第1章绪论

矿业是国民经济的基础产业，但矿井建设及生产过程产生的矿尘对矿山从业人员的健康和生命安全造成严重危害及威胁。为防治矿尘灾害，实现矿业安全健康发展，国内外科技工作者进行了长期而卓有成效的研究，不断推出矿尘防治的研究成果，使矿尘防治的理论和技术得到不断完善和成熟，形成了一套较完整的反映矿尘产生、危害及其防治的科学与技术体系，作者对此进行了系统总结与概括，编写了本书，以进一步推动矿尘防治的科技进步。本章简要介绍矿尘的危害、矿尘防治技术的发展及本书的主要内容与特色。

1.1矿尘的危害

矿尘是矿山开采中的最主要职业危害与自然灾害之一。矿尘的危害主要体现在两个方面：一方面，矿山工人长期吸入高浓度的呼吸性粉尘，可导致其肺部组织发生不可治愈性的纤维性病变(即尘肺病)，使其终生痛苦不堪，甚至因尘肺病而丧失生命；另一方面，具有爆炸危险性的煤尘在一定条件下可发生煤尘爆炸，造成重大人员伤亡。尘肺病和煤尘爆炸造成的经济损失都是十分巨大的，并带来极其不良的社会影响。

1.1.1尘肺病1. 人类认识尘肺的过程1866年，德国学者曾克尔(Zenker)首先提出了"尘肺"这一名词，用以概括因吸入粉尘所致的肺部疾病［1］，从而使尘肺作为一种独立疾病列入了肺疾病的分类之中。1896年，德国物理学家威廉 康拉德 伦琴发明了X光机，为识别尘肺病提供了手段。1930年，在南非约翰内斯堡召开的及时届国际尘肺会议上，将尘肺定义为"吸入游离SiO2所致的肺部疾病状态"［2］，以后认识到其他粉尘亦能引起尘肺病，尘肺病被定义为"吸入粉尘而发生的以肺组织纤维化为主的疾病"。

2. 矿山尘肺病现状

尘肺病是矿山最主要、最严重的职业病。与安全生产事故相比，尘肺病更具普遍性，广泛存在于世界各主要产煤国。例如，美国井工煤矿工龄在25年以上的工人的尘肺病检出率高达8%，1970～2004年因尘肺病死亡69 337人，远多于同时期煤矿事故死亡人数总和；此外，1980～2005年因尘肺病造成直接经济损失超过390亿美元［3］。英国煤矿1996～2011年新增尘肺病7800例，1993～2010年因尘肺病死亡3741人，即平均每年有约208人死于尘肺病［4］，而该国1993年以来每年因煤矿事故死亡的人数一直在20人以内［5］。

我国是世界上接触粉尘和患尘肺患者数最多的国家［6］，接尘工人超过2000万人［7］，据卫生部通报数据，截至2012年年底，全国累计报告尘肺病727 148例，死亡149 110例，其中2012年共报告尘肺病新病例24 206例，占2012年职业病报告总例数的88.28%；2013年共报告尘肺病新病例23 152例。与其他行业比较，煤炭行业的尘肺病问题最为严重，全国煤矿有数百万名接尘矿工，患尘肺患者数占全国尘肺病患者总人数的50%左右［8］。当前，我国煤矿每年因尘肺病死亡人数已超过各类事故死亡人数的总和，如2012年煤矿事故死亡人数已控制在1400人以下，但尘肺病死亡人数则高达1800人，尘肺病防治形势日趋严峻［9］。

1.1.2煤尘爆炸1. 人类认识煤尘爆炸的过程1803年，英国沃尔德逊煤矿发生的一起煤尘爆炸事故，是世界上有记载的及时起煤尘爆炸事故。1880年，英国化学家弗雷德里克 亚伯(Frederick Abel)对英国锡厄姆(Seaham)发生一起导致164人死亡的爆炸事故进行调查，对煤尘的爆炸性进行了试验并确认了煤尘的爆炸性。1906年，在法国考瑞尔斯矿(Courriers mine)发生了一起煤尘爆炸事故，导致1096人死亡，这次事故震惊了全世界，自此各国加快了研究煤尘爆炸防治理论与技术的步伐［10，11］。

2. 煤尘爆炸的灾难性

煤尘爆炸是煤矿中致灾性最严重的灾害。与瓦斯爆炸相比，煤尘爆炸的强度和致灾范围更大、破坏性更强，造成的灾难更为严重。在世界煤炭开采史上，死亡人数最多的矿难几乎都是煤尘或瓦斯煤尘爆炸事故。如表1.1所列，世界上有记载的18起死亡300人以上煤矿特大事故中，16起为煤尘爆炸或瓦斯煤尘爆炸事故［12］，事故起数占88.9%，死亡人数占91.6%。

表1.1世界煤矿死亡300人以上的特大事故

我国的煤尘爆炸灾害十分严重，国有重点煤矿中有532处煤矿的煤尘具有爆炸危险性，占87.37%，具有煤尘强爆炸性的煤矿占60%以上［13］。1949～2013年全国煤矿发生死亡百人以上特大事故25起［14］，死亡3953人，其中14起为煤尘爆炸事故或瓦斯煤尘爆炸事故，死亡2359人，事故起数占56%，死亡人数占59.7%，见表1.2。

表1.2全国煤矿死亡百人以上的特大事故(1949～2013年)

1.2矿尘防治技术的发展

1.2.1世界矿尘防治技术的发展

自1803年英国发生有史记载的最早一起煤尘爆炸事故和1866年德国学者提出"尘肺"概念以来，世界各采矿国家为防治矿尘灾害进行了艰苦卓绝的探索，经过上百年的发展，国际上已经形成了涵盖煤层注水减尘、通风除尘、喷雾降尘、泡沫降尘、个体防尘、阻隔爆技术、矿尘检测与监测等技术的综合防尘技术体系。

1. 煤层注水减尘

20世纪40年代，苏联为解决由于机械化采煤中的粉尘问题，首次开展了煤层注水减尘的试验并取得较显著效果，煤层注水技术被列入了煤矿作业规程［15］。德国于1943年在鲁尔区开始短钻孔注水试验，1948年在该煤田所有矿井推广。自20世纪50年代起，波兰、英国、比利时和美国等主要产煤国都开展了煤层注水试验研究与推广［16］，煤层注水成为采煤工作面的一项基本防尘措施。为提高煤层注水的减尘效果，苏联研制出能自动调节注水参数的注水泵［17］，德国研制出注水恒定流量控制阀和动压多孔注水控制技术，美国矿业局研制出一种高效和低成本的注水钻孔封孔器 ［18，19］。经过半个多世纪的发展，煤层注水现已成为世界上采煤国家适宜注水煤层广泛采用的一项成熟技术。

2. 通风除尘

通风除尘包括通风排尘、通风控尘与除尘器除尘。通风排尘是矿井通风最基本的任务之一。德国人格奥尔格 阿格里科拉(Georgius Agricola)在1556年完成及时部涉及采矿的著作De Re Metallica(《矿冶全书》)中，首次对通风排尘作用进行了描述［20］，以后经过不断发展，形成了较完善的矿井通风理论。自20世纪50年代起，除尘器开始在煤矿获得应用，主要用于当通风排尘不能满足要求的地点。除尘器除尘包括干式除尘器和湿式除尘器［21～23］。湿式除尘器分为湿式过滤、湿式洗涤以及湿式旋流除尘器，70年代中期，英国、美国分别研制出在连采机上使用的小型湿式过滤除尘器，因其体积小、能耗低、运行，对呼吸性粉尘除尘效率高，后成为煤矿中使用最为普遍的除尘设备［24］。干式除尘器分为重力、旋风以及袋式除尘器，其中重力除尘器与旋风除尘器用于多级除尘的预处理，干式除尘器以袋式除尘器为主要代表，可用于大型掘进巷道的除尘，目前在矿井应用较少。通风控尘是配合通风排尘和除尘器使用的控风设施，包括附壁风筒、风幕和挡尘帘等。附壁风筒是在60年代由德国学者克 雷内尔提出的一种利用对流附壁效应的风筒，用于改变掘进面的风流状态，现主要与除尘器配合使用，以保障含尘风流能有效进入到除尘器中［25，26］。

3. 喷雾降尘与泡沫降尘

人类对喷雾捕尘的认识始于雨滴洗涤大气中的尘埃。早在1911～1925年，英国、美国等国家开始利用喷雾、洒水等措施进行降尘［27］。20世纪30～40年代中期，雾化方式以直射雾化为主，50年代后，离心雾化、旋转雾化、撞击雾化等方式开始出现。喷雾降尘的作用主要是通过对水的雾化，利用雾滴捕尘，但效率不高，美国矿业局测定的结果为20%～60%，平均降尘率为30%。70年代，各国大力研究高压水射流辅助截割技术，美国矿业局匹茨堡研究中心在研究中发现，当工作水压达到12.7MPa时，可以显著降低割煤时的呼吸性粉尘产生量，此后苏联、德国、英国、澳大利亚等国也陆续开始了高压喷雾降尘技术的研究［28］。70年代，美国提出了内喷雾技术，最初是为预防采掘机械产生摩擦火花，防止瓦斯燃烧与爆炸，随后研究表明内喷雾能在煤尘未进入空气中之前将其润湿，可避免大量浮尘的产生，显著降低采煤工作面的粉尘浓度。由于密封和堵塞问题难以解决，直到90年代初，美国才开始强制使用内喷雾系统［29］，目前内喷雾技术在世界范围内受到广泛关注，被认为是能够大幅降低呼吸性粉尘的浓度的关键技术。

为提高降尘率，20世纪40年代后期，英国行矿山泡沫降尘的研究，之后苏联、匈牙利、美国、比利时、德国、日本围绕井下采掘主要产尘地点的泡沫降尘技术进行了研究，在应用中也取得了高效降尘的效果，但因面临泡沫制备技术复杂和运行成本高的问题，导致泡沫降尘技术的发展和应用受到制约。

4. 个体防尘

矿井的一些重点产尘环节，尽管采取了防尘措施，但也难以使粉尘浓度达到卫生标准，有时还严重超标，所以，个体防护是综合防尘工作中的一个关口。20世纪初期，欧洲的一些工业化程度较高的国家为了保障工人的身体健康，率先采用海绵防尘口罩作为个体防尘护具； 50年代，欧洲、美国开始采用纱布口罩作为自吸过滤式的防尘护具，但是纱布口罩只能过滤5μm以上的颗粒；70年代后期，美国研究出一种直径5μm以下的气流喷射法纺的超细纤维，近年来又研制出熔喷布的纤维，以聚丙烯为主要原料，纤维直径可达0.5～0.1μm，成为个体防护装备主要的过滤材料。美国、法国等在80年代研发出电动送风正压防尘口罩和电动送风防尘头盔，克服了自吸过滤式呼吸阻力偏高的缺点，缓解了阻尘率与呼吸阻力之间的矛盾，但也存在造价高和较笨重的不足。

5. 阻隔爆技术

1910年，法国人塔法内尔(Taffanel)设计出了世界上及时个以搁板式粉尘隔爆棚［30］。此后，德国又提出了水槽棚的隔爆措施，至今这两种方式仍为煤矿阻隔爆的必备手段。现在使用最广泛的隔爆棚是波兰提出的搁板式岩粉隔爆棚和德国提出的水槽棚。为解决搁板式岩粉防潮湿的难题，南非提出了吊挂式岩粉隔爆袋。世界各国还广泛采用在煤矿井下开采具有煤尘爆炸危险性的地点撒布岩粉作为预防煤尘爆炸的措施，也是防止事故扩大的有效方法。近年来，南非、波兰、澳大利亚等发达采矿国家已研制出主动(自动)抑爆装置，并在一定范围内进行了试验应用。随着科技的不断进步，自动抑爆装置将会得到更多应用。

6. 矿尘检测与监测

20世纪中叶，英国医学研究委员会(BMRC)和美国原子能委员会(AEC)分别提出了粉尘采样标准曲线，并于1959年在南非国际尘肺会议上得到承认。该会议期间同时确定了以计重法表示粉尘浓度。此后，矿尘浓度检测与监测仪器即依据上述粉尘采样标准曲线进行研制和校验。矿尘浓度监测仪器经历了由单纯采样向采样兼实时测定等功能的发展，其采样方式经历了由短时到长时、单点到多点、个体采样与定点采样相结合的转变。目前国内外矿山企业使用较多的矿尘浓度监测仪器为个体采样器和基于光散射和β射线吸收等原理的矿尘直读仪以及矿尘浓度传感器。矿尘中游离SiO2含量检测技术经历了由化学方法(焦磷酸重量法)向物理方法(X射线衍射法和红外分光光度法)的转变。国际常用的矿尘分散度检测技术有安德逊移液管法、滤膜溶解涂片法和激光粒度分析法等。

1.2.2我国矿尘防治技术的发展

新中国成立以来，我国在矿尘防治技术方面进行了长期而艰辛的探索与实践，经历了一个从无到有、从单一手段到综合防尘、从常规手段到新兴技术不断涌现的发展过程。

新中国成立初期，我国煤矿井下基本没有防尘措施，普遍采用干式作业，作业场所岩尘浓度平均高达120～180mg/m3、煤尘浓度平均高达400～1000mg/m3［31］，粉尘危害逐步显现出来，引起了党和国家的高度重视。1956年，国务院了《关于防止厂、矿企业中矽尘危害的决定》，明确规定：矿山应采用湿式凿岩和机械通风；厂矿企业工作地点，游离SiO2含量超过10%的粉尘，浓度必须降到2mg/m3以下［32］。1956～1957年，煤炭部抚顺科学研究院在本溪彩屯矿进行了国内及时次长钻孔煤层注水的试验［33］。从1958年起，国有重点煤矿绝大多数全岩及半煤岩掘进工作面实现了