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煤矿粉尘

一、什么是煤矿粉尘 

  在煤矿生产过程中,破碎煤炭和岩石所产生的微小煤岩颗粒叫做煤矿粉尘。井下施工用的粉状材料飞扬起来也能成为煤矿粉尘的附加粉尘,如黄土、水泥、砂子和隔绝煤尘爆炸用的岩粉等。在煤矿粉尘中,尘粒直径小于 1毫米的煤炭颗粒叫做煤尘,尘粒直径小于5微米的岩石颗粒叫做岩尘。(1米=1000毫米,1毫米=1000微米,一根头发丝大约有70~80微米那么粗细)。有关煤矿防治粉尘的各种措施统称为煤矿综合防尘措施。

  在各类煤炭中,多数煤炭所生成的煤尘都具有爆炸性。这些煤尘飞扬在空气中达到一定浓度时,在引爆热源的作用下,煤尘本身能够单独发生爆炸。这样的煤尘叫做爆炸性煤尘。相反,不具有爆炸性的煤尘叫做无爆炸性煤尘。在爆炸性煤尘中,尘粒直径小于 1毫米的煤尘颗粒都能参加爆炸。为了研究和预防煤尘爆炸,我们把直径小于1毫米的煤炭颗粒叫做煤尘。

  飞扬在空气中的粉尘随着人的呼吸进入人体的呼吸器官,其中较大的粉尘可以排出体外,而直径小于 5微米的粉尘却沉留在肺部而引起尘肺病。我们把这样的粉尘叫做呼吸性粉尘。岩尘能引起矽肺病,这是容易发病且病情严重的一种尘肺病。为研究矽肺病的防治我们把直径小于5微米的岩石颗粒叫做岩尘。

  悬浮在空气中的粉尘叫做浮游粉尘,沉落在巷道两邦、顶底板顶或设备、物料上的粉尘叫沉积粉尘。 

二、煤矿粉尘的来源 

  在煤矿生产过程中产生粉尘的主要环节有:电钻或风钻打眼、放炮、风镐或机械采煤、人工或机械装碴、人工攉煤或机械装煤、自溜运输、各种方式的运输或转载、工作面放顶及假顶下的支护、挑顶刷帮以及提升卸载等。井下粉尘较多的地点有:采煤或掘进工作面、自溜运输巷道、皮带运输机的转载点、煤仓和溜煤眼的上下口以及井口的卸载点等

  落煤时,煤炭经受破碎,在装煤、运输和转载过程中还会不断碰撞破碎,使煤尘不断增多。随着生产规模的扩大和矿井机械化程度的提高,煤矿粉尘的生成量还要迅速增大。据有关资料统计,在现代化煤矿中,一昼夜煤尘的生成量可以达到矿井煤炭产量的 3%。除在落煤等生产过程中煤炭不断破碎而产生的煤尘外,在煤层还没有采落以前,它内部许多裂隙中就已经存在着一些煤尘。这些煤尘是由于煤层在构造运动中受挤压或在开采前受地层集中压力的作用而产生的,它们和裂隙同时形成并存在于这些裂隙之中,随着煤层的采落和破碎而进入井下空气,这些煤尘叫做原生煤尘。岩尘主要产生于岩石或半岩掘进工作面。在采煤工作面放顶或干式充填时也会产生大量岩尘。

  井下施工用的粉状材料有时会成为高浓度的有害粉尘。例如在掘进工作面进行锚喷作业时,喷射水泥砂浆或混凝土就产生大量的水泥和砂粒粉尘,它已经成为推广锚喷支护法必须解决的粉尘危害。 

三、粉尘的多少和哪些因素有关 

  在不同的矿井里,由于煤层和岩层的地质条件不同,作业方法和机械化程度不同,粉尘的生成量和浓度是有很大差别的,即使在同一个矿井里,粉尘的多少也很不相同。那么粉尘的生成量及其浓度和哪些因素有关呢?

1.同煤(岩)层的地质条件有关。煤(岩)层脆性大,节理裂隙发育,疏松而干燥时,产生的粉尘就多;煤(岩)层的地质构造复杂、断层和褶皱多、煤岩受地质运动破坏强烈时,采掘过程中产生的粉尘就多,相反则较少。例如在砂岩、砾岩或其他含有大量石英石的岩层掘进或放顶时,产生的岩尘较多,而在较软且带有塑性的页岩、泥岩中作业,岩尘则较少;又如,开采坚硬的无烟煤或脆性大的肥焦煤时,产生的煤尘比采其他煤种时多。另外,倾角大的煤层在开采中比倾角小的煤层粉尘浓度大。

2.同采掘作业的方法和工艺有关。机械化采掘作业的粉尘量比打眼放炮作业可以高出10倍以上。机械化程度越高,防尘工作越重要。机械化采掘时,截齿宽度、截齿排列方式、切割速度、切割深度和牵引速度都会影响粉尘的生成量。用全部陷落法管理顶板比水砂充填法产生的粉尘量大,用倒台阶采煤法比水平分层采煤法产生的粉尘量大。

3.粉尘浓度同通风状况及采掘空间的大小有关。合理的通风风量可以冲淡粉尘并把它带走,风量太小会提高粉尘浓度,风量过大提高了风流速度会把沉积煤尘吹扬起来。薄煤层工作面空间窄小,粉尘浓度可能相对提高。 

四、粉尘的粒度 

  粉尘的粒度就是粉尘颗粒的大小,用粉尘横断面的直径(叫做粒径)来表示,常用毫米或微米为度量单位。按照粉尘的可见程度和沉降状况可把粉尘分为三类:第一类是粒度大于 10微米的粉尘,在强光下肉眼可以看见,在静止空气中加速沉降;第二类是粒度在0.1~10微米的粉尘,要在显微镜下才能看见,在静止空气中等速沉降;第三类是粒度小于0.1微米的粉尘,只能在超显微镜下才能看见,在空气中不会沉降而长期悬浮。在井下照明度很差的情况下,有时100微米的尘粒用肉眼也难以看见。井下空气中的大量呼吸性粉尘容易被人们所忽视,因而必须及时用仪器测定它们的浓度,以便采取有效的防止措施。

  细微的粉尘由于粒度小、重量轻,在它的周围还吸附了一层空气薄膜,能够阻碍尘粒相互凝聚,因此在空气中不易沉降下来,这叫做粉尘的悬浮性。粒度大、比重大的粉尘比较容易沉降。粒度大于 10微米的尘粒大都可以较快地降落;粒度等于10微米的尘粒半小时后仍有一部分没有降落;粒度等于1微米的尘粒在一天之内也降落不下来。井下沉积煤尘多属于10微米或更大的粉尘。

  粉尘中的各种粒度或粒级(如 0~2.5微米等)占粉尘总粒数或总重要的百分比叫做粉尘的粒度分布,它反映某一地点粉尘粒度的组成情况。例如某掘进工作面进行湿式凿岩时,2.5微米以下的粉尘占粉尘总粒数61.5%,2.5~5微米的粉尘占28.0%,大于5微米的占10.5%。 

五、粉尘的成分 

  煤矿井下的粉尘是成分很复杂的混合物,其中有煤炭或岩石的尘粒,有炮烟和油雾,有钎头、钢轨磨损后的金属微粒等,其中主要是煤岩尘粒。煤岩尘粒本身又有复杂的矿物成分和化学成分,其中对人体危害较大的成分是游离的二氧化硅,它是使矿工患矽肺病的主要物质。一般说来,煤岩粉尘中的游离二氧化硅含量越高,矿工患矽肺病的危险性越在。游离的二氧化硅实际上就是石英一类的矿物,是组成多种岩石最常见的矿物之一;它几乎是二氧化硅单一化学成分的矿物,以游离的状态存在于多种岩石中,或者单独形成石英岩体,因此把它叫做游离二氧化硅。在另外的某些岩石中,二氧化硅则是以化合物的状态存在。这些非游离的二氧化硅对人体的危害则轻得多。纯石英是无色透明的,多数石英混有杂质而有各种颜色,比重和硬度都很大。在煤矿常见的岩石中,石英是构成各种砂岩的主体成分,砂岩中所含游离二氧化硅为 33~76%。石英也是砂质页岩、砾岩和泥质页岩的重要成分。砂质页岩中游离二氧化硅含量为47~53%,泥质页岩中游离二氧化硅含量为2.6~26%,而在煤炭中一般均在5%以下。我国政府对矿井粉尘的允许浓度,就是按照煤岩中游离二氧化硅的含量而分别作出规定的。由于石英比重大、硬度高,含石英多的尘粒往往比其他尘粒的粒度大而重,在空气中比较容易沉降,因此浮游粉尘样品的游离二氧化硅含量测定值小于矿岩分析的含量则较大。 

六、煤尘爆炸需要哪些条件 

    煤尘爆炸是煤矿主要自然灾害之一。同时具备以下三个条件时可以发生煤尘爆炸:

    1.煤尘本身具有爆炸性。煤尘本身是否有爆炸性,应当在井下采取煤样,送相关煤炭科学研究院进行煤尘爆炸性鉴定后确定。一般说来,无烟煤除个别情况外大多属无爆炸性煤尘,而其余的各类煤炭均属爆炸性煤尘。煤的碳化程度越低,挥发分产率越高,煤尘的爆炸性就越强。据爆炸性鉴定结果统计,我国煤矿中88%的矿井具有煤尘爆炸危险。发生煤尘爆炸时,粒度小于1毫米的煤尘都能参与爆炸,但爆炸的主体是粒度小于0.075毫米的煤尘。

    2.浮游煤尘具有一定的浓度。煤尘能够爆炸的最低或最高浓度称为爆炸的下限浓度。低于下限浓度或高于上限浓度的煤尘都不会发生爆炸。不同种类的煤炭和不同的试验条件所得到的爆炸上下限浓度是不相同的,但一般来说,煤尘爆炸的下限浓度为30~50克/米 3 ,上限浓度为1000~2000克/米 3 ,其中爆炸力最强的浓度为300~400克/米 3 。井下空气中如果有沼气和煤尘同时存在,可以相互降低两者的爆炸下限,从而增加瓦斯煤尘爆炸的危险性。沼气浓度达到 3.5%时,煤尘浓度只要达到6.1克/米 3 ,就可能发生爆炸。

    3.点燃煤尘的引爆火源。煤尘爆炸的引爆温度一般为650~990℃,这种温度在井下各种作业地点是容易产生的。温度越高越容易引起爆炸。如果空气中含氧量降低,则引爆温度升高,含氧量低于17%时,煤尘就不会爆炸。 

七、煤尘爆炸的过程和特点 

  具有爆炸性的煤尘遇到火源时,火源周围煤尘迅速气化放出可燃性气体,这些气体与空气混合被点燃,燃烧的热量传递给附近的煤尘又使它们受热气化和燃烧;这种煤尘气化燃烧不断循环扩展下去,传播速度越来越快,最终使煤尘的燃烧转变为爆炸。在发生爆炸的地点,空气受热膨胀,空气密度变稀薄,在一个极短时间内形成负压区,外部空气在气压差的作用下向爆炸地点反流冲击,带来新鲜空气,这时爆炸地点如还有煤尘、沼气和火源,可能连续发生第二次爆炸,造成更大灾害。

  煤尘爆炸可放出大量热能,爆炸火焰温度高达 1600~1900℃,使人员和设备受到严重损害。煤尘爆炸时,爆源10~30米内的破坏程度较轻。在爆炸区内,离爆源越远,爆炸压力越高,破坏力越强。国外实测的煤尘爆炸压力可达19个大气压。在煤尘爆炸中,火焰的传播速度和爆炸冲击波速度越传越快,而冲击波越来越超前于火焰的传播。这样,巷道中沉积的煤尘先被冲击波扬起,尔后随即被火焰点燃爆炸,使爆炸不断向远处蓦延。国外实测的火焰传播速度为610~1800米/秒,而爆炸冲击波最高速度,据计算可达2340米/秒。煤尘爆炸气体中有大量的二氧化碳和一氧化碳,灾区空气中一氧化碳含量可高达2~3%,这是造成人员死亡的主要原因。结焦性的煤尘发生强爆炸时,有部分煤尘被焦化而形成焦炭皮渣或粘块附着在支柱的背风侧,而迎风侧有烧痕;在弱爆炸时,皮渣与粘块在支柱的迎风侧。 

八、引起煤尘爆炸的原因 

  我国大多数煤矿属于具有煤尘爆炸危险的矿井。在矿井生产过程中,煤尘浓度达到爆炸下限的情况虽然并不常见,但在煤层中放炮的瞬间和放炮后的短时间内,由于煤炭的破碎和附近沉积的煤尘被扬起,常使悬浮煤尘达到爆炸的下限浓度。另外,矿井巷道中普遍有大量的连续沉积的煤尘,这些煤尘如果重新飞扬在空气中就可以迅速达到爆炸下限的浓度,这是使许多局部性事故迅速扩大成区域性事故或全矿性重大恶性事故的主要原因。矿井中可以引起煤尘爆炸的火源是经常可能发生的,如放炮产生的火源、电气火花、局部地点的火灾或沼气爆炸、金属摩擦热或碰撞火花等,都可以引起煤尘爆炸事故。

    引起煤尘爆炸的直接原因常见有以下几种:

    1.使用非煤矿安全炸药在煤层中放炮,放炮的火焰把爆破后扬起的煤尘点燃引爆;

    2.放炮时违章操作(如不掏净炮眼内的煤粉、不填或少填炮泥、用炮纸和煤粉代替炮泥、放炮前不洒水等),使放炮时出现明火把煤尘引爆;

    3.不适当地使用毫秒雷管(如毫秒雷和最后一段延期时间超过130毫秒等)或在煤层中使用段发雷管,使后起爆的爆炸火焰点燃先起爆形成的高浓度煤尘和沼气;

    4.在煤层中放连珠炮,用多根放炮导线连续放炮;

    5.在有煤尘沉积的地方放明炮或在煤仓中放炮处理堵仓;

    6. 倾斜井巷中跑车,矿车和轨道的摩擦热或碰撞火花点燃被扬起的沉积煤尘;

    7.局部火灾或沼气爆炸点燃被扬起的沉积煤尘等。 

九、煤尘爆炸事故实例 

  人们虽然已经掌握了煤尘爆炸的条件和引起爆炸的原因等知识,但是在煤矿生产中仍然有人对煤尘爆炸的危险性认识不足,沼气超限时警惕性较高,而煤尘浓度很高、沉积的煤尘很多时却不那么重视。因此,需要从许多煤尘爆炸的事故教训中提高我们的认识。下面例举了国内外一些较大的煤尘爆炸事故实例。

    1.1906年在法国古利耶尔煤矿由于药包爆炸引燃附近飞扬起来的煤尘并发生爆炸。后又因沉积的煤尘不断被冲击波吹起而传播了爆炸,使事故扩展到全矿,蔓延井巷长度达100公里,死亡1099人。事故后经过两年才恢复生产;

    2.1907年,美国的孟诺加矿井由于斜井提升钢丝绳被拉断,18辆矿车组成的装煤列车高速下滑撞断电机车架线,产生的火花引燃了被矿车扬起的煤尘,在下部车场发生了煤尘爆炸,井下的370名工人除8名脱险外其余全部死亡;

    3.1910年英国黑里顿矿井发生煤尘和沼气爆炸,死亡的346人中有287人因一氧化碳中毒而死;

    4.1942年我国本溪煤矿发生了历史上最大的煤尘爆炸。事故前由于井下停电而引民沼气积聚,恢复供电时,电气火花引起积聚的沼气爆炸,后又引燃了被扬起的沉积煤尘,发生大规模煤尘爆炸,1549人死亡,伤残246人。

    5.1963年日本三池煤矿发生跑车事故,井筒内沉积的煤尘扬起,被矿车和轨道的高速摩擦热点燃发生爆炸,死伤1290人。

    我国解放后也曾有过煤尘爆炸的教训,应当引以为戒。 

十、尘肺病的种类和危害 

  煤矿工人长期吸入矿井空气中的浮游粉尘而引起肺部的病变,总称为矿工尘肺病。尘肺病包括矽肺病、煤肺病和煤矽肺病三种。

1.矽肺病 长期吸入含游离二氧化硅10%以上的岩尘而引起的尘肺病叫矽肺病。矿工在高浓度的岩尘空气中工作,一般平均5~10年内就能得矽肺病,有时可能在2~3年甚至一年半之内就会得病。矽肺病的发展可分为三期:一期矽肺往往无症状,有的在紧张劳动时感到呼吸困难,稍有干咳、胸痛;二期矽肺只是在中等劳动时才感到呼吸困难和干咳、胸痛;三期矽肺在一般工作或休息时都感到呼吸困难,咳嗽带痰和胸痛,重者出现全身衰竭,容易并发肺结核,这是矽肺病死亡的主要原因。

  矽肺病的病因主要是矽尘进入肺部后,矽尘中的二氧化硅使肺部抵抗粉尘侵害的吞噬细胞受到破坏,引起肺脏纤维性硬化而失去正常功能。

2.煤肺病 矿工长期吸入煤尘所引起的尘肺病叫煤肺病。煤肺病的病情比矽肺病缓和些,而且得病的年限比较长,病情的发展也比较缓慢,但最终也能使矿工失去劳动能力。在高浓度的煤尘空气中工作,一般10~15年可得煤肺病。

3.煤矽肺病 即接触煤尘又接触矽尘的煤矿工人可能得煤矽肺病。煤矽肺病兼有矽肺病和煤肺病的特点,是煤矿最常见的尘肺病。它的病情和得病的年限比单纯的煤肺病严重得多,对人体危害也较大。

  煤矿的尘肺病是威胁矿工的一把软刀子,但是只要我们认真执行矿井综合防尘措施,尘肺病是能预防的。 

十一、尘肺病和哪些因素有关 

    尘肺病的发病年限、病情轻重、得病人数与矿井的下列因素有关:

    1.粉尘的成分 粉尘中游离二氧化硅含量越高,发病的年限越短,得病的人数也越多。在含有80~95%游离二氧化硅的粉尘空气中工作,发病年限可缩短到一年半。

    2.粉尘的浮游浓度 在浓度很高的粉尘环境中工作,进入肺部的粉尘量增大,加快了尘肺病的发展,使发病年限缩短,得病的人数也增多,得病后病情的发展也较快。因此,降低粉尘浓度是预防尘肺病的最主要措施。

    3.粉尘的粒度 各种粒度的粉尘并不是都能进入人体肺部的。粒度大于25微米的尘粒被鼻毛阻留在鼻孔内,5~25微米的尘粒大多阻留在鼻腔的通道和湿润的粘膜上,一部分则阻留在呼吸道的表皮上。以上这些较大的尘粒都可以通过咳嗽或其他形式排出体外。最后进入肺内的属于5微米以下的尘粒,其中的一部分还可以在呼吸时排出体外,一部分则留在肺细胞中。留在肺细胞中的尘粒多数是0.2~2微米的粉尘。因此,粉尘中呼吸性粉尘的含量越大,尘肺发展越快。

    4.工人接触粉尘的工龄 工龄越长,在肺内沉留的粉尘越多,发病的可能性越大,但也同工龄期中接触粉尘的浓度和成分有关。

    5.工人的体质 在粉尘相同和工龄相同的条件下,由于工人体质不同,肺部抵抗粉尘侵害的能力也不同。在一般情况下,得病只是一部分人,而且病情的严重程度也不一致。因此,安排好工人生活,保证必要的休息和睡眠都是预防职业病的重要措施。

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