通風(fēng)瓦檢工培訓(xùn)— 綜合防塵.ppt

通風(fēng)瓦檢工培訓(xùn) 綜合防塵 本章概況 第一節(jié) 礦塵的分類及危害第二節(jié) 礦塵的性質(zhì)第三節(jié) 礦山塵肺病第四節(jié) 煤塵爆炸及其預(yù)防第五節(jié) 礦山綜合防塵第六節(jié) 礦塵測(cè)量第七節(jié) 事故案例分析 第一節(jié)礦塵的分類及其危害 一 礦塵的基本概念在礦井生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的各種巖礦微粒統(tǒng)稱礦塵 也叫粉塵 飛揚(yáng)在空氣中的礦塵稱為浮塵 浮塵在空氣中飛揚(yáng)的時(shí)間不僅與塵粒的大小 重量 形狀有關(guān) 還與空氣的濕度 風(fēng)速有密切關(guān)系 對(duì)礦井安全生產(chǎn)與井下工作人員的健康有直接影響的是浮塵 因此 浮塵是礦井防塵的主要對(duì)象 從空氣中沉降下來的礦塵稱為積塵 隨外界條件的改變 浮塵和積塵可以相互轉(zhuǎn)化 積塵是產(chǎn)生礦井連續(xù)爆炸的最大隱患 按對(duì)人體的危害程度將礦塵分為呼吸性粉塵和非呼吸性粉塵 呼吸性粉塵是指能在人體肺泡內(nèi)沉積的 粒徑在5 7 m以下的粉塵 特別是2 m以下的粉塵 呼吸性粉塵和非呼吸性粉塵之和就是全塵 礦井空氣中所含浮塵的數(shù)量叫做礦塵濃度 礦塵濃度的表示方法有兩種 一 質(zhì)量法 1m3空氣中所含浮塵的毫克數(shù) mg m3 二 計(jì)數(shù)法 1cm3空氣中所含浮塵的顆粒數(shù) 粒 cm3 國(guó)內(nèi)外早期都使用計(jì)數(shù)法 后因認(rèn)識(shí)到計(jì)數(shù)法不能很好地反映礦塵的危害性 從20世紀(jì)50年代末起 國(guó)內(nèi)外廣泛開始采用質(zhì)量法來計(jì)量礦塵濃度 礦塵濃度的大小直接影響著礦塵危害的嚴(yán)重程度 是衡量作業(yè)環(huán)境的勞動(dòng)衛(wèi)生狀況和評(píng)價(jià)防塵技術(shù)效果的重要指標(biāo) 因此 規(guī)程 對(duì)井下作業(yè)場(chǎng)所空氣中粉塵濃度的標(biāo)準(zhǔn)做了明確規(guī)定 見表4 1 表4 1煤礦井下作業(yè)場(chǎng)所空氣中粉塵濃度標(biāo)準(zhǔn) 表明礦塵產(chǎn)生狀況的指標(biāo)除礦塵濃度 c 外 還有產(chǎn)塵強(qiáng)度 g 和相對(duì)產(chǎn)塵強(qiáng)度 產(chǎn)塵強(qiáng)度為單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入礦內(nèi)空氣中的礦塵量 mg min 相對(duì)產(chǎn)塵強(qiáng)度為每采掘1噸礦 巖 所產(chǎn)生的礦塵量 mg t 二 礦塵的產(chǎn)生在礦山生產(chǎn)過程中 如采掘機(jī)作業(yè) 鉆眼作業(yè) 炸藥爆破 頂板管理 礦物的裝載及運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生大量的礦塵 而不同礦井由于煤 巖地質(zhì)條件和物理性質(zhì)的不同 采掘方法 作業(yè)方式 通風(fēng)狀況和機(jī)械化程度的不同 礦塵的生成量有很大的差異 即使在同一礦井里 產(chǎn)塵的多少也因地因時(shí)發(fā)生著變化 一般來說 在現(xiàn)有防塵技術(shù)措施的條件下 各生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的浮塵比例大致為 采煤工作面產(chǎn)塵量占45 80 掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵量占20 38 錨噴作業(yè)點(diǎn)產(chǎn)塵量占10 15 運(yùn)輸通風(fēng)巷道產(chǎn)塵量占5 l0 其他作業(yè)點(diǎn)占2 5 各作業(yè)點(diǎn)隨機(jī)械化程度的提高 礦塵的生成量也將增大 因此防塵工作也就更加重要 近年來 隨著礦井開采強(qiáng)度的不斷加大 煤礦井下的采煤 掘進(jìn) 運(yùn)輸?shù)雀黜?xiàng)生產(chǎn)過程中粉塵產(chǎn)生量也急劇增加 特別是呼吸性粉塵濃度呈大幅上升趨勢(shì) 據(jù)調(diào)查 在無防塵措施的情況下 厚煤層綜采放頂煤的產(chǎn)塵濃度4000 8000mg m3 機(jī)采1000 3000mg m3 個(gè)別甚至高達(dá)8000mg m3以上 炮采300 500mg m3 風(fēng)鎬落煤800mg m3左右 機(jī)械化掘進(jìn)煤巷和半煤巖巷時(shí) 粉塵濃度達(dá)1000 3000mg m3 炮掘面1300 1600mg m3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明 井下70 80 的粉塵來自采掘工作面 這是塵肺病發(fā)病率較高的作業(yè)場(chǎng)所 也是發(fā)生煤塵爆炸事故較多的作業(yè)場(chǎng)所 因此 最大限度地降低采掘工作面及其它作業(yè)場(chǎng)所的粉塵濃度 特別是呼吸性粉塵濃度 是保障全礦井下工人的身心健康和礦井安全生產(chǎn)的重要保證 在煤塵防治技術(shù)方面 我國(guó)早在20世紀(jì)50 60年代 就開展了煤層注水防塵 濕式打眼防塵的試驗(yàn)研究工作 在70 80年代以后以注水為主的綜合防塵技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用 在90年代開展了綜合防塵的達(dá)標(biāo)工作 使得煤礦的礦塵防治取得了顯著的成績(jī) 煤塵爆炸事故大幅度減少 矽肺病的防治工作也取得了較大的成績(jī) 一是煤礦職工矽肺發(fā)病率明顯后移 50年代診斷出的病人平均年齡為40 34歲 80年代為50 5歲 二是病人的病情有所減緩 死亡年齡后移 50年代病人的死亡年齡平均為42歲 80年代為61 15歲 但是 由于我國(guó)煤礦礦塵災(zāi)害的治理工作基礎(chǔ)較差 欠賬多 加之發(fā)展不平衡 直至目前我國(guó)對(duì)煤礦粉塵危害的治理仍未根本好轉(zhuǎn) 大多數(shù)煤礦井下作業(yè)場(chǎng)所的粉塵濃度遠(yuǎn)未達(dá)到國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) 即使一些礦井生產(chǎn)條件好的煤礦 其綜采 機(jī)掘工作面的粉塵濃度仍較高 塵肺發(fā)病率仍在逐年大幅度上升 煤塵爆炸事故仍常有發(fā)生 尤其是當(dāng)前日益發(fā)展起來的放頂煤綜采 支架放煤口的瞬時(shí)粉塵濃度有的可高達(dá)每立方米上萬毫克 與世界主要產(chǎn)煤國(guó)家相比 存在著明顯差距 三 礦塵的危害礦塵的主要危害是引起塵肺病和發(fā)生爆炸 此外 所有的粉塵都會(huì)對(duì)眼睛 鼻腔和喉嚨有刺激作用 而且粉塵濃度在很高的情況下 會(huì)導(dǎo)致能見度的降低 這些都對(duì)人員的健康和礦井的安全生產(chǎn)有不利的影響 一 粉塵的職業(yè)危害在煤礦井下粉塵污染的作業(yè)場(chǎng)所工作 工人長(zhǎng)期吸入大量的浮塵后 沉積在肺內(nèi)的粉塵會(huì)使肺組織的細(xì)胞發(fā)生一系列的生理 病理變化 使肺組織逐漸纖維化 當(dāng)纖維化病變發(fā)展到一定程度時(shí) 可導(dǎo)致人體呼吸功能的障礙 這種由煤礦生產(chǎn)性粉塵導(dǎo)致工人肺部發(fā)生纖維化病變的疾病 稱為煤工塵肺 簡(jiǎn)稱塵肺 煤工塵肺可分為矽肺 煤肺和煤矽肺3類 煤工塵肺是一種廣泛而嚴(yán)重的職業(yè)危害 我國(guó)煤炭工業(yè)的粉塵職業(yè)危害十分嚴(yán)重 居各大行業(yè)之首 據(jù)統(tǒng)計(jì) 到2003年底 我國(guó)煤礦塵肺病人數(shù)已累計(jì)達(dá)到58 97萬人 每年新增塵肺病1 2萬人 每年因塵肺死亡人數(shù)2500人左右 二 煤塵爆炸具有爆炸危險(xiǎn)的煤塵達(dá)到一定濃度時(shí) 在引爆熱源的作用下 可以發(fā)生猛烈的爆炸 對(duì)井下作業(yè)人員的人身安全造成嚴(yán)重威脅 并可瞬間摧毀工作面及生產(chǎn)設(shè)備 煤塵爆炸是煤礦生產(chǎn)中的主要災(zāi)害之一 其后果往住極為慘痛 傷亡嚴(yán)重 損失驚人 危害性極大 我國(guó)本溪煤礦1942年發(fā)生了世界歷史上最大的一次煤塵爆炸事故 死亡1549入 傷殘246人 解放后 我國(guó)先后發(fā)生了4起死亡百人以上的純煤塵爆炸事故 總死亡人數(shù)超過千人 僅1976 1980年間 全國(guó)共發(fā)生純煤塵爆炸事故11起 造成嚴(yán)重傷亡 其中徐州礦務(wù)局韓橋礦僅2年多時(shí)間就連續(xù)發(fā)生了2起重大惡性煤塵爆炸事故 第二節(jié)礦塵性質(zhì) 了解礦塵的性質(zhì)是做好防塵工作的基礎(chǔ) 礦塵的性質(zhì)取決于構(gòu)成的成分和存在的狀態(tài) 礦塵與形成它的礦物在性質(zhì)上有很大的差異 這些差異隱藏著巨大的危害 同時(shí)也決定著礦井防塵技術(shù)的選擇 一 礦塵的基礎(chǔ)性質(zhì) 一 礦塵的成分和游離二氧化硅的含量礦巖被粉碎成礦塵后 化學(xué)成分基本上無改變 從安全衛(wèi)生角度考慮 主要了解礦塵中是否含有有毒物質(zhì) 放射性物質(zhì) 燃燒與爆炸性物質(zhì)和游離二氧化硅 以便采取相應(yīng)的預(yù)防措施 游離狀態(tài)的二氧化硅 主要是石英 是許多礦巖的組成成分 如煤礦上常見的頁巖 砂巖 礫巖和石灰?guī)r等中游離sio2的含量通常多在20 50 煤塵中的含量一般不超過5 半煤巖中的含量在20 左右 礦塵中游離sio2的含量是危害人體的決定因素 其含量越高 危害越大 二氧化硅是地殼上最常見的氧化物 是許多種巖石和礦物的重要組成部分 它有兩種存在狀態(tài) 一種是結(jié)合狀態(tài)的二氧化硅 即硅酸鹽礦物 如長(zhǎng)石 k2o al2o3 6sio2 石棉 cao 3mgo 4sio2 高嶺土 al23 2sio2 2h2o 滑石 3mg0 4sio2 h2o 等等 另一種是游離狀態(tài)的二氧化硅 主要是石英 在自然界中分布很廣 粉塵中的游離二氧化硅的含量是引起并促進(jìn)塵肺病及病程發(fā)展的主要因素 含量越高 其危害越大 許多礦巖都含有游離二氧化硅 煤系地層由于沉積環(huán)境不同 巖性不同 其游離二氧化硅含量變化較大 煤層中以煤為主 或者時(shí)也伴有夾石等 從煤種來看 無煙煤的二氧化硅的含量高于煙煤 二 礦塵的粒徑礦塵顆粒大小的尺度稱為粒徑 其單位用 m m 1 m 10 6m 表示 礦塵的形狀很不規(guī)則 不能直接用直徑表示 一般采用有不同定義的 當(dāng)量粒徑 根據(jù)測(cè)定方法與目的確定 表4 2常規(guī)浮塵的粒度范圍 按粒徑大小 礦塵可分為 1 粗塵 粒徑大于40 m 相當(dāng)于一般篩分的最小顆粒 在空氣中極易沉降 2 細(xì)塵 粒徑為10 40 m 肉眼可見 在靜止空氣中做加速沉降 3 微塵 粒徑為0 25 10 m 用光學(xué)顯微鏡可以觀察到 在靜止空氣中做等速沉降 4 超微塵 粒徑小于0 25 m 要用電子顯微鏡才能觀察到 在空氣中做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 礦塵的形狀很不規(guī)則 主要由礦物組成來決定 最簡(jiǎn)單的非球形顆粒大小的定量法是投影面積和當(dāng)量幾何直徑 這是指與實(shí)際粒子有相同投影面積的球體直徑 表4 2給出了一些常規(guī)浮塵的典型粒度范圍 通常來說 在各自粒度范圍內(nèi)的粒子大小呈對(duì)數(shù)正態(tài)曲線分布 小于10 m當(dāng)量直徑的粒子人的肉眼是看不到的 通常有害的呼吸性粉塵也是不可見的 然而 也可確認(rèn)礦井中濃度較大的可見粉塵中也肯定伴隨著大量的呼吸性粉塵 小顆粒呼吸性粉塵的沉降速率很低 實(shí)際上 它可以隨時(shí)懸浮在空氣中 這對(duì)人的健康是極為不利的 三 礦塵的分散度在全部礦塵中各種粒徑的塵粒所占的百分比叫做礦塵的分散度 礦塵分散度有兩種表示方法 1 數(shù)量分散度 指各粒徑區(qū)間塵粒的顆粒數(shù)占總顆粒數(shù)的百分比 式中ni 某粒徑區(qū)間塵粒的顆粒數(shù) 2 質(zhì)量分散度 指各粒徑區(qū)間塵粒的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比式中mi 某粒徑區(qū)間塵粒的質(zhì)量 mg 礦塵分散度是衡量礦塵顆粒大小構(gòu)成的一個(gè)重要指標(biāo) 是研究礦塵性質(zhì)與危害的一個(gè)重要參數(shù) 礦塵總量中微細(xì)顆粒多 所占比例大時(shí) 稱為高分散度礦塵 反之 如果礦塵中粗大顆粒多 所占比例大 就稱作低分散度礦塵 礦塵的分散度越高 危害性越大 同一礦塵組成 用不同方法表示的分散度 在數(shù)值上相差很大 必須說明 礦山多用數(shù)量分散度 礦塵一般劃分為四個(gè)粒徑區(qū)間 小于2 m 2 5 m 5 10 m和大于10 m 礦山實(shí)行濕式作業(yè)情況下 礦塵分散度 數(shù)量 大致是 小于2 m占46 5 60 2 5 m占25 5 35 5 10 m占4 11 5 大于10 m占2 5 7 一般情況下 5 m以下塵粒占90 以上 說明礦塵危害性很大也難于沉降和捕獲 四 礦塵的密度由于粉塵的產(chǎn)生或?qū)嶒?yàn)條件不同 其獲得的密度值亦不相同 因此 一般將粉塵的密度分為真密度和堆積密度 如表4 3所示 一般情況下 粉塵的真密度與組成此種粉塵的物質(zhì)的密度是不同的 通常粉塵的物質(zhì)密度比其真密度大20 50 只有表面光滑而又密實(shí)的粉塵的真密度才與其物質(zhì)密度相同 五 礦塵的濕潤(rùn)性粉塵粒子能否與液體相互附著或附著難易的性質(zhì)稱為粉塵的潤(rùn)濕性或吸濕性 浸潤(rùn)性等 粉塵粒子與液體接觸時(shí) 如果接觸面能擴(kuò)大而相互附著 就是能被潤(rùn)濕 如果接觸面趨于縮小而不能相互附著 則為不能被潤(rùn)濕 粉塵的粒徑 形狀 含水率 表面粗糙度及荷電性等對(duì)潤(rùn)濕性有影響 同類粉塵 球形塵粒比不規(guī)則塵粒潤(rùn)濕性差 塵粒越細(xì)潤(rùn)濕能力越差 液體的表面張力越小 越易被粉塵吸濕 如酒精 煤油等的表面張力小 對(duì)粉塵的潤(rùn)濕比水好 塵粒與水霧粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)易被吸濕 粉塵的吸濕能力還隨著環(huán)境溫度上升而下降 隨氣溫的增加而增加 根據(jù)粉塵的吸濕速度 評(píng)定粉塵的吸濕性時(shí) 可將粉塵對(duì)水的親 憎情況分為四類 見表4 4 六 礦塵的比表面積礦塵的比表面積與粒度成反比 粒度越小 比表面積越大 因而這兩個(gè)指標(biāo)都可以用來衡量礦塵顆粒的大小 煤巖破碎成微細(xì)的塵粒后 首先其比表面積增加 因而化學(xué)活性 溶解性和吸附能力明顯增加 其次更容易懸浮于空氣中 表4 5所示為在靜止空氣中不同粒度的塵粒從1m高處降落到底板所需的時(shí)間 另外 粒度減小容易使其進(jìn)人人體呼吸系統(tǒng) 據(jù)研究 只有5 m以下粒徑的礦塵才能進(jìn)入人的肺內(nèi) 是礦井防塵的重點(diǎn)對(duì)象 七 礦塵的電性質(zhì)礦塵是一種微小粒子 因空氣的電離以及塵粒之間的碰撞 摩擦等作用 使塵粒帶有電荷 可能是正電荷 也可能是負(fù)電荷 帶有相同電荷的塵粒 互相排斥 不易凝聚沉降 帶有相異電荷時(shí) 則相互吸引 加速沉降 因此有效利用礦塵的這種荷電性 也是降低礦塵濃度 減少礦塵危害的方法之一 八 礦塵的爆炸性煤塵和有些礦塵 如硫化礦塵 在空氣中達(dá)到一定濃度并在外界高溫?zé)嵩醋饔孟?能發(fā)生爆炸 稱為爆炸性礦塵 礦塵爆炸時(shí)產(chǎn)生高溫 高壓 同時(shí)產(chǎn)生大量有毒有害氣體 對(duì)安全生產(chǎn)有極大的危害 防止煤塵的爆炸是具有煤塵爆炸危險(xiǎn)性礦井的主要安全工作之一 二 礦塵的來源 一 粉碎作業(yè)當(dāng)巖層受到撞擊 磨蝕 碾壓 切割 磨損或爆破時(shí) 就能夠產(chǎn)生礦塵 二 機(jī)械化采礦把巖石從巖層中分離出來的機(jī)器 是礦塵的重要來源 如長(zhǎng)壁開采中的裝載機(jī) 采煤機(jī) 巷道掘進(jìn)機(jī)和鑿巖機(jī)等 三 支護(hù)作業(yè)存在頂板支護(hù)的巷道 當(dāng)移動(dòng)支架時(shí) 頂板和底板都發(fā)生變形并產(chǎn)生大量粉塵 四 爆破作業(yè)爆破會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵和瓦斯 其產(chǎn)生的最大濃度往往超出通風(fēng)的稀釋能力 這就要求在爆破以后 進(jìn)行一段時(shí)間排塵通風(fēng) 工人方能進(jìn)入工作 其時(shí)間根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)和風(fēng)流的速度來決定 將原料碎片推向空氣的爆炸沖擊波 比崩落開采法更容易產(chǎn)生粉塵濃度劇增 但是 后者在裝載和運(yùn)輸作業(yè)中 將有更多的碎片轉(zhuǎn)化為空運(yùn)粉塵 采用水炮泥就是為減輕爆破作業(yè)中粉塵的擴(kuò)散 爆破后 為加快排塵 另一個(gè)方法是向逆著爆破的方向噴灑細(xì)小的水霧 有助于粉塵的凝聚和沉降 在裝載爆破下的巖堆之前 可以先向其表面噴水霧 二次爆破會(huì)使粉塵濃度劇增 這就要求采用適當(dāng)?shù)牟傻V方法 盡量減少二次爆破 五 裝載作業(yè)這是采礦過程中又一個(gè)能夠產(chǎn)生大量粉塵的工序 裝載作業(yè)的粉塵來自采掘過程的巖石堆積物 以及裝載時(shí)粉碎的巖塊 除了適當(dāng)?shù)娘L(fēng)流之外 控制粉塵的主要方法包括 進(jìn)行水噴霧和確保裝載機(jī)不受擾動(dòng) 在裝載地點(diǎn) 風(fēng)速不得低于0 5m s 應(yīng)盡量減少裝載機(jī)與底板的摩擦 裝載司機(jī)的技術(shù)可以顯著的影響粉塵產(chǎn)量 例如選擇較好的鏟斗插入點(diǎn) 可以減少鏟斗與物料之間的碰撞 從而減少的對(duì)物料的擾動(dòng) 六 運(yùn)輸和碾壓煤巖運(yùn)輸過程的大部分環(huán)節(jié)都能夠產(chǎn)生粉塵 包括傳送帶 轉(zhuǎn)載點(diǎn) 煤倉(cāng) 箕斗 密封過渡倉(cāng)和運(yùn)輸?shù)?當(dāng)傳送帶經(jīng)過滾筒時(shí) 傳送裝置表面的粉塵可能會(huì)由于振動(dòng)而再次進(jìn)入空氣 溢出的煤巖重新落到底部傳送帶上之后 假如不及時(shí)清理 就會(huì)受到滾筒的碾壓而產(chǎn)生粉塵 類似的 使用大量的水可以把粉塵粘附在傳送帶表面 當(dāng)?shù)撞總魉蛶Х祷貢r(shí) 就會(huì)有粉塵堆積在傳送裝置的下面 傳動(dòng)頭上的彈性薄片刮刀或毛刷要經(jīng)常維修 傳送裝置底部和回程滾筒上堆積的碎片和粉塵 都應(yīng)該定期加以徹底清除 要對(duì)傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)行例行檢查 尤其要注意損壞的托輥和復(fù)原裝置 軌道運(yùn)輸?shù)闹苿?dòng)裝置上要安裝減速器 以減輕對(duì)車輛和物料的撞擊載荷 要充分地對(duì)軌道進(jìn)行維修 并且禁止其方向和坡度的急劇變化 煤 矸石在運(yùn)出礦井的整個(gè)過程中 都應(yīng)該設(shè)法使其保持潮濕 煤倉(cāng) 所有的轉(zhuǎn)載點(diǎn)和裝料傳送機(jī) 都需要被屏蔽起來 并且在其內(nèi)部均應(yīng)設(shè)置噴霧裝置 把屏蔽區(qū)內(nèi)的空氣直接輸送到回風(fēng)巷道中 也能夠起到很好的作用 另外 在運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)前方5到10m的地方設(shè)置噴霧灑水裝置 比單純?cè)阢暯狱c(diǎn)噴霧的效果要好得多 在任何類型的礦山中 粉碎機(jī)都會(huì)大量產(chǎn)塵 所以在粉碎過程之前 其中及之后 仍然需要進(jìn)行噴霧處理 如何從粉碎機(jī)的圍護(hù)物中抽出空氣并進(jìn)行過濾 又是一個(gè)專門的問題 七 石英粉塵由于儀器的改進(jìn) 可以觀察到每個(gè)粒徑范圍內(nèi)石英粉塵的含量 人們發(fā)現(xiàn) 當(dāng)巖巷掘進(jìn)時(shí) 空氣中石英粉塵的含量明顯高于對(duì)煤層進(jìn)行開采時(shí)的含量 進(jìn)一步講 在包括呼吸性粉塵在內(nèi)的小尺寸的粉塵范圍內(nèi) 石英粉塵所占的比例顯著提高 產(chǎn)生石英粉塵的原因主要有以下兩種解釋 首先 頂板和底板巖層中比煤層中的石英含量要高 因此任何對(duì)這些巖層的破壞 都能夠產(chǎn)生石英粉塵 這發(fā)生在以下幾種情況 巖層開采機(jī)械切入頂板或底板時(shí) 為頂板固定或其他目的進(jìn)行橫向度量鉆孔時(shí) 煤層的開拓掘進(jìn)或超出煤層高度時(shí) 液壓頂板支護(hù)和頂板及底板發(fā)生破裂時(shí) 其次 強(qiáng)度較大而較脆的石英粉碎時(shí) 會(huì)比煤粉碎時(shí)產(chǎn)生更多粉塵 越小的粉塵越容易被氣流攜帶 三 礦塵在空氣中的運(yùn)動(dòng)特性 一 礦塵沉降的重力作用礦塵飛揚(yáng)在空氣中時(shí) 作用在其上的力至少有重力和浮力兩種 微細(xì)礦塵的沉降速度是很小的 能長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中 當(dāng)?shù)V塵的粒徑達(dá)到超微粒徑 小于0 25 m 時(shí) 因其重力很小 沉降速度也很小 但由于受到空氣分子布朗運(yùn)動(dòng)的撞擊 也隨之產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng) 塵粒越小 運(yùn)動(dòng)越激烈 塵粒的這種運(yùn)動(dòng)屬于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 對(duì)于超微礦塵 其擴(kuò)散速度將超過沉降速度 這個(gè)特點(diǎn)應(yīng)予以重視 二 礦塵在井巷風(fēng)流中的運(yùn)動(dòng)1 礦塵在風(fēng)流中的懸浮與運(yùn)動(dòng) 礦塵特別是微細(xì)礦塵 在空氣中的沉降與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是很小的 比風(fēng)流速度要小很多 所以 礦塵主要是受風(fēng)流的控制而運(yùn)動(dòng) 在垂直井巷中 含塵氣流上升運(yùn)動(dòng)時(shí) 只要風(fēng)速大于礦塵沉降速度 礦塵即隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng) 在水平巷道中 風(fēng)流運(yùn)動(dòng)方向與礦塵沉降方向相垂直 風(fēng)速對(duì)礦塵的懸浮沒有直接作用 但在井巷中 風(fēng)流一般都是紊流 具有橫向脈動(dòng)速度 可與沉降速度方向相反 所以 只要風(fēng)流是紊流并且橫向脈動(dòng)速度均方根值等于或大于礦塵沉降速度 則礦塵即能懸浮于風(fēng)流中并隨之運(yùn)動(dòng) 礦塵隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng) 因脈動(dòng)速度的變化 粒子形狀不規(guī)則 粒子間的摩擦和碰撞等原因 是做不規(guī)則的運(yùn)動(dòng) 據(jù)一些資料介紹 紊流脈動(dòng)速度約為風(fēng)流平均速度的3 10 2 最低排塵風(fēng)速 能使對(duì)人體最有危害的礦塵 呼吸性粉塵 保持懸浮狀態(tài)并隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的最低風(fēng)速 稱為最低排塵風(fēng)速 許多研究人員對(duì)最低排塵風(fēng)速進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 給出不同數(shù)值 一般認(rèn)為 最低排塵風(fēng)速應(yīng)不小于0 15m s 排塵風(fēng)速增大時(shí) 粒徑稍大的塵粒也能懸浮并被排走 同時(shí)增強(qiáng)了稀釋作用 在產(chǎn)塵強(qiáng)度一定條件下 礦塵濃度將隨之降低 當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí) 作業(yè)場(chǎng)所礦塵濃度可降到最小值 此風(fēng)速稱為最優(yōu)排塵風(fēng)速 風(fēng)速再增高時(shí) 礦塵濃度又隨之增高 說明吹揚(yáng)沉積礦塵的作用已超過了稀釋礦塵的作用 3 揚(yáng)塵風(fēng)速 沉積于巷道底板 周壁以及礦巖等表面上的礦塵 當(dāng)受到較高風(fēng)速的風(fēng)流作用時(shí) 可能再次被吹揚(yáng)起來而污染風(fēng)流 此風(fēng)速稱為揚(yáng)塵風(fēng)速 可參考下式確定 式中 v 揚(yáng)塵風(fēng)速 m s p 礦塵密度 kg m3 dp 礦塵粒徑 m k 系數(shù) 取10 16 粒徑及巷道尺寸較大時(shí)取大值 揚(yáng)塵風(fēng)速除與礦塵粒徑與密度有關(guān)外 還與礦塵濕潤(rùn)度 巷道潮濕狀況 有無擾動(dòng)等因素有關(guān) 根據(jù)實(shí)驗(yàn) 在干燥巷道中 不受擾動(dòng)時(shí)赤鐵礦塵的揚(yáng)塵風(fēng)速為3 4m s 煤塵揚(yáng)塵風(fēng)速為1 5 2 0m s 在潮濕巷道中 揚(yáng)塵風(fēng)速可達(dá)6m s以上 礦塵二次吹揚(yáng) 成為次生礦塵 能造成嚴(yán)重污染 除控制風(fēng)速外 及時(shí)清除積塵和增加礦塵潤(rùn)濕程度是常用的防塵方法 第三節(jié)礦山塵肺病 一 塵肺病及其分類塵肺病是工人在生產(chǎn)中長(zhǎng)期吸入大量微細(xì)粉塵而引起的以纖維組織增生為主要特征的肺部疾病 它是一種嚴(yán)重的礦工職業(yè)病 一旦患病 治愈困難 塵肺病發(fā)病緩慢 有一定的潛伏期 不同于瓦斯 煤塵爆炸和冒頂?shù)裙鹿誓敲从|目驚心 因此往往不被人們所重視 而實(shí)際上國(guó)內(nèi)外由塵肺病引發(fā)的礦工傷亡人數(shù) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各類工傷事故的總和 煤礦塵肺病按吸入礦塵的成分不同 可分為三類 一 硅肺病 矽肺病 由于吸入含游離sio2含量較高的巖塵而引起的塵肺病稱為硅肺病 患者多為長(zhǎng)期從事巖巷掘進(jìn)的礦工 二 煤硅肺病 煤矽肺 由于同時(shí)吸入煤塵和含游離sio2的巖塵所引起的塵肺病稱為煤硅肺病 患者多為巖巷掘進(jìn)和采煤的混合工種礦工 三 煤肺病 由于大量吸入煤塵而引起的塵肺病多屬煤肺病 患者多為長(zhǎng)期單一的在煤層中從事采掘工作的礦工 我國(guó)煤礦工人工種變動(dòng)較大 長(zhǎng)期固定從事單一工種的很少 因此煤礦塵肺病中以煤硅肺病比重最大 約占80 左右 單純的硅肺 煤肺病較少 作業(yè)人員從接觸礦塵開始到肺部出現(xiàn)纖維化病變所經(jīng)歷的時(shí)間稱為發(fā)病工齡 上述三種塵肺病中最危險(xiǎn)的是硅肺病 其發(fā)病工齡最短 一般在10年左右 病情發(fā)展快 危害嚴(yán)重 煤肺病的發(fā)病工齡一般為20 30年 煤硅肺病介于兩者之間但接近后者 國(guó)際上最早的關(guān)于礦塵的法規(guī)是由南非金礦在1912年制訂的 其余的國(guó)家相繼在20世紀(jì)的20 30年代提出了相關(guān)的法律法規(guī) 但是 這些法規(guī)主要涉及矽肺病 在當(dāng)時(shí) 人們還沒有意識(shí)到煤塵的危害 從30年代開始 被確診的礦工塵肺病數(shù)量急劇上升 英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)在南威爾士的煤礦工人中作了關(guān)于呼吸疾病的調(diào)查 以后歐洲大陸各國(guó)和美國(guó)都認(rèn)識(shí)到煤塵的危害性 人們對(duì)礦塵導(dǎo)致塵肺病的認(rèn)識(shí)用了很長(zhǎng)時(shí)間 究其原因 主要有三方面 第一 患者從意識(shí)到呼吸系統(tǒng)受到損害到確診可能要幾年的時(shí)間 第二 肺部對(duì)粉塵的反應(yīng)往往類似于某些自然發(fā)生的疾病 因此似乎與礦塵沒有關(guān)系 第三 開始使用的粉塵濃度計(jì)量方法是單位體積空氣內(nèi)粉塵顆粒的數(shù)量 這種方式難以反映出塵肺病發(fā)病與礦塵之間的聯(lián)系 這種情況在1959年南非約翰內(nèi)斯堡舉行的國(guó)際塵肺病會(huì)議上得以改變 為了更好地度量粉塵對(duì)健康的潛在危害 會(huì)議決定用質(zhì)量法取代計(jì)數(shù)法來計(jì)量粉塵濃度 會(huì)議還接受了英國(guó)醫(yī)學(xué)研究會(huì)提出的呼吸性粉塵概念 即能進(jìn)入肺泡區(qū)的粉塵稱為呼吸性粉塵 二 塵肺病的發(fā)病機(jī)理肺部是人體吸入氧氣進(jìn)行新陳代謝行為的器官 通過反復(fù)吸入和呼出空氣 使空氣靠近血液 兩片肺葉被厚約0 5 m的極薄的隔膜分開 氧氣通過隔膜從空氣中擴(kuò)散到血液里 同時(shí)二氧化碳通過相反的方向擴(kuò)散 兩種氣體各自的交換由隔膜兩側(cè)的濃度差驅(qū)動(dòng) 呼吸系統(tǒng)自身的防御機(jī)制可以抵御那些吸入空氣中存在的氣態(tài)或者懸浮的污染氣體 然而 這種體系不能抵抗有毒或者致癌物的入侵 另外 長(zhǎng)期暴露在超高濃度的粉塵里 肺部防御體系超負(fù)荷工作 不但使氣體交換效率降低 而且容易引起支氣管感染和其他疾病 本節(jié)介紹人體呼吸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理 呼吸系統(tǒng)內(nèi)粉塵的沉降機(jī)理以及塵肺病的產(chǎn)生過程 一 人體的呼吸系統(tǒng)圖4 1是人體呼吸系統(tǒng)的說明簡(jiǎn)圖 空氣從鼻孔進(jìn)入呼吸系統(tǒng) 通過一道鼻毛組成的叢狀濾網(wǎng)后進(jìn)入鼻咽 這道濾網(wǎng)是第一道防線 可以排除大顆粒的粉塵 這些顆粒會(huì)一直被截留 直到它們被吹出或通過鼻咽被吞咽下去 在鼻咽的較大的空間里 空氣速度減慢 在這一區(qū)域 實(shí)際上在通向肺泡的所有空氣通路分支上 管腔壁上有一層纖毛和黏液細(xì)胞 纖毛往復(fù)擺動(dòng) 將纖毛上的黏液?jiǎn)蜗蛩屯聿?在那里可以被吞咽 絕大多數(shù)大于10 m的粉塵粒子在空氣被吸入到達(dá)喉部之前都會(huì)被從狀濾網(wǎng)和黏液所捕捉 而從口腔呼入的空氣就饒過了鼻孔和鼻咽所提供的保護(hù) 空氣繼續(xù)通過氣管 氣管直徑約為20mm 長(zhǎng)約120mm并且包含著一系列的堅(jiān)韌的環(huán)形軟骨 氣管又分為左右支氣管 平均直徑約12mm 長(zhǎng)約48mm 當(dāng)然 這些尺寸在不同的個(gè)體之間有著相當(dāng)大的差異 空氣繼續(xù)向前并被多次細(xì)分進(jìn)入細(xì)支氣管中 它在形狀上類似于樹的根部 被十六次細(xì)分后 細(xì)支氣管的直徑只有0 6mm 人體肺部?jī)?nèi)支氣管的總數(shù)量甚至超過八千萬個(gè) 雖然分支造成獨(dú)立的空氣通路直徑減小 但大量分支的存在使流動(dòng)交叉總面積顯著增加 因此 空氣流速減小到在較小的細(xì)支氣管中空氣流動(dòng)處于完全層流狀態(tài) 所有的細(xì)支氣管壁上都有一層黏液 它們通過纖毛的運(yùn)動(dòng)被不停的向上排移到氣管 黏液分泌物和所有被捕集到的微粒通常在一天內(nèi)會(huì)被通過咳嗽或吞咽的方式從氣管里排出 空氣通路中的黏液層通常很薄 然而 支氣管疾病會(huì)使黏液層的粘度和厚度增大 限制空氣的運(yùn)動(dòng) 當(dāng)空氣以較高速度通過時(shí)會(huì)發(fā)出聲音 即呼吸困難 有喘息聲 最小的細(xì)支氣管在成串的氣囊或肺泡前結(jié)束 這些氣囊約有0 2 0 6mm大小 肺泡壁上附有一層0 5mm厚的膜 也稱上皮細(xì)胞 氣體通過它們后才發(fā)生交換 據(jù)估計(jì) 一個(gè)健康的成年人肺部平均有3到4億個(gè)肺泡 可用于氣體交換的總面積約為75m2 橫膈膜和胸腔的肌肉運(yùn)動(dòng)引起肺泡與外部大氣間的壓差規(guī)律變化 從而發(fā)生空氣吸入和呼出的正常循環(huán) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的不同 呼吸頻率在每分鐘吸入12 40次之間變化 很少有大于3 m的粉塵顆粒能夠到達(dá)肺泡 人們已經(jīng)提出了眾多模型來表明顆粒大小與沉降地點(diǎn)的關(guān)系 因?yàn)榉闻菟都念w粒非常微小 所以很難將其從中清除 直徑為0 2 m的粒子的清除概率為0 75 而對(duì)于0 02 m的粒子 概率就降為0 45 肺泡中產(chǎn)生的黏液可以潤(rùn)濕肺泡表面 并使它們自主的膨脹或者收縮 從肺泡中清除粉塵顆粒的任務(wù)由相對(duì)較大的細(xì)胞 10 50 m 也稱噬菌細(xì)胞 完成 這些游離的細(xì)胞可以在肺泡壁上自由移動(dòng)而且可以吞噬直徑最大為10 m的顆粒 噬菌細(xì)胞的平均壽命為一個(gè)月 噬菌細(xì)胞如果吞噬了有毒粒子 它將很快死亡 當(dāng)肺部所吸入的粉塵粒子數(shù)量增加時(shí) 噬菌細(xì)胞的數(shù)量也會(huì)增加 目前還不清楚呼吸性粉塵濃度和噬菌細(xì)胞產(chǎn)生量的關(guān)系 它與粒子的礦物成分有關(guān) 此外 清除已吞噬粉塵的細(xì)胞要比清除正常的無塵細(xì)胞困難 二 呼吸系統(tǒng)內(nèi)粉塵沉積的機(jī)理呼吸系統(tǒng)某些區(qū)域內(nèi)粉塵粒子的沉積會(huì)根據(jù)粒子大小和其空氣動(dòng)力學(xué)特性 空氣通路的幾何形狀以及氣流形式而發(fā)生變化 沉積最主要的三種機(jī)理為慣性碰撞 重力沉降和擴(kuò)散作用 而對(duì)于某些特殊類型的粒子 攔截作用和靜電沉淀作用居主要地位 下面分別討論沉積的五種模式 1 慣性碰撞作用粉塵顆粒的密度和動(dòng)量與相同體積的空氣相比要大的多 當(dāng)空氣被有規(guī)律的從肺部吸入呼出時(shí) 在隨空氣運(yùn)移的每個(gè)彎曲段 粉塵粒子都趨向于直線運(yùn)動(dòng)并且撞擊在空氣通路的黏液層壁上 粉塵的慣性撞擊沉積隨曲率和空氣流速的增大而增多 解剖發(fā)現(xiàn) 在不同個(gè)體間 分支細(xì)支氣管的拐彎處的沉積有相當(dāng)大的差異 在上部空氣通路 空氣流速較大 可是 較后的通路也具有較大的直徑 粒子在發(fā)生碰撞之前必須穿過流線傳播更遠(yuǎn)的距離才行 在盡力呼吸過程中 呼吸速率和空氣速率在系統(tǒng)的各處都增大 將空氣吸入到肺部深處 進(jìn)而 由于鼻孔和叢狀濾網(wǎng)的阻礙作用 將會(huì)增加從口腔的呼吸 由于這些原因 繁重的體力勞動(dòng)由于慣性碰撞而導(dǎo)致的呼吸系統(tǒng)沉積會(huì)上升 由于黏液層逐漸變厚 支氣管感染或肺部受損而造成的空氣通路縮頸也將會(huì)導(dǎo)致較高的空氣流速進(jìn)而增加慣性碰撞造成的沉積 2 重力沉降重力沉降是指在重力作用下顆粒的沉降 它對(duì)在較低的空氣流速下大于0 5 m的粉塵粒子有效 而較小的顆粒更多地受布朗運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散作用影響 在呼吸循環(huán)的反向期間 鼻咽中的大顆粒粉塵會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔贸练e 另外 重力沉降可以解釋層流狀態(tài)的粉塵在細(xì)支氣管和肺泡中的沉積機(jī)理 3 擴(kuò)散作用亞微粒子受氣體粒子的撞擊做布朗運(yùn)動(dòng) 布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)直徑小于0 5 m的粒子尤為顯著 雖然布朗運(yùn)動(dòng)在呼吸系統(tǒng)的各處都會(huì)發(fā)生 但當(dāng)平均位移變得同空氣通路大小相當(dāng)時(shí) 它會(huì)成為粉塵沉積的有效方式 因此 它在肺泡和較細(xì)的細(xì)支氣管中有著特別重要的作用 4 攔截和靜電沉淀作用對(duì)于纖維粉塵 攔截有著顯著作用 當(dāng)粉塵長(zhǎng)度與直徑比超過3時(shí) 我們稱它為纖維粉塵 這些粉塵傾向于朝著空氣流動(dòng)的方向 長(zhǎng)200 m的纖維能夠穿透到到肺的深處 不過 纖維粉塵末梢可能接觸到空氣通路的壁面 特別是在拐彎處和分支點(diǎn) 在這會(huì)發(fā)生纖維粉塵的聚積 這就是攔截的機(jī)理 在礦井的工作區(qū)域內(nèi) 新產(chǎn)生的礦塵會(huì)帶有較大的靜電量 這些粒子周圍移動(dòng)著的電磁場(chǎng)會(huì)誘導(dǎo)呼吸系統(tǒng)空氣通路壁面上的異性電荷 由此產(chǎn)生靜電沉淀并被黏液層捕集 三 塵肺病由吸入粉塵引起的呼吸器官疾病統(tǒng)稱為塵肺病 這里主要討論礦井粉塵產(chǎn)生的疾病 一般的 礦井粉塵并不直接致命 而是通過使肺部空氣容量逐漸減少 使患者更易感染輕微的呼吸疾病 如傷風(fēng)或流感 以及肺結(jié)核 慢性支氣管炎和肺氣腫 實(shí)際上 是這些病加速了死亡 慢性支氣管炎是一種呼吸系統(tǒng)氣管內(nèi)粘膜炎癥 伴隨著周期或持續(xù)的咳嗽 肺氣腫是指由肺泡氣壓過大而造成的肺泡間隔破壞 這經(jīng)常是支氣管內(nèi)收縮的結(jié)果 肺泡間隔斷裂經(jīng)常發(fā)生在咳嗽期間 臨近的肺泡破裂而相互融合 這將逐漸導(dǎo)致反常的呼吸困難 即使在很輕微的活動(dòng)下 呼吸困難還將導(dǎo)致心臟過度緊張并有可能導(dǎo)致心臟病并發(fā)癥 1 纖維變性反應(yīng)前面已介紹纖維變性粉塵促進(jìn)了肺泡結(jié)締內(nèi)纖維組織的異常增生 它開始產(chǎn)生在纖維組織 然后向外輻射形成纖維原細(xì)胞 肺泡壁的氣體交換受到阻滯 失去原有彈性 導(dǎo)致有效容積縮小 此外 噬菌細(xì)胞的生成量減少會(huì)加劇肺泡內(nèi)粉塵的聚集 較多的纖維聚集還會(huì)扭曲和破壞血管 引起心臟功能衰竭 2 煤肺病很多種粉塵 包括煤塵 只會(huì)引起微弱的生理學(xué)反應(yīng) 然而 長(zhǎng)時(shí)間充分暴露在粉塵的滯留聚集區(qū)會(huì)在肺部組織形成色斑 通過x射線可以觀察到黑色的小圓斑 這些礦塵包括鐵 肺鐵末沉著癥 錫 錫肺塵 和鋁 鋁塵肺 被雇用的最初約10 15年里 煤礦工人一般不會(huì)察覺患有煤肺病 也不會(huì)意識(shí)到勞動(dòng)能力的逐漸喪失 3 硅肺癥這是塵肺病中最危險(xiǎn)的一類 它由游離的二氧化硅粒子所引起 包括石英 砂石和燧石 而不是粘土或耐火土中的硅酸鹽造成的 含有硅石的巖石的采掘和粉碎操作中新產(chǎn)生的粉塵 以及噴砂器中噴出的砂塵所具有的危險(xiǎn)性最大 人們懷疑許多嚴(yán)重的煤肺病病例是因?yàn)槲氲拿簤m中混有石英顆粒 在硅肺癥的早期階段也可以在x光片上看到許多粉塵聚積的局部病灶 x光片顯示 硅塵聚積到一定水平后 肺部表面會(huì)逐漸產(chǎn)生嚴(yán)重的纖維癥 纖維化可能是由硅酸反應(yīng)或者粉塵的電化學(xué)表面活性造成的 三 塵肺病的發(fā)病癥狀及影響因素 一 塵肺病的發(fā)病癥狀塵肺病的發(fā)展有一定的過程 輕者影響勞動(dòng)生產(chǎn)力 嚴(yán)重時(shí)喪失勞動(dòng)能力 甚至死亡 這一發(fā)展過程是不可逆轉(zhuǎn)的 因此要及早發(fā)現(xiàn) 及時(shí)治療 以防病情加重 從自覺癥狀上 塵肺病分為三期 如表4 6所示 二 影響塵肺病的發(fā)病因素1 礦塵的成分能夠引起肺部纖維病變的礦塵 多半含有游離sio2 其含量越高 發(fā)病工齡越短 病變的發(fā)展程度越快 對(duì)于煤塵 引起煤肺病的主要是它的有機(jī)質(zhì) 即揮發(fā)分 含量 據(jù)試驗(yàn) 煤化作用程度越低 危害越大 2 礦塵粒度及分散度塵肺病主要是發(fā)生肺泡內(nèi) 礦塵粒度不同 對(duì)人體的危害性也不同 5 m以上的礦塵對(duì)塵肺病的發(fā)生影響不大 5 m以下的礦塵可以進(jìn)入下呼吸道并沉積在肺泡中 最危險(xiǎn)的粒度是2 m左右的礦塵 由此可見 礦塵的粒度越小 分散度越高 對(duì)人體的危害就越大 3 礦塵濃度塵肺病的發(fā)生和進(jìn)入肺部的礦塵量有直接的關(guān)系 也就是說 塵肺的發(fā)病工齡和作業(yè)場(chǎng)所的礦塵濃度成正比 國(guó)外的統(tǒng)計(jì)資料表明 在高礦塵濃度的場(chǎng)所工作時(shí) 平均5 10年就有可能導(dǎo)致硅肺病 如果礦塵中的游離sio2含量達(dá)80 90 甚至1 5 2年即可發(fā)病 空氣中的礦塵濃度降低到 規(guī)程 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)以下 工作幾十年 肺部吸入的礦塵總量仍不足達(dá)到致病的程度 4 個(gè)體方面的因素礦塵引起塵肺病是通過人體而進(jìn)行的 所以人的機(jī)體條件 如年齡 營(yíng)養(yǎng) 健康狀況 生活習(xí)性 衛(wèi)生條件等 對(duì)塵肺的發(fā)生 發(fā)展有一定的影響 塵肺病在目前的技術(shù)水平下盡管很難完全治愈 但它是可以預(yù)防的 只要積極推廣綜合防塵技術(shù) 就可以達(dá)到降低塵肺病的發(fā)病率及死亡率的目的 第四節(jié)煤塵爆炸及其預(yù)防 一 煤塵爆炸 一 煤塵爆炸機(jī)理煤被破碎成煤塵后 其比表面積顯著增大 與氧的接觸面積及吸附氧分子的數(shù)量亦相應(yīng)增加 在高溫?zé)嵩醋饔孟?氧分子與碳發(fā)生氧化反應(yīng)而生熱 并促進(jìn)了煤塵粒子在高溫下的熱分解而產(chǎn)生可燃?xì)怏w 如揮發(fā)份含量為20 26 的1kg焦煤 受熱后能放出可燃?xì)怏w295 350l 這些可燃?xì)怏w與空氣混合后便著火燃燒 局部燃燒放出的熱量以分子熱傳導(dǎo) 輻射 對(duì)流等復(fù)合傳熱方式傳給附近懸浮著的煤塵 又使這些煤粒子受熱分解 產(chǎn)生可燃?xì)怏w而著火燃燒 于是燃燒便如此循環(huán)地繼續(xù)下去 隨著每個(gè)循環(huán)的逐次進(jìn)行 反應(yīng)速度也逐次加快 定常燃燒非常迅速地轉(zhuǎn)變成激烈的非定常燃燒 從而在極短的時(shí)間內(nèi) 使空間氣體的壓力猛烈增高 形成了煤塵爆炸 二 煤塵爆炸特征煤塵爆炸與氣體爆炸不同 有以下一些特點(diǎn) 1 易產(chǎn)生連續(xù)爆炸煤塵爆炸的氧化反應(yīng)和瓦斯爆炸一樣 主要在氣相條件內(nèi)進(jìn)行 煤塵的燃燒速度和爆炸壓力比氣體的要小 但燃燒帶的長(zhǎng)度較長(zhǎng) 產(chǎn)生的能量大 表現(xiàn)出顯著的破壞能力 一般來說 爆炸開始于局部 產(chǎn)生的沖擊波較小 但卻可擾動(dòng)周圍沉降堆積的煤塵并使之飛揚(yáng) 由于熱和光的傳遞與輻射 進(jìn)而發(fā)生再次爆炸 這就是所謂的二次爆炸 如此循環(huán) 還可形成第三次 第四次等數(shù)次爆炸 其爆炸的火焰及爆炸波的傳播速度都將一次比一次加快 爆炸壓力也將一次比一次增高 呈跳躍式發(fā)展 煤塵爆炸產(chǎn)生的火焰速度可達(dá)1120m s 沖擊波的速度可達(dá)2000m s 爆炸的壓力可達(dá)到1700kpa 在煤礦井下 這種爆炸有時(shí)沿巷道傳播數(shù)千米以外 而且距爆源點(diǎn)越遠(yuǎn)其破壞性越嚴(yán)重 因此 煤塵爆炸具有易產(chǎn)生連續(xù)爆炸 受災(zāi)范圍廣 災(zāi)害程度嚴(yán)重的重要特點(diǎn) 2 產(chǎn)生粘塊與皮渣 煤塵爆炸時(shí) 對(duì)于結(jié)焦性煤塵 氣煤 肥煤及焦煤的煤塵 會(huì)產(chǎn)生焦炭皮渣與粘塊粘附在支架 巷道壁或煤壁等上面 根據(jù)這些爆炸產(chǎn)物 可以判斷發(fā)生的爆炸事故是屬于瓦斯爆炸或煤塵爆炸 同時(shí)還可以根據(jù)煤塵爆炸產(chǎn)生的皮渣與粘塊粘附在支柱上的位置直觀判斷煤塵爆炸的強(qiáng)度 見表4 7 但是只有氣煤 肥煤 焦煤等粘結(jié)性煤塵爆炸時(shí) 才能產(chǎn)生 粘焦 3 產(chǎn)生大量有毒有害氣煤塵爆炸時(shí) 要產(chǎn)生比沼氣爆炸生成量多的有毒有害氣體 其生成量與煤質(zhì)和爆炸的強(qiáng)度等有關(guān) 表4 8為一次煤塵爆炸后氣體成分組成的成分其中co co2的濃度較大 o2濃度很小 這是煤塵爆炸造成人員傷亡的主要原因 4 揮發(fā)分含量減少煤塵爆炸時(shí) 它的揮發(fā)分含量將減少 對(duì)于不結(jié)焦煤塵 即爆炸時(shí)不產(chǎn)生焦炭皮渣與粘塊的煤塵 可利用這一特點(diǎn)來判斷井下的爆炸事故中煤塵是否參與了爆炸 三 煤塵爆炸的必要條件煤塵爆炸必須具備三個(gè)條件 煤塵自身具有爆炸性 懸浮在空氣中并具有一定的濃度 有引燃煤塵爆炸的熱源 1 煤塵的爆炸性煤塵可分為有爆炸性煤塵和無爆炸性煤塵 它們的歸屬需經(jīng)過煤塵爆炸試驗(yàn)后確定 理論和事實(shí)都證明 揮發(fā)份含量高的煤塵 越易爆炸 而揮發(fā)份含量決定于煤的種類 變質(zhì)程度越低 揮發(fā)份含量越高 爆炸的危險(xiǎn)性越大 高變質(zhì)程度的煤如貧煤 無煙煤等揮發(fā)份含量很低 其煤塵基本上無爆炸危險(xiǎn) 過去 我國(guó)煤礦曾規(guī)定 以煤的揮發(fā)份含量 作為確定煤塵爆炸性的一個(gè)指標(biāo) 稱為煤塵爆炸指數(shù)v 其值為 式中va 工業(yè)分析的揮發(fā)份 aa 工業(yè)分析的灰份 wa 工業(yè)分析的水分 一般認(rèn)為 v 小于10 基本上屬于沒有煤塵爆炸危險(xiǎn)性煤層 v 處于10 15 之間 屬于弱爆炸危險(xiǎn)性 v 在15 以上者 屬于有爆炸危險(xiǎn)性煤層 但必須指出 作為煤的組成成份非常復(fù)雜 同類煤的揮發(fā)份成份及其含量也不一樣 所以揮發(fā)份含量不能作為判斷煤塵有無爆炸危險(xiǎn)的唯一依據(jù) 例如松藻二井v 15 92 但無煤塵爆炸危險(xiǎn) 而江西萍鄉(xiāng)青山礦v 小于10 卻有爆炸危險(xiǎn) 因此 規(guī)程 規(guī)定 煤塵有無爆炸危險(xiǎn) 必須通過煤塵爆炸性試驗(yàn)鑒定 2 浮塵的濃度煤塵爆炸與傳播是由于細(xì)小可燃微粒依次燃燒的結(jié)果 如果微粒之間相距比較遠(yuǎn) 那么燃燒微粒的熱量就不能足夠多地傳到臨近它的微粒并使其燃燒 因此爆炸也就不能夠擴(kuò)展開來 當(dāng)可燃微粒之間的距離剛剛能夠使燃燒傳遞下去的時(shí) 這就是最小爆炸濃度極限 與此同時(shí)還存在另一個(gè)極限 那就是可燃微粒之間的距離太近 以至于沒有足夠的氧氣來使燃燒完全進(jìn)行下去 那么整個(gè)燃燒系統(tǒng)就會(huì)變成富燃料燃燒 從而產(chǎn)生的熱量下降 因此 最高爆炸極限就是可燃微粒在該濃度情況下燃燒溫度為該可燃微粒的燃點(diǎn)時(shí)的濃度極限 井下空氣中 只有懸浮的煤塵達(dá)到一定濃度時(shí) 才可能引起爆炸 如果空氣中煤塵濃度很低 塵粒之間的距離較大 燃燒生成的熱量為周圍系統(tǒng)吸收 就不可能爆炸 對(duì)于煤塵濃度 為了實(shí)際應(yīng)用的方便 把煤塵濃度分為上限和下限兩種濃度 所謂下限濃度 就是單位體積含塵空氣中 能夠發(fā)生爆炸的最低煤塵含量叫做煤塵爆炸下限濃度 能夠發(fā)生爆炸的最高煤塵含量叫做上限濃度 一般來說 各國(guó)對(duì)下限濃度研究較多 其目的在于把井下空氣中的煤塵濃度控制在下限濃度以下時(shí) 就能夠避免發(fā)生煤塵爆炸事故 上限濃度研究較少 國(guó)外試驗(yàn)大致在1000 2000g m3左右 但在正常的礦井生產(chǎn)環(huán)境 煤塵的產(chǎn)塵濃度不大可能出現(xiàn)這種狀況 只有礦井發(fā)生爆炸事故時(shí) 爆炸沖擊波將落塵揚(yáng)起 這時(shí)才可能達(dá)到上限濃度條件 由于影響煤塵爆炸下限濃度的因素很多 每個(gè)煤層其數(shù)值都不同 即使同一煤層 在相同的實(shí)驗(yàn)條件 其爆炸的概率也不一樣 為了管理上的方便 世界各個(gè)國(guó)家根據(jù)開采煤種狀況 確定自己的試驗(yàn)方法 選擇具有代表性的煤層塵樣 測(cè)定后作為煤塵爆炸下限值指標(biāo) 各國(guó)煤塵爆炸下限濃度規(guī)定見表4 9 從表中看出 我國(guó)選擇的煤樣可燃燒揮發(fā)份達(dá)54 7 的褐煤作為代表煤樣 根據(jù)前面所述 揮發(fā)份含量越高 爆炸危險(xiǎn)性越大 把危險(xiǎn)性大的煤塵爆炸下限值作為我國(guó)的下限濃度 無疑對(duì)我國(guó)礦井安全生產(chǎn) 預(yù)防煤塵爆炸將起到良好的保障作用 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 對(duì)煤塵爆炸的實(shí)驗(yàn)方法和條件 都在不斷的改進(jìn)和完善 因此 煤塵爆炸下限值 相應(yīng)的會(huì)進(jìn)行修正 煤塵最低爆炸極限一般為50g m3 最強(qiáng)爆炸濃度一般為150 350g m3 這由煤的揮發(fā)份含量來確定 如果煤塵濃度達(dá)到50g m3的話 已是一個(gè)使人窒息的環(huán)境 這么大的煤塵濃度不太可能在平常的礦井通風(fēng)條件下存在 但是 在沒有降塵措施的情況下 工作面割煤滾筒周圍是能夠產(chǎn)生這樣高的煤塵濃度 另外 即使通風(fēng)巷道中積塵不多 但在爆炸沖擊波的作用下在空氣中揚(yáng)起這些煤塵時(shí) 也能夠發(fā)生爆炸 3 高溫?zé)嵩疵簤m的引燃溫度變化范圍較大 它隨著煤塵性質(zhì) 濃度 粒度及粒度分布 試驗(yàn)條件等不同因素而變化 我國(guó)煤塵爆炸的引燃溫度在610 到1050 之間 一般為700 800 這個(gè)溫度條件下 幾乎對(duì)一切明火均可點(diǎn)燃煤塵 引起爆炸 如各地電器火花 摩擦火花 爆破火焰 瓦斯燃燒或爆炸 井下火災(zāi)等 煤塵引燃爆炸將釋放大量熱量 依靠這種反應(yīng)熱量 可使氣體產(chǎn)物加熱到2300 2500 這是促使煤塵爆炸得以自發(fā)傳播的一個(gè)主要因素 四 影響煤塵爆炸的主要因素1 煤塵的揮發(fā)分揮發(fā)分含量是影響煤塵有無爆炸性及爆炸性強(qiáng)弱的主要原因 一般情況下 煤塵的揮發(fā)分含量越高 其爆炸性越強(qiáng) 揮發(fā)分含量越低 其爆炸性越弱 甚至無爆炸性 我國(guó)對(duì)全國(guó)煤礦的煤塵可燃揮發(fā)分含量與其爆炸性進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果見表4 10 無煙煤煤塵中由于可燃揮發(fā)份含量少 通常被認(rèn)為沒有爆炸危險(xiǎn)性 但是 在有足夠大的點(diǎn)火能量 低揮發(fā)份的煤塵也會(huì)發(fā)生猛烈的爆炸 1942年 在東北本溪煤礦發(fā)生了一次觸目驚心的煤塵爆炸災(zāi)難 該種煤的揮發(fā)份含量只有15 19 煤塵爆炸危險(xiǎn)性會(huì)隨著灰份和水分含量增加而降低 并且煤塵暴露在空氣中的時(shí)間越長(zhǎng)其爆炸危險(xiǎn)性越小 對(duì)于后一種影響因素 一般認(rèn)為是由于被氧化了的煤塵覆蓋在老煤塵上 因此 工作面或者越接近工作面等區(qū)域的煤塵就越容易發(fā)生爆炸 2 煤塵的粒度煤塵爆炸是由于煤塵分子與空氣中的氧分子 在高溫?zé)嵩醋饔孟逻M(jìn)行劇烈氧化反應(yīng)造成的 煤塵粒子越小 比表面積越大 與氧的接觸面積亦相應(yīng)增大 氧化反應(yīng)就越劇烈 同時(shí)也增加了受熱面積 加速了可燃?xì)怏w的釋放 實(shí)驗(yàn)證明lmm以下的煤塵粒子雖然都可能參與爆炸 但75 m以下的煤塵粒子其爆炸性最強(qiáng) 粒徑小于30 m的煤塵 其爆炸性的增強(qiáng)趨勢(shì)變緩 粒徑小于l0 m的煤塵 其爆炸性卻隨粒徑減小而降低 3 瓦斯的影響瓦斯的存在 會(huì)擴(kuò)大煤塵爆炸濃度的上 下限范圍 即下限濃度明顯降低 上限濃度增加 其降低和增高的范圍隨瓦斯?jié)舛鹊脑龈叨龃?瓦斯和煤塵共同存在的情況下 由于兩者相互補(bǔ)充使得爆炸界限下降 例如瓦斯為1 煤塵為40g m3以上濃度就進(jìn)入爆炸區(qū)域 若煤塵濃度為20g m3以上 瓦斯?jié)舛葹? 表示處在相同的爆炸區(qū)域 煤塵和瓦斯在爆炸過程中是相互作用的 這兩種物質(zhì)的爆炸極限在互存的情況下都會(huì)變寬 這兩種物質(zhì)之間的作用關(guān)系也隨煤塵中揮發(fā)份含量不同而變化 如圖4 2所示 最初點(diǎn)燃煤塵的能量大小對(duì)煤塵爆炸傳播和擴(kuò)散具有很重要的作用 礦井中煤塵爆炸絕大多數(shù)是由于瓦斯爆炸引起的 瓦斯爆炸為煤塵爆炸提供了最初的沖擊波和最前端的火焰 但是 任何具有足夠能量的點(diǎn)火源都能夠在沒有可燃性氣體的情況下使煤塵發(fā)生爆炸 1906年發(fā)生在法國(guó)柯利爾煤礦的煤塵爆炸就被認(rèn)為是在沒有瓦斯情況下發(fā)生的 4 水分含量水分蒸發(fā)要吸收熱量 同時(shí) 當(dāng)煤塵含水量較高時(shí) 會(huì)促使塵粒結(jié)團(tuán) 小粒子結(jié)團(tuán)成大粒子而加速沉降 從而降低了形成煤塵云的能力 因此 煤塵的水分具有減弱和阻礙其爆炸的性質(zhì) 但是 如爆炸已經(jīng)發(fā)生 煤塵自身所含水分的阻爆作用就很小了 試驗(yàn)表明 煤塵的水分即使達(dá)到了25 也仍然會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈爆炸 5 灰分含量煤塵的爆炸性隨其灰分含量的增加而降低 這是由于灰分能吸收煤塵在燃燒過程中釋放出的熱量而起冷卻作用 當(dāng)煤塵的灰分含量小于20 時(shí) 對(duì)其爆炸性影響不大 當(dāng)灰分含量達(dá)30 40 時(shí) 爆炸性會(huì)明顯下降 瓦斯和煤塵及巖粉混合氣體的爆炸下限的關(guān)系如圖4 3所示 從圖4 3可以看出 若巖粉的混合百分?jǐn)?shù)增加 瓦斯?jié)舛炔辉黾訒r(shí) 就不會(huì)引燃 若不存在瓦斯 從試樣曲線中可以看出 巖粉混合率為50 左右 爆炸界限曲線接近橫坐標(biāo) 也就是說這種混合粉塵已失去爆炸性 在實(shí)驗(yàn)室條件也不能引燃 根據(jù)試驗(yàn)推算 如果瓦斯和空氣混合后產(chǎn)生最強(qiáng)爆炸的瓦斯?jié)舛葹? 5 那么為了阻止爆炸所必要的巖粉濃度為1 23kg m3 根據(jù)我國(guó) 規(guī)程 規(guī)定 巖粉用量按巷道斷面積確定 巷道斷面積大于5m2時(shí) 每m2巖粉用量不得少于400kg 巷道斷面積小于5m2時(shí) 每m2不得少于200kg 若按規(guī)定巖粉棚長(zhǎng)度為20m以上范圍計(jì)算 如果爆風(fēng)將巖粉完全揚(yáng)起飄浮于巷道空間 其濃度可以達(dá)到10kg m3左右 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明分散系中巖粉量約為1 5 2 0kg m3時(shí)就能阻止瓦斯爆炸 說明井下現(xiàn)場(chǎng)所設(shè)置的巖粉總量比實(shí)驗(yàn)室用量約10倍左右 這是考慮在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中 巖粉不可能全部被吹揚(yáng)起來 且吹揚(yáng)起來的巖粉還存在很大的不均勻性 所以 為了確保礦井安全 有一定的富裕是完全必要的 圖4 4是根據(jù)圖4 3中瓦斯?jié)舛群蛶r粉混合率與混合粉塵濃度之間的關(guān)系求得的 從圖上可以看出 當(dāng)瓦斯為零時(shí) 為了阻止初始引燃爆炸 必須考慮更大的巖粉混合率 這是由于混入瓦斯后 分散系內(nèi)活化程度增加的緣故 并且瓦斯因電火花發(fā)生燃燒 增加了點(diǎn)燃熱源的緣故 巖粉混合率為85 7 時(shí) 在實(shí)驗(yàn)中 無論浮塵濃度或點(diǎn)火熱源的大小 已達(dá)到阻止初始引燃爆炸的巖粉極限值 但是在礦井實(shí)際條件中 存在炸藥那樣大的引燃源或已經(jīng)發(fā)生爆炸的情況下 巖粉混合率在86 以上時(shí) 尚且還不能夠阻止傳爆 從上述可知 影響煤塵爆炸的因素很多 而且十分復(fù)雜 許多方面尚待進(jìn)一步研究 五 煤塵爆炸性鑒定 規(guī)程 規(guī)定 新礦井的地質(zhì)精查報(bào)告中 必須有所有煤層的煤塵爆炸性鑒定材料 生產(chǎn)礦井每延深一個(gè)新水平 應(yīng)進(jìn)行一次煤塵爆炸性試驗(yàn)工作 煤塵爆炸性的鑒定方法有兩種 一種是在大型煤塵爆炸試驗(yàn)巷道中進(jìn)行 這種方法比較準(zhǔn)確可靠 但工作繁重復(fù)雜 所以一般作為標(biāo)準(zhǔn)鑒定用 另一種是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用大管狀煤塵爆炸性鑒定儀進(jìn)行 方法簡(jiǎn)便 目前多采用這種方法 大管狀煤塵爆炸性鑒定儀如圖4 5所示 它的主要部件有 內(nèi)徑為75 80mm的燃燒管1 長(zhǎng)為1400mm的硬質(zhì)玻璃管 一端經(jīng)彎管與排塵箱8連接 在另一端距入口400mm處徑向?qū)﹂_的兩個(gè)小孔裝入有鉑絲加熱器2 加熱器是長(zhǎng)為110mm的中空細(xì)瓷管 內(nèi)徑1 5mm 外徑3 6mm 鉑絲11纏在直徑0 3mm的管外 兩端由燃燒管的小孔引出 接在變壓器t上 鉑銠熱電偶10 它的兩端接上銅導(dǎo)線構(gòu)成冷接點(diǎn)置于冷瓶3中 然后連到高溫計(jì)4以測(cè)量火源溫度 銅制試料管5 長(zhǎng)100mm 內(nèi)徑9 5mm 通過導(dǎo)管6與電磁氣筒7連接 排塵管內(nèi)裝有濾塵板 并和小風(fēng)機(jī)9連接 試驗(yàn)的程序是 將粉碎后全部通過75 m篩孔的煤樣在105 溫度時(shí)烘干2h 稱量1g塵樣放在試料管中 接通加熱器電源 調(diào)節(jié)可變電阻r將加熱器的溫度升至1100 5 按壓電磁氣筒開關(guān)k2 煤塵試樣呈霧狀噴入燃燒管 同時(shí)觀察大管內(nèi)煤塵燃燒狀態(tài) 最后開動(dòng)小風(fēng)機(jī)排除煙塵 煤塵通過燃燒管內(nèi)的加熱器時(shí) 可能出現(xiàn)下列現(xiàn)象 一 只出現(xiàn)稀少的火星或根本沒有火星 二 火焰向加熱器兩側(cè)以連續(xù)或不連續(xù)的形式在塵霧中緩慢地蔓延 三 火焰極快地蔓延 甚至沖出燃燒管外 有時(shí)還會(huì)聽到爆炸聲 同一試樣應(yīng)重復(fù)進(jìn)行5次試驗(yàn) 其中只要有一次出現(xiàn)燃燒火焰 就定為爆炸危險(xiǎn)煤塵 在5次試驗(yàn)中都沒有出現(xiàn)火焰或只出現(xiàn)稀少火星 必須重做5次試驗(yàn) 如果仍然如此 定為無爆炸危險(xiǎn)煤塵 在重做的試驗(yàn)中 只要有一次出現(xiàn)燃燒火焰 仍應(yīng)定為爆炸危險(xiǎn)煤塵