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第1章緒論

礦業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)，但礦井建設及生產(chǎn)過程產(chǎn)生的礦塵對礦山從業(yè)人員的健康和生命安全造成嚴重危害及威脅。為防治礦塵災害，實現(xiàn)礦業(yè)安全健康發(fā)展，國內(nèi)外科技工作者進行了長期而卓有成效的研究，不斷推出礦塵防治的研究成果，使礦塵防治的理論和技術得到不斷完善和成熟，形成了一套較完整的反映礦塵產(chǎn)生、危害及其防治的科學與技術體系，作者對此進行了系統(tǒng)總結(jié)與概括，編寫了本書，以進一步推動礦塵防治的科技進步。本章簡要介紹礦塵的危害、礦塵防治技術的發(fā)展及本書的主要內(nèi)容與特色。

1.1礦塵的危害

礦塵是礦山開采中的最主要職業(yè)危害與自然災害之一。礦塵的危害主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，礦山工人長期吸入高濃度的呼吸性粉塵，可導致其肺部組織發(fā)生不可治愈性的纖維性病變(即塵肺病)，使其終生痛苦不堪，甚至因塵肺病而喪失生命；另一方面，具有爆炸危險性的煤塵在一定條件下可發(fā)生煤塵爆炸，造成重大人員傷亡。塵肺病和煤塵爆炸造成的經(jīng)濟損失都是十分巨大的，并帶來極其不良的社會影響。

1.1.1塵肺病1. 人類認識塵肺的過程1866年，德國學者曾克爾(Zenker)首先提出了"塵肺"這一名詞，用以概括因吸入粉塵所致的肺部疾病［1］，從而使塵肺作為一種獨立疾病列入了肺疾病的分類之中。1896年，德國物理學家威廉 康拉德 倫琴發(fā)明了X光機，為識別塵肺病提供了手段。1930年，在南非約翰內(nèi)斯堡召開的及時屆國際塵肺會議上，將塵肺定義為"吸入游離SiO2所致的肺部疾病狀態(tài)"［2］，以后認識到其他粉塵亦能引起塵肺病，塵肺病被定義為"吸入粉塵而發(fā)生的以肺組織纖維化為主的疾病"。

2. 礦山塵肺病現(xiàn)狀

塵肺病是礦山最主要、最嚴重的職業(yè)病。與安全生產(chǎn)事故相比，塵肺病更具普遍性，廣泛存在于世界各主要產(chǎn)煤國。例如，美國井工煤礦工齡在25年以上的工人的塵肺病檢出率高達8%，1970～2004年因塵肺病死亡69 337人，遠多于同時期煤礦事故死亡人數(shù)總和；此外，1980～2005年因塵肺病造成直接經(jīng)濟損失超過390億美元［3］。英國煤礦1996～2011年新增塵肺病7800例，1993～2010年因塵肺病死亡3741人，即平均每年有約208人死于塵肺?。?］，而該國1993年以來每年因煤礦事故死亡的人數(shù)一直在20人以內(nèi)［5］。

我國是世界上接觸粉塵和患塵肺患者數(shù)最多的國家［6］，接塵工人超過2000萬人［7］，據(jù)衛(wèi)生部通報數(shù)據(jù)，截至2012年年底，全國累計報告塵肺病727 148例，死亡149 110例，其中2012年共報告塵肺病新病例24 206例，占2012年職業(yè)病報告總例數(shù)的88.28%；2013年共報告塵肺病新病例23 152例。與其他行業(yè)比較，煤炭行業(yè)的塵肺病問題最為嚴重，全國煤礦有數(shù)百萬名接塵礦工，患塵肺患者數(shù)占全國塵肺病患者總?cè)藬?shù)的50%左右［8］。當前，我國煤礦每年因塵肺病死亡人數(shù)已超過各類事故死亡人數(shù)的總和，如2012年煤礦事故死亡人數(shù)已控制在1400人以下，但塵肺病死亡人數(shù)則高達1800人，塵肺病防治形勢日趨嚴峻［9］。

1.1.2煤塵爆炸1. 人類認識煤塵爆炸的過程1803年，英國沃爾德遜煤礦發(fā)生的一起煤塵爆炸事故，是世界上有記載的及時起煤塵爆炸事故。1880年，英國化學家弗雷德里克 亞伯(Frederick Abel)對英國錫厄姆(Seaham)發(fā)生一起導致164人死亡的爆炸事故進行調(diào)查，對煤塵的爆炸性進行了試驗并確認了煤塵的爆炸性。1906年，在法國考瑞爾斯礦(Courriers mine)發(fā)生了一起煤塵爆炸事故，導致1096人死亡，這次事故震驚了全世界，自此各國加快了研究煤塵爆炸防治理論與技術的步伐［10，11］。

2. 煤塵爆炸的災難性

煤塵爆炸是煤礦中致災性最嚴重的災害。與瓦斯爆炸相比，煤塵爆炸的強度和致災范圍更大、破壞性更強，造成的災難更為嚴重。在世界煤炭開采史上，死亡人數(shù)最多的礦難幾乎都是煤塵或瓦斯煤塵爆炸事故。如表1.1所列，世界上有記載的18起死亡300人以上煤礦特大事故中，16起為煤塵爆炸或瓦斯煤塵爆炸事故［12］，事故起數(shù)占88.9%，死亡人數(shù)占91.6%。

表1.1世界煤礦死亡300人以上的特大事故

我國的煤塵爆炸災害十分嚴重，國有重點煤礦中有532處煤礦的煤塵具有爆炸危險性，占87.37%，具有煤塵強爆炸性的煤礦占60%以上［13］。1949～2013年全國煤礦發(fā)生死亡百人以上特大事故25起［14］，死亡3953人，其中14起為煤塵爆炸事故或瓦斯煤塵爆炸事故，死亡2359人，事故起數(shù)占56%，死亡人數(shù)占59.7%，見表1.2。

表1.2全國煤礦死亡百人以上的特大事故(1949～2013年)

1.2礦塵防治技術的發(fā)展

1.2.1世界礦塵防治技術的發(fā)展

自1803年英國發(fā)生有史記載的最早一起煤塵爆炸事故和1866年德國學者提出"塵肺"概念以來，世界各采礦國家為防治礦塵災害進行了艱苦卓絕的探索，經(jīng)過上百年的發(fā)展，國際上已經(jīng)形成了涵蓋煤層注水減塵、通風除塵、噴霧降塵、泡沫降塵、個體防塵、阻隔爆技術、礦塵檢測與監(jiān)測等技術的綜合防塵技術體系。

1. 煤層注水減塵

20世紀40年代，蘇聯(lián)為解決由于機械化采煤中的粉塵問題，首次開展了煤層注水減塵的試驗并取得較顯著效果，煤層注水技術被列入了煤礦作業(yè)規(guī)程［15］。德國于1943年在魯爾區(qū)開始短鉆孔注水試驗，1948年在該煤田所有礦井推廣。自20世紀50年代起，波蘭、英國、比利時和美國等主要產(chǎn)煤國都開展了煤層注水試驗研究與推廣［16］，煤層注水成為采煤工作面的一項基本防塵措施。為提高煤層注水的減塵效果，蘇聯(lián)研制出能自動調(diào)節(jié)注水參數(shù)的注水泵［17］，德國研制出注水恒定流量控制閥和動壓多孔注水控制技術，美國礦業(yè)局研制出一種高效和低成本的注水鉆孔封孔器 ［18，19］。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，煤層注水現(xiàn)已成為世界上采煤國家適宜注水煤層廣泛采用的一項成熟技術。

2. 通風除塵

通風除塵包括通風排塵、通風控塵與除塵器除塵。通風排塵是礦井通風最基本的任務之一。德國人格奧爾格 阿格里科拉(Georgius Agricola)在1556年完成及時部涉及采礦的著作De Re Metallica(《礦冶全書》)中，首次對通風排塵作用進行了描述［20］，以后經(jīng)過不斷發(fā)展，形成了較完善的礦井通風理論。自20世紀50年代起，除塵器開始在煤礦獲得應用，主要用于當通風排塵不能滿足要求的地點。除塵器除塵包括干式除塵器和濕式除塵器［21～23］。濕式除塵器分為濕式過濾、濕式洗滌以及濕式旋流除塵器，70年代中期，英國、美國分別研制出在連采機上使用的小型濕式過濾除塵器，因其體積小、能耗低、運行，對呼吸性粉塵除塵效率高，后成為煤礦中使用最為普遍的除塵設備［24］。干式除塵器分為重力、旋風以及袋式除塵器，其中重力除塵器與旋風除塵器用于多級除塵的預處理，干式除塵器以袋式除塵器為主要代表，可用于大型掘進巷道的除塵，目前在礦井應用較少。通風控塵是配合通風排塵和除塵器使用的控風設施，包括附壁風筒、風幕和擋塵簾等。附壁風筒是在60年代由德國學者克 雷內(nèi)爾提出的一種利用對流附壁效應的風筒，用于改變掘進面的風流狀態(tài)，現(xiàn)主要與除塵器配合使用，以保障含塵風流能有效進入到除塵器中［25，26］。

3. 噴霧降塵與泡沫降塵

人類對噴霧捕塵的認識始于雨滴洗滌大氣中的塵埃。早在1911～1925年，英國、美國等國家開始利用噴霧、灑水等措施進行降塵［27］。20世紀30～40年代中期，霧化方式以直射霧化為主，50年代后，離心霧化、旋轉(zhuǎn)霧化、撞擊霧化等方式開始出現(xiàn)。噴霧降塵的作用主要是通過對水的霧化，利用霧滴捕塵，但效率不高，美國礦業(yè)局測定的結(jié)果為20%～60%，平均降塵率為30%。70年代，各國大力研究高壓水射流輔助截割技術，美國礦業(yè)局匹茨堡研究中心在研究中發(fā)現(xiàn)，當工作水壓達到12.7MPa時，可以顯著降低割煤時的呼吸性粉塵產(chǎn)生量，此后蘇聯(lián)、德國、英國、澳大利亞等國也陸續(xù)開始了高壓噴霧降塵技術的研究［28］。70年代，美國提出了內(nèi)噴霧技術，最初是為預防采掘機械產(chǎn)生摩擦火花，防止瓦斯燃燒與爆炸，隨后研究表明內(nèi)噴霧能在煤塵未進入空氣中之前將其潤濕，可避免大量浮塵的產(chǎn)生，顯著降低采煤工作面的粉塵濃度。由于密封和堵塞問題難以解決，直到90年代初，美國才開始強制使用內(nèi)噴霧系統(tǒng)［29］，目前內(nèi)噴霧技術在世界范圍內(nèi)受到廣泛關注，被認為是能夠大幅降低呼吸性粉塵的濃度的關鍵技術。

為提高降塵率，20世紀40年代后期，英國行礦山泡沫降塵的研究，之后蘇聯(lián)、匈牙利、美國、比利時、德國、日本圍繞井下采掘主要產(chǎn)塵地點的泡沫降塵技術進行了研究，在應用中也取得了高效降塵的效果，但因面臨泡沫制備技術復雜和運行成本高的問題，導致泡沫降塵技術的發(fā)展和應用受到制約。

4. 個體防塵

礦井的一些重點產(chǎn)塵環(huán)節(jié)，盡管采取了防塵措施，但也難以使粉塵濃度達到衛(wèi)生標準，有時還嚴重超標，所以，個體防護是綜合防塵工作中的一個關口。20世紀初期，歐洲的一些工業(yè)化程度較高的國家為了保障工人的身體健康，率先采用海綿防塵口罩作為個體防塵護具； 50年代，歐洲、美國開始采用紗布口罩作為自吸過濾式的防塵護具，但是紗布口罩只能過濾5μm以上的顆粒；70年代后期，美國研究出一種直徑5μm以下的氣流噴射法紡的超細纖維，近年來又研制出熔噴布的纖維，以聚丙烯為主要原料，纖維直徑可達0.5～0.1μm，成為個體防護裝備主要的過濾材料。美國、法國等在80年代研發(fā)出電動送風正壓防塵口罩和電動送風防塵頭盔，克服了自吸過濾式呼吸阻力偏高的缺點，緩解了阻塵率與呼吸阻力之間的矛盾，但也存在造價高和較笨重的不足。

5. 阻隔爆技術

1910年，法國人塔法內(nèi)爾(Taffanel)設計出了世界上及時個以擱板式粉塵隔爆棚［30］。此后，德國又提出了水槽棚的隔爆措施，至今這兩種方式仍為煤礦阻隔爆的必備手段?，F(xiàn)在使用最廣泛的隔爆棚是波蘭提出的擱板式巖粉隔爆棚和德國提出的水槽棚。為解決擱板式巖粉防潮濕的難題，南非提出了吊掛式巖粉隔爆袋。世界各國還廣泛采用在煤礦井下開采具有煤塵爆炸危險性的地點撒布巖粉作為預防煤塵爆炸的措施，也是防止事故擴大的有效方法。近年來，南非、波蘭、澳大利亞等發(fā)達采礦國家已研制出主動(自動)抑爆裝置，并在一定范圍內(nèi)進行了試驗應用。隨著科技的不斷進步，自動抑爆裝置將會得到更多應用。

6. 礦塵檢測與監(jiān)測

20世紀中葉，英國醫(yī)學研究委員會(BMRC)和美國原子能委員會(AEC)分別提出了粉塵采樣標準曲線，并于1959年在南非國際塵肺會議上得到承認。該會議期間同時確定了以計重法表示粉塵濃度。此后，礦塵濃度檢測與監(jiān)測儀器即依據(jù)上述粉塵采樣標準曲線進行研制和校驗。礦塵濃度監(jiān)測儀器經(jīng)歷了由單純采樣向采樣兼實時測定等功能的發(fā)展，其采樣方式經(jīng)歷了由短時到長時、單點到多點、個體采樣與定點采樣相結(jié)合的轉(zhuǎn)變。目前國內(nèi)外礦山企業(yè)使用較多的礦塵濃度監(jiān)測儀器為個體采樣器和基于光散射和β射線吸收等原理的礦塵直讀儀以及礦塵濃度傳感器。礦塵中游離SiO2含量檢測技術經(jīng)歷了由化學方法(焦磷酸重量法)向物理方法(X射線衍射法和紅外分光光度法)的轉(zhuǎn)變。國際常用的礦塵分散度檢測技術有安德遜移液管法、濾膜溶解涂片法和激光粒度分析法等。

1.2.2我國礦塵防治技術的發(fā)展

新中國成立以來，我國在礦塵防治技術方面進行了長期而艱辛的探索與實踐，經(jīng)歷了一個從無到有、從單一手段到綜合防塵、從常規(guī)手段到新興技術不斷涌現(xiàn)的發(fā)展過程。

新中國成立初期，我國煤礦井下基本沒有防塵措施，普遍采用干式作業(yè)，作業(yè)場所巖塵濃度平均高達120～180mg/m3、煤塵濃度平均高達400～1000mg/m3［31］，粉塵危害逐步顯現(xiàn)出來，引起了黨和國家的高度重視。1956年，國務院了《關于防止廠、礦企業(yè)中矽塵危害的決定》，明確規(guī)定：礦山應采用濕式鑿巖和機械通風；廠礦企業(yè)工作地點，游離SiO2含量超過10%的粉塵，濃度必須降到2mg/m3以下［32］。1956～1957年，煤炭部撫順科學研究院在本溪彩屯礦進行了國內(nèi)及時次長鉆孔煤層注水的試驗［33］。從1958年起，國有重點煤礦絕大多數(shù)全巖及半煤巖掘進工作面實現(xiàn)了