爆炸时产生的CO，在灾区气体中的浓度可达23，甚至高达8左右。爆炸事故中受害者的大多数(7080)是由于CO中毒造成的。,56,煤尘爆炸必须同时具备三个条件： 煤尘本身具有爆炸性 煤尘必须悬浮于空气中，并达到一定的浓度 存在能引燃煤尘爆炸的高温热源。1煤尘的爆炸性 煤尘具有爆炸性是煤尘爆炸的必要条件。煤尘爆炸的危险性必须经过试验确定。,煤尘爆炸的条件,57,2悬浮煤尘的浓度 井下空气中只有悬浮的煤尘达到一定浓度时，才可能引起爆炸，单位体积中能够发生煤尘爆炸的最低和最高煤尘量称为下限和上限浓度。低
34、于下限浓度或高于上限浓度的煤尘都不会发生爆炸。煤尘爆炸的浓度范围与煤的成分、粒度、引火源的种类和温度及试验条件等有关。一般说来，煤尘爆炸的下限浓度为3050gm3，上限浓度为15002000gm3。其中爆炸力最强的浓度范围为300500gm3 一般情况下，浮游煤尘达到爆炸下限浓度的情况是不常有的，但是爆破、爆炸和其他震动冲击都能使大量落尘飞扬，在短时间内使浮尘量增加，达到爆炸浓度。,58,3引燃煤尘爆炸的高温热源 煤尘的引燃温度变化范围较大，它随着煤尘性质、浓度及试验条件的不同而变化。我国煤尘爆炸的引燃温度在6101050之间，一般为700800。煤尘爆炸的最小点火能为4.540 MJ。这样的
35、温度条件，几乎一切火源均可达到，如爆破火焰、电气火花、机械摩擦火花、瓦斯燃烧或爆炸、井下火灾等。根据20世纪80年代的统计资料，由于放炮和机电火花引起的煤尘爆炸事故分别占总数的45和35。,59,因素：挥发分、灰分和水分、煤尘粒度、瓦斯浓度、氧含量和引爆热源 1煤的挥发分 煤尘爆炸主要是在尘粒分解的可燃气体(挥发分)中进行的，因此煤的挥发分数量和质量是影响煤尘爆炸的最重要因素。一般说来，煤尘的可燃挥发分含量越高，爆炸性越强，即煤化作用程度低的煤，其煤尘的爆炸性强，随煤化作用程度的增高而爆炸性减弱。,影响煤尘爆炸的因素,60,2煤的灰分和水分 煤内的灰分是不燃性物质，能吸收能量，阻挡热辐射，破坏
36、链反应，降低煤尘的爆炸性。煤的灰分对爆炸性的影响还与挥发分含量的多少有关，挥发分小于15的煤尘，灰分的影响比较显著，大于15时，天然灰分对煤尘的爆炸几乎没有影响。 水分能降低煤尘的爆炸性，因为水的吸热能力大，能促使细微尘粒聚结为较大的颗粒，减少尘粒的总表面积，同时还能降低落尘的飞扬能力。煤的天然灰分和水分都很低，降低煤尘爆炸性的作用不显著，只有人为地掺人灰分(撤岩粉)或水分(洒水)才能防止煤尘的爆炸。,61,3煤尘粒度 粒度对爆炸性的影响极大。粒径1mm以下的煤尘粒子都可能参与爆炸，而且爆炸的危险性随粒度的减小而迅速增加，75m以下的煤尘特别是3075m的煤尘爆炸性最强，因为单位质量煤尘的粒度
37、越小，总表面积及表面能越大，粒径小于10m后，煤尘爆炸性增强的趋势变得平缓。煤尘粒度对爆炸压力也有明显的影响。煤炭科学研究院重庆分院的试验结果表明，在同一煤种不同粒度条件下，爆炸压力随粒度的减小而增高，爆炸范围也随之扩大，即爆炸性增强。粒度不同的煤尘引燃温度也不相同。煤尘粒度越小，所需引燃温度越低，且火焰传播速度也越快。,62,4. 空气中的瓦斯浓度 瓦斯参与使煤尘爆炸下限降低。瓦斯浓度低于4时，煤尘的爆炸下限可用下式计算： 式中： 空气中有瓦斯时的煤尘爆炸下限，gm3； 煤尘的爆炸下限，gm3； 系数，见表51。,63,表5-1 瓦斯浓度对煤尘爆炸下限的影响系数 随着瓦斯浓度的增高，煤尘爆炸
38、浓度下限急剧下降，这一点在有瓦斯煤尘爆炸危险的矿井应引起高度重视。一方面，煤尘爆炸往往是由瓦斯爆炸引起的；另一方面，有煤尘参与时，小规模的瓦斯爆炸可能演变为大规模的煤尘瓦斯爆炸事故，造成严重的后果。 瓦斯与煤尘共存，改变了煤尘着火的环境气体组分条件，加入的瓦斯参与氧化反应，放出热量，使煤尘颗粒更易着火，反应更迅速，增加了煤尘着火爆炸的灵敏度和猛烈度，且使无爆炸性的煤尘参与爆炸。,64,5空气中氧的含量 空气中氧的含量高时，点燃煤尘的温度可以降低；氧的含量低时，点燃煤尘云困难，当氧含量低于17时，煤尘就不再爆炸。煤尘的爆炸压力也随空气中含氧的多少而不同。含氧高，爆炸压力高；含氧低，爆炸压力低。
39、6引爆热源 点燃煤尘云造成煤尘爆炸，就必须有一个达到或超过最低点燃温度和能量的引爆热源。引爆热源的温度越高，能量越大，越容易点燃煤尘云。而且煤尘初爆的强度也越大；反之温度越低，能量越小，越难以点燃煤尘云，且即使引起爆炸，初始爆炸的强度也越小。,65,规程规定：新矿井的地质精查报告中，必须有所有煤层的煤尘爆炸性鉴定材料。生产矿井每延深一个新水平，由矿务局组织一次煤尘爆炸性试验工作。 煤尘爆炸性的鉴定方法有两种：一种是在大型煤尘爆炸试验巷道中进行，这种方法比较准确可靠，但工作繁重复杂，所以一般作为标准鉴定用，另一种是在实验室内使用大管状煤尘爆炸性鉴定仪进行，方法简便，目前多采用这种方法。,煤尘爆炸
40、性鉴定,66,大管状煤尘爆炸性鉴定仪如图52所示，它的主要部件有： 内径为7580mm的燃烧管1，长为1400mm的硬质玻璃管，一端经弯管与排尘箱8连接，在另一端距入口400mm处径向对开的两个小孔装入有铂丝加热器2，加热器是长为110mm的中空细瓷管(内径1.5mm，外径3.6mm)，铂丝11缠在直径03mm的管外；两端由燃烧管的小孔引出，接在变压器T上，铂铑热电偶10，它的两端接上铜导线构成冷接点置于冷瓶3中，然后连到高温计4以测量火源温度；铜制试料管5，长100mm，内径95mm，通过导管6与电磁气筒7连接，排尘管内装有滤尘板，并和小风机9连接。,67,52,68,试验的程序是：将粉碎后
41、全部通过75m筛孔的煤样在105温度时烘干2h，称量1g尘样放在试料管中；接通加热器电源，调节可变电阻R将加热器的温度升至11005，按压电磁气筒开关K2，煤尘试样呈雾状喷入燃烧管，同时观察大管内煤尘燃烧状态，最后开动小风机排除烟尘。 煤尘通过燃烧管内的加热器时，可能出现下列现象： 只出现稀少的火星或根本没有火星； 火焰向加热器两侧以连续或不连续的形式在尘雾中缓慢地蔓延； 火焰极快地蔓延，甚至冲出燃烧管外，有时还会听到爆炸声。,69,同一试样应重复进行5次试验，其中只要有一次出现燃烧火焰，就定为爆炸危险煤尘。在5次试验中都没有出现火焰或只出现稀少火星，必须重做5次试验，如果仍然如此，定为无爆炸
42、危险煤尘，在重做的试验中，只要有一次出现燃烧火焰，仍应定为爆炸危险煤尘。 对有爆炸危险的煤尘，还可进行预防煤尘爆炸所需岩粉量的测定。具体做法是将岩粉按比例和煤尘均匀混合，用上述方法测定它的爆炸性，直到混合粉尘由出现火焰刚转入不再出现火焰，此时的岩粉比例，即为最低岩粉用量的百分比。 矿井中只要有一个煤层的煤尘有爆炸危险，该矿井就应定为有煤尘爆炸危险的矿井。根据煤尘爆炸性试验，我国有80左右的煤矿属于开采有煤尘爆炸危险煤层的矿井。,70,预防煤尘爆炸的技术措施主要包括三个方面减、降尘措施，防止煤尘引燃措施隔绝煤尘爆炸措施。1. 减、降尘措施减、降尘措施是指在煤矿井下生产过程中，通过减少煤尘产生量或
43、降低空气中悬浮煤尘含量以达到从根本上杜绝煤尘爆炸的可能性。为达到这一目的，煤矿上采取了以煤层注水为主的多种防尘手段 。,预防煤尘爆炸的技术措施,71,2 、防止煤尘引燃的措施 防止煤尘引燃的原则，是对一切非生产必需的热源，要坚决禁绝。生产中可能发生的热源，必须严加管理和控制，防止它的发生或限定其引燃煤尘的能力。主要包括以下措施： （1）采用防爆的电气设备； （2）采用供电闭锁装置和超前切断电源的控制设备； （3）在有煤尘爆炸危险的煤层中，采掘工作面只准使用煤矿安全炸药和瞬发雷管。 （4）为防止机械摩擦火花，采取的措施有：禁止使用磨钝的截齿；截槽内喷雾洒水；禁止使用铅或铅合金制作的部件和仪器设备
44、；在金属表面涂以各种涂料等。 同时特别要注意的是，瓦斯爆炸往往会引起煤尘爆炸。此外，煤尘在特别干燥的条件下可产生静电，放电时产生的火花也能自身引爆。,72,3、隔绝煤尘爆炸的措施 防止煤尘爆炸危害，除采取防尘措施外，还应采取降低爆炸威力、隔绝爆炸范围的措施。主要包括以下五种措施： （1）清除落尘 定期清除落尘，防止沉积煤尘参与爆炸可有效地降低爆炸威力，使爆炸由于得不到煤尘补充而逐渐熄灭； （2）撒布岩粉 撤布岩粉是指定期在井下某些巷道中撒布惰性岩粉，增加沉积煤尘的灰分，抑制煤尘爆炸的传播； （3）设置水棚 水棚包括水槽棚和水袋棚两种 ；,73,（4）设置岩粉棚 由安装在巷道中靠近顶板处的若干块
45、岩粉台板组成，台板的间距稍大于板宽，每块台板上放置一定数量的惰性岩粉，当发生煤尘爆炸事故时，火焰前的冲击波将台板震倒，岩粉即弥漫于巷道中，火焰到达时，岩粉从燃烧的煤尘中吸收热量，使火焰传播速度迅速下降，直至熄灭。 （5）设置自动隔爆棚 自动隔爆棚是利用各种传感器，将瞬间测量的煤尘爆炸时的各种物理参量迅速转换成电讯号，指令机构的演算器根据这些讯号准确计算出火焰传播速度后选择恰当时机发出动作讯号，让抑制装置强制喷撒固体或液体等消火剂，从而可靠地扑灭爆炸火焰，阻止煤尘爆炸蔓延。,74,1）煤层注水实质 煤层注水是回采工作面最重要的防尘措施之一，在回采之前预先在煤层中打若干钻孔，通过钻孔注入压力水，使
46、其渗入煤体内部；增加煤的水分，从而减少煤层开采过程煤尘的产尘量。煤层注水的减尘作用主要有以下三个方面： 煤体内的裂隙中存在着原生煤尘，水进入后，可将原生煤尘湿润并粘结，使其在破碎时失去飞扬能力，从而有效地消除这一尘源。,煤层注水,75, 水进入煤体内部，并使之均匀湿润。当煤体在开采中受到破碎时，绝大多数破碎面均有水存在，从而消除了细粒煤尘的飞扬，预防了浮尘的产生。 水进人煤体后使其塑性增强，脆性减弱，改变了煤的物理力学性质，当煤体因开采而破碎时，脆性破碎变为塑性变形，因而减少了煤尘的产生量。,煤层注水实质,76,煤的裂隙和孔隙的发育程度 对于不同成因及煤岩层种类的煤层来说，其裂隙和孔隙的发育程
47、度不同，注水效果差异也较大，媒体的裂隙越发育则越容易注水，可采用低压注水，否则需要采用高压注水才能取得预期效果，但是当出现一些较大的裂隙（如断层、破裂面等)，注水容易散失于远处或煤体之外，对预湿煤体不利。 媒体的孔隙发育程度一般用孔隙率表示，系指孔隙的总体积与煤的总体积的百分比。根据实测资料，当煤层的孔隙率小于4时，煤层的透水性较差，注水无效果；孔隙率为15时，煤层的透水性最高，注水效果最佳；而当孔隙率达40%时，煤层成为多孔均质体，天然水分丰富则无需注水，此多属于褐煤。,2）影响煤层注水的因素,77,上覆岩层压力及支承压力 地压的集中程度与煤层的埋藏深度有关，煤层埋藏越深则地层压力越大，而裂
48、隙和孔隙变得更小，导至透水性能降低，因而随着矿井开采深度的增加，要取得良好的煤体湿润效果，需要提高注水压力。在长壁工作面的超前集中应力带以及其他大面积采空区附近的集中应力带，因承受压力增高，其煤体的孔隙率与受采动影响的媒体相比，要小6070，减弱了煤的透水性。 液体性质的影响 煤是极性小的物质，水是极性大的物质，两者之间极性差越小，越易湿润。为了降低水的表面张力，减小水的极性，提高对煤的湿润效果，可以在水中添加表面活性剂。阳泉一矿在注水时加入0.5%的洗衣粉，注水速度比原来提高24。,78,煤层内的瓦斯压力 煤层内的瓦斯压力是注水的附加阻力。水压克服瓦斯压力后才是注水的有效压力，所以在瓦斯压力
49、大的煤层中注水时，往往要提高注水压力，以保证湿润效果。 注水参数的影响 煤层注水参数是指注水压力、注水速度、注水量和注水时间。注水量或煤的水分增量是煤层注水效果的标志，也是决定煤层注水除尘率高低的重要因素。通常，注水量和煤的水分增量变化在50到80之间，注水量和煤的水分增量都和煤层的渗透性、注水压力和注水时间有关。,79,3）煤层注水方式,短孔注水 短孔注水是在回采工作面的垂直或与煤壁斜交打钻孔注水，注水孔长度一般为23.5m。 深孔注水 深孔注水是在回采工作面垂直煤壁打钻孔注水，孔长一般为525m。,80,长孔注水 长孔注水是从回采工作面的运输巷或回风巷，沿煤层倾斜方向平行于工作面打上向孔或
50、下向孔注水孔长30100M；当工作面长度超过120m而单向孔达不到设计深度或煤层倾角有变化时，可采用上向、下向钻孔联合布置钻孔注水。,81,巷道钻孔注水 即由上邻近煤层的巷道向下煤层打钻注水或由底板巷道向煤层打钻注水。在一个钻场可打多个垂直于煤层或扇形布置方式的钻孔。巷道钻孔注水采用小流、长时间的注水方法，湿润效果良好；但打岩石钻孔不经济，而且受条件限制，所以极少采用。,82,1稳流阀 2-压力表 3滤前防尘用水 4滤流器壳体 5滤网筒 6-堵 头 7滤清水 8挡水罩 9喷嘴 10O型密封圈 11-外 套 12芯 子 13-膨胀胶管 14进水管 15 水 箱 16-水箱盖 17电机 18注水泵