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摘 要：随着煤矿机械化开采的普及，综掘凿掘煤岩作业已成为矿井产尘重灾点，但综掘防尘还无系统性解决方法，导致综掘作业人员身体健康受粉尘影响较大，急待采用系统性的办法进行有效解决。对此本文在综合分析各粒径粉尘运移状态、综掘煤体产尘因素、矿井粉尘运移环境基础上对综掘防尘重点工作线路和方向进行研讨，为煤矿综掘防尘的有效解决提供参考。
关键词：粉尘危害 综掘防尘 尘肺病 煤矿
中图分类号：TD714 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）01（b）-0028-03
Discussion on Dust Prevention in Fully Mechanized Coal Mining Face
YANG Cheng WEI Guobin YANG Yuanxun HU Lei
（Xinwei Coal Mine， Furong Company，Sichuan Coal Group， Junlian County， Yibin， Sichuan Province， 644000 China）
Abstract： With the popularization of mechanized mining in coal mine， the comprehensive excavation and digging of coal and rock has become a serious dust disaster point in coal mine， but there is no systematic solution for dust prevention of comprehensive excavation， which leads to the health of comprehensive excavation workers greatly affected by dust， so it is urgent to adopt systematic measures to solve the problem effectively. In this paper， on the basis of comprehensive analysis of dust transport state of each particle size， dust production factors of fully mechanized coal body and dust migration environment of coal mine， the key work route and direction of dust prevention in comprehensive excavation are discussed， providing reference for effective solution of dust prevention in comprehensive excavation of coal mine.
Key Words： Dust hazard; Comprehensive excavation dust prevention; Pneumoconiosis; Coal mine
1 广义粉尘的理解
国际标准化组织将粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘，乏指飘尘、降尘、总悬浮微粒。其中：飘尘系指大气中粒径小于10μm的固体微粒，它能较长期漂浮空气中，又称浮游粉尘或可吸入颗粒物（英文缩写PM10）;降尘系指大气中粒径大于10μm的固体微粒，在重力作用下较快沉降到地面;总悬浮微粒系指大气中粒径小于100μm的所有固体微粒，也称总悬浮颗粒物（英文缩写为TSP）。
工业粉尘是指生产过程产生后，能在气体中分散悬浮一定时间的微细固体粒子，细至1/10μm到数百微米。其中煤矿粉尘是指井上下作业过程中产生，并能在空气中分散悬浮一定时间的微细固体粒子，按其粒径及运移状态分为落尘（大于75μm）和浮尘（小于75μm）。
2 煤矿粉尘及规律
2.1 浮尘分类及运移状态
落塵可以较快沉降下落，其危害小、易防治。但浮尘会随空气运动运移、沉降缓慢，危害大、难防治。浮尘又可以理解为飘尘和可转化悬尘的混合，其中粒径小于10μm的浮尘统称飘尘，能较长时间漂浮在空气中，亦称浮游尘或呼吸性粉尘;粒径大于10μm的浮尘统称可转化悬尘，其存在状态随风速变化可相互转化（悬尘积尘），在低风速环境中运移一定距离后沉降为积尘，在高风速环境中运移更远距离、缓慢沉降成为积尘，当积尘受到冲击、震动或瞬时风速提高又与飘尘混合成为浮尘在空气中漂浮运移。
2.2 呼吸性粉尘危害
呼吸性粉尘理论上是指直径在7.07μm以下的飘尘，它能沉积于肺泡，对人体危害很大;理想的理解为粒径在5μm以下，能进入人体肺泡区的颗粒物，是引起尘肺的病因。一般认为粒径在10μm以下的显微粉尘和超显微粉尘可进入呼吸道深部，沉积在下呼吸道，长时间积累会破坏肺部细胞，不可治愈，危害生命。
2.3 影响粉尘的因素及关系
煤矿产尘因素很多，可分为内在因素、作业工艺、外部条件。内在因素是原生煤层含水量大小和构造裂隙是否导水，是客观条件，含水大及构造裂隙导水的煤层产尘小，反之产尘大。作业工艺是影响产尘大小的重要因素，机械作业大于人工，机采高于炮采，综掘高于炮掘。相同工艺，卡他度（风速、温度、湿度）是影响粉尘存在状态、时间、范围的重要因素，其中温度影响很小，空气湿度、风速大小是最重要的外在环境因素，湿度大利于浮尘沉降、缩短存在时间和运移范围，风速大小影响粉尘的存在状态、时间、范围要复杂得多。 表1是国内某研究单位提供的几个代表性煤种试验成果，可供借鉴。它研究了同赋存条件、不同开采条件的煤样，进行孔隙参数分析、含水率调整性试验、不同水分含量状态下的产尘能力测定、煤的饱和水分含量、最佳水分含量试验等，揭示了煤的水分含量与产尘能力的关系，为煤层产尘量的预测及煤矿注水防尘深入研究奠定理论和实践基础。
2.3.1 影响产尘能力的因素
水分含量。煤在外力作用下产生微细粉尘的能力与煤的本身性质有关，同时还与煤的水分含量及赋存条件等因素有关。根据煤样的水分含量与产尘能力的对应试验结果，分别在坐标轴上作出各点分布图， 同时用数学分析方法计算出各煤样的水分含量与产尘能力的关系式， 并由此回归方程作出各煤样的水分含量与产尘能力的关系曲线。众所周知煤炭的产尘能力都是随着煤的水分含量的增大而降低，水分含量与产尘能力的关系呈线性负相关关系，因此，对于变质程度和赋存条件一定的煤层而言，煤的产尘能力主要取决于煤的水分含量，煤的产尘能力越小，表明开掘时的粉尘产生量也就越小。
煤的变质程度。从表1中可以看出，焦煤煤层的产尘能力最大，肥煤煤层的产尘能力较大，无烟煤次之，气煤煤层的产尘能力最小。从总的趋势来看，煤的变质程度愈高，其产尘能力愈大，变质程度越低的煤，其产尘能力就越小。
2.3.2 煤的孔隙率对吸水的影响
研究表明，煤层的全孔隙率、小于80的微孔隙率低，其达到饱和含水率的时间短;煤层的全孔隙率增高、小于80的微孔隙率增大，则它的饱和含水量更高，达到饱和含水率的时间更长。
2.3.3 煤的最佳水分含量
根据前述水分含量与产尘能力关系的数学分析表明，水分含量愈大，产尘能力就会愈小。根据实验研究表明，每一煤层均存在一个饱和水分含量，一旦煤的水分达到这一指标时，煤样不再吸水，则煤层的饱和含水量是由本身性质决定的。所以煤的饱和水分含量即为煤的最佳水分含量指标，而此时煤的产尘能力最小。
2.4 粉尘与配风关系
落尘粒径大、配风影响较小。一般是被抛掷和自身重力作用下在产尘点及附近较短距离（一般≯2～5m）沉降落地，当风速提高、被抛掷和运移距离稍远而已，常规开掘作业空间的风速（配风）对它影响较小。
浮尘粒径小、配风影响复杂。粒径0～10μm范围的飘尘能较长期地在空气中漂浮，它的危害最大，风速大小对它影响较小。粒径介于10μm～75μm的转化悬尘，配风对其影响关系十分密切，是研究配风影响粉尘大小的重点。一般情况下，风速增大至1.5～2m/s时，作业地点的粉尘浓度将降到较低值，风速再增高时，将扬起可沉降粉尘，使风流中的粉尘浓度增高，风速越大，全尘浓度降低越慢，甚至使沉积的粉尘飞扬。
2.5 机械凿掘是产尘最多的作业源点
综采综掘凿掘煤岩时，切割原理都是切割部件的旋转+推移的组合运动，旋转主要发生摩擦破碎作用，推移主要发生碰撞与凿煤岩的破碎作用，组合为与煤岩发生摩擦震动碰撞破碎的凿割煤岩过程，煤岩体被破碎必然产生和排出大量粉尘（落尘+浮尘），所以综采综掘成为煤矿产尘最多的作业源点是必然规律。
2.6 全尘和呼尘在综采综掘面中的分布规律
全尘浓度随产尘点距离的增加而变化，曲线表现为先增、后降、渐进稳定的过程。破坏煤岩体为固体颗粒物的惯性作用，在空气运动推动下，本应快速沉降的部分颗粒被扬起、扩散、运移，在短距离内大颗粒粉尘在重力和阻力的作用下，随风移动、不断地沉降，当大部分大颗粒粉尘沉降后，达到一定距离后巷道空气中的粉尘浓度趋于稳定。科研机构现场测试表明，粉尘浓度在巷道中距产尘点30～40m后趋于稳定，全尘浓度基本保持不变，说明在此段粉尘基本扩散均匀。
3 综掘防尘重点工作线路与方向
推行煤层注水，增加煤体含水率，治本防尘。理论和实践证明开掘前预先湿润煤体是降低粉尘产生量的最有效方法，是煤矿防尘的最根本、最主要的治本措施，煤体湿润效果又主要反映在煤的润湿程度上，即通过煤层注水提高煤的水分含量，达到降低煤的产尘能力之目的。但当前存在的较为普遍问题，一是综掘防尘还无较好的系统性解决方法，煤体预先注水更未得到重视和普遍推广;二是矿井对煤层注水多停留在综采工作面，且针对性的深化研究与工艺改进没有明显进步。因此，笔者认为，防尘管理方面需从本源角度思考，从设计到施工组织上，把预先煤层注水纳入开掘前的一道必需作业工序;技术工艺方面，各矿应用本文前述理论基础，针对性开展各煤层孔隙参数、含水率、产尘能力、最佳水分含量等方面试验与研究，寻求同煤层同赋存条件下综采综掘煤层注水最佳效果的成套工艺及参数。
落实凿煤岩始點湿式作业、转载和运输中的捕捉粉尘工作。坚持正常发挥掘进机内外喷雾作用，这是捕捉粉尘的最重要工序;其次是坚持转载点、运输过程喷雾，可大幅不减少和防止二次产尘。
喷雾降尘，净化空气。有序并制度化安装使用维护好压风引射喷雾装置。
提高通风除尘技术装备与管理水平，净化作业环境。不断探索研究进行工作面个性化设计、逐步完善应用湿式除尘风机，寻求“长压短抽”通风除尘工艺技术的最佳技术参数与压抽风量最佳配比关系，使轴/径向出风匹配，形成向前推进的最佳控尘风流，将含尘气流控制在工作面前部2～5m范围内。强化个体防护，严格管理。强制性、制度化、常态化推行新式个体防尘装置。
参考文献
[1] 程洪飞，孔凡贵，刘恩民，等.综掘工艺在三软、大倾角、冲击地压煤层中应用[J].煤炭技术， 2020，39（9）：51-52.
[2] 徐新华.综掘煤巷煤层注水防尘技术研究[J].山东煤炭科技，2020（7）：77-80.
[3] 王飞.矿井综掘面粉尘空间分布规律及降尘技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2020.
[4] 徐恒恒.新桥矿憎水煤层注水降尘关键技术与应用[D].徐州：中国矿业大学，2019.
[5] 王伟.煤矿井下综采面的胶结充填综掘技术分析[J].现代矿业，2020，36（3）：221-222.
[6] 王利京.低渗透疏水性煤层综掘工作面综合防尘技术研究[J].中国煤炭，2018，44（7）：106-109，130.
关键词：粉尘危害 综掘防尘 尘肺病 煤矿
中图分类号：TD714 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）01（b）-0028-03
Discussion on Dust Prevention in Fully Mechanized Coal Mining Face
YANG Cheng WEI Guobin YANG Yuanxun HU Lei
（Xinwei Coal Mine， Furong Company，Sichuan Coal Group， Junlian County， Yibin， Sichuan Province， 644000 China）
Abstract： With the popularization of mechanized mining in coal mine， the comprehensive excavation and digging of coal and rock has become a serious dust disaster point in coal mine， but there is no systematic solution for dust prevention of comprehensive excavation， which leads to the health of comprehensive excavation workers greatly affected by dust， so it is urgent to adopt systematic measures to solve the problem effectively. In this paper， on the basis of comprehensive analysis of dust transport state of each particle size， dust production factors of fully mechanized coal body and dust migration environment of coal mine， the key work route and direction of dust prevention in comprehensive excavation are discussed， providing reference for effective solution of dust prevention in comprehensive excavation of coal mine.
Key Words： Dust hazard; Comprehensive excavation dust prevention; Pneumoconiosis; Coal mine
1 广义粉尘的理解
国际标准化组织将粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘，乏指飘尘、降尘、总悬浮微粒。其中：飘尘系指大气中粒径小于10μm的固体微粒，它能较长期漂浮空气中，又称浮游粉尘或可吸入颗粒物（英文缩写PM10）;降尘系指大气中粒径大于10μm的固体微粒，在重力作用下较快沉降到地面;总悬浮微粒系指大气中粒径小于100μm的所有固体微粒，也称总悬浮颗粒物（英文缩写为TSP）。
工业粉尘是指生产过程产生后，能在气体中分散悬浮一定时间的微细固体粒子，细至1/10μm到数百微米。其中煤矿粉尘是指井上下作业过程中产生，并能在空气中分散悬浮一定时间的微细固体粒子，按其粒径及运移状态分为落尘（大于75μm）和浮尘（小于75μm）。
2 煤矿粉尘及规律
2.1 浮尘分类及运移状态
落塵可以较快沉降下落，其危害小、易防治。但浮尘会随空气运动运移、沉降缓慢，危害大、难防治。浮尘又可以理解为飘尘和可转化悬尘的混合，其中粒径小于10μm的浮尘统称飘尘，能较长时间漂浮在空气中，亦称浮游尘或呼吸性粉尘;粒径大于10μm的浮尘统称可转化悬尘，其存在状态随风速变化可相互转化（悬尘积尘），在低风速环境中运移一定距离后沉降为积尘，在高风速环境中运移更远距离、缓慢沉降成为积尘，当积尘受到冲击、震动或瞬时风速提高又与飘尘混合成为浮尘在空气中漂浮运移。
2.2 呼吸性粉尘危害
呼吸性粉尘理论上是指直径在7.07μm以下的飘尘，它能沉积于肺泡，对人体危害很大;理想的理解为粒径在5μm以下，能进入人体肺泡区的颗粒物，是引起尘肺的病因。一般认为粒径在10μm以下的显微粉尘和超显微粉尘可进入呼吸道深部，沉积在下呼吸道，长时间积累会破坏肺部细胞，不可治愈，危害生命。
2.3 影响粉尘的因素及关系
煤矿产尘因素很多，可分为内在因素、作业工艺、外部条件。内在因素是原生煤层含水量大小和构造裂隙是否导水，是客观条件，含水大及构造裂隙导水的煤层产尘小，反之产尘大。作业工艺是影响产尘大小的重要因素，机械作业大于人工，机采高于炮采，综掘高于炮掘。相同工艺，卡他度（风速、温度、湿度）是影响粉尘存在状态、时间、范围的重要因素，其中温度影响很小，空气湿度、风速大小是最重要的外在环境因素，湿度大利于浮尘沉降、缩短存在时间和运移范围，风速大小影响粉尘的存在状态、时间、范围要复杂得多。 表1是国内某研究单位提供的几个代表性煤种试验成果，可供借鉴。它研究了同赋存条件、不同开采条件的煤样，进行孔隙参数分析、含水率调整性试验、不同水分含量状态下的产尘能力测定、煤的饱和水分含量、最佳水分含量试验等，揭示了煤的水分含量与产尘能力的关系，为煤层产尘量的预测及煤矿注水防尘深入研究奠定理论和实践基础。
2.3.1 影响产尘能力的因素
水分含量。煤在外力作用下产生微细粉尘的能力与煤的本身性质有关，同时还与煤的水分含量及赋存条件等因素有关。根据煤样的水分含量与产尘能力的对应试验结果，分别在坐标轴上作出各点分布图， 同时用数学分析方法计算出各煤样的水分含量与产尘能力的关系式， 并由此回归方程作出各煤样的水分含量与产尘能力的关系曲线。众所周知煤炭的产尘能力都是随着煤的水分含量的增大而降低，水分含量与产尘能力的关系呈线性负相关关系，因此，对于变质程度和赋存条件一定的煤层而言，煤的产尘能力主要取决于煤的水分含量，煤的产尘能力越小，表明开掘时的粉尘产生量也就越小。
煤的变质程度。从表1中可以看出，焦煤煤层的产尘能力最大，肥煤煤层的产尘能力较大，无烟煤次之，气煤煤层的产尘能力最小。从总的趋势来看，煤的变质程度愈高，其产尘能力愈大，变质程度越低的煤，其产尘能力就越小。
2.3.2 煤的孔隙率对吸水的影响
研究表明，煤层的全孔隙率、小于80的微孔隙率低，其达到饱和含水率的时间短;煤层的全孔隙率增高、小于80的微孔隙率增大，则它的饱和含水量更高，达到饱和含水率的时间更长。
2.3.3 煤的最佳水分含量
根据前述水分含量与产尘能力关系的数学分析表明，水分含量愈大，产尘能力就会愈小。根据实验研究表明，每一煤层均存在一个饱和水分含量，一旦煤的水分达到这一指标时，煤样不再吸水，则煤层的饱和含水量是由本身性质决定的。所以煤的饱和水分含量即为煤的最佳水分含量指标，而此时煤的产尘能力最小。
2.4 粉尘与配风关系
落尘粒径大、配风影响较小。一般是被抛掷和自身重力作用下在产尘点及附近较短距离（一般≯2～5m）沉降落地，当风速提高、被抛掷和运移距离稍远而已，常规开掘作业空间的风速（配风）对它影响较小。
浮尘粒径小、配风影响复杂。粒径0～10μm范围的飘尘能较长期地在空气中漂浮，它的危害最大，风速大小对它影响较小。粒径介于10μm～75μm的转化悬尘，配风对其影响关系十分密切，是研究配风影响粉尘大小的重点。一般情况下，风速增大至1.5～2m/s时，作业地点的粉尘浓度将降到较低值，风速再增高时，将扬起可沉降粉尘，使风流中的粉尘浓度增高，风速越大，全尘浓度降低越慢，甚至使沉积的粉尘飞扬。
2.5 机械凿掘是产尘最多的作业源点
综采综掘凿掘煤岩时，切割原理都是切割部件的旋转+推移的组合运动，旋转主要发生摩擦破碎作用，推移主要发生碰撞与凿煤岩的破碎作用，组合为与煤岩发生摩擦震动碰撞破碎的凿割煤岩过程，煤岩体被破碎必然产生和排出大量粉尘（落尘+浮尘），所以综采综掘成为煤矿产尘最多的作业源点是必然规律。
2.6 全尘和呼尘在综采综掘面中的分布规律
全尘浓度随产尘点距离的增加而变化，曲线表现为先增、后降、渐进稳定的过程。破坏煤岩体为固体颗粒物的惯性作用，在空气运动推动下，本应快速沉降的部分颗粒被扬起、扩散、运移，在短距离内大颗粒粉尘在重力和阻力的作用下，随风移动、不断地沉降，当大部分大颗粒粉尘沉降后，达到一定距离后巷道空气中的粉尘浓度趋于稳定。科研机构现场测试表明，粉尘浓度在巷道中距产尘点30～40m后趋于稳定，全尘浓度基本保持不变，说明在此段粉尘基本扩散均匀。
3 综掘防尘重点工作线路与方向
推行煤层注水，增加煤体含水率，治本防尘。理论和实践证明开掘前预先湿润煤体是降低粉尘产生量的最有效方法，是煤矿防尘的最根本、最主要的治本措施，煤体湿润效果又主要反映在煤的润湿程度上，即通过煤层注水提高煤的水分含量，达到降低煤的产尘能力之目的。但当前存在的较为普遍问题，一是综掘防尘还无较好的系统性解决方法，煤体预先注水更未得到重视和普遍推广;二是矿井对煤层注水多停留在综采工作面，且针对性的深化研究与工艺改进没有明显进步。因此，笔者认为，防尘管理方面需从本源角度思考，从设计到施工组织上，把预先煤层注水纳入开掘前的一道必需作业工序;技术工艺方面，各矿应用本文前述理论基础，针对性开展各煤层孔隙参数、含水率、产尘能力、最佳水分含量等方面试验与研究，寻求同煤层同赋存条件下综采综掘煤层注水最佳效果的成套工艺及参数。
落实凿煤岩始點湿式作业、转载和运输中的捕捉粉尘工作。坚持正常发挥掘进机内外喷雾作用，这是捕捉粉尘的最重要工序;其次是坚持转载点、运输过程喷雾，可大幅不减少和防止二次产尘。
喷雾降尘，净化空气。有序并制度化安装使用维护好压风引射喷雾装置。
提高通风除尘技术装备与管理水平，净化作业环境。不断探索研究进行工作面个性化设计、逐步完善应用湿式除尘风机，寻求“长压短抽”通风除尘工艺技术的最佳技术参数与压抽风量最佳配比关系，使轴/径向出风匹配，形成向前推进的最佳控尘风流，将含尘气流控制在工作面前部2～5m范围内。强化个体防护，严格管理。强制性、制度化、常态化推行新式个体防尘装置。
参考文献
[1] 程洪飞，孔凡贵，刘恩民，等.综掘工艺在三软、大倾角、冲击地压煤层中应用[J].煤炭技术， 2020，39（9）：51-52.
[2] 徐新华.综掘煤巷煤层注水防尘技术研究[J].山东煤炭科技，2020（7）：77-80.
[3] 王飞.矿井综掘面粉尘空间分布规律及降尘技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2020.
[4] 徐恒恒.新桥矿憎水煤层注水降尘关键技术与应用[D].徐州：中国矿业大学，2019.
[5] 王伟.煤矿井下综采面的胶结充填综掘技术分析[J].现代矿业，2020，36（3）：221-222.
[6] 王利京.低渗透疏水性煤层综掘工作面综合防尘技术研究[J].中国煤炭，2018，44（7）：106-109，130.