《矿尘防控技术》系统介绍了煤矿粉尘产生、运移、防治的前沿理论和技术成果，主要包括矿尘理化特性及煤岩产尘机理、综采(掘)面多源粉尘运移与时空分布规律、煤层注水湿润减尘技术、绿色高效泡沫抑尘技术、分源喷雾降尘技术、活性磁化水降尘技术、矿井通风控除尘技术、矿井粉尘在线监测与预警技术等内容。

目录
前言
第1章 矿尘理化特性及煤岩产尘机理 1
1.1 矿尘的危害 1
1.2 矿尘理化特性 2
1.2.1 矿尘孔隙结构与分形特征 3
1.2.2 矿尘表面官能团 8
1.2.3 矿尘表面电位 12
1.2.4 矿尘吸附特性 13
1.2.5 矿尘湿润性 15
1.3 煤岩截割产尘机理 20
1.3.1 煤岩截割产尘机制 20
1.3.2 煤岩理化特性对截割产尘的影响 23
1.3.3 工况参数对煤岩产尘特性的影响 32
参考文献 40
第2章 综采(掘)面多源粉尘运移与时空分布规律 43
2.1 风流-粉尘两相运动数学模型 43
2.1.1 数值模拟基本假设 43
2.1.2 粉尘的受力模型 43
2.1.3 离散相的运动数学模型 45
2.2 综采工作面多源粉尘运移与时空分布规律 48
2.2.1 滚筒割煤过程中粉尘产生及运移规律 48
2.2.2 移架过程中粉尘产生及运移规律 54
2.2.3 煤炭输送过程中粉尘产生及运移规律 56
2.2.4 综采工作面多源粉尘浓度分布演变规律 58
2.3 综掘工作面多源粉尘运移与时空分布规律 62
2.3.1 综掘工作面粉尘来源 62
2.3.2 数值模拟网格及参数设置 63
2.3.3 综掘工作面风流场分布规律研究 67
2.3.4 综掘工作面粉尘运移规律研究 71
参考文献 75
第3章 煤层注水湿润减尘技术 77
3.1 煤层逾裂湿润减尘原理及影响因素 77
3.1.1 逾裂湿润减尘原理 77
3.1.2 煤层湿润减尘影响因素 79
3.2 煤层注水及封孔方法 87
3.2.1 煤层注水方式 87
3.2.2 封孔方法 96
3.3 煤层增渗注水减尘 100
3.3.1 脉动水力压裂注水减尘 100
3.3.2 煤层分区强化注水减尘 103
参考文献 107
第4章 绿色高效泡沫抑尘技术 109
4.1 泡沫抑尘原理 109
4.1.1 泡沫的形成 109
4.1.2 矿用泡沫抑尘系统 110
4.1.3 泡沫抑尘原理 111
4.2 发泡剂 114
4.2.1 降尘发泡剂的要求 114
4.2.2 常规发泡剂特性 115
4.2.3 高效环保降尘发泡剂 116
4.3 泡沫抑尘系统 120
4.3.1 发泡剂添加装置 120
4.3.2 发泡器 127
4.3.3 泡沫喷嘴 131
4.3.4 泡沫喷嘴安装支架 135
4.4 泡沫抑尘技术工程应用 138
4.4.1 掘进工作面泡沫抑尘工程应用 138
4.4.2 综采工作面泡沫抑尘工程应用 141
4.4.3 皮带转载点泡沫抑尘工程应用 145
参考文献 147
第5章 分源喷雾降尘技术 151
5.1 雾滴湿润凝并粉尘机制 151
5.1.1 雾滴-粉尘湿润凝并方式 151
5.1.2 雾滴-粉尘碰撞凝并影响因素 156
5.2 采掘工作面分源喷雾降尘方法 161
5.2.1 采掘工作面主要尘源 161
5.2.2 综采工作面雾化喷嘴及其喷雾装置 163
5.2.3 综掘工作面气水两相喷雾装置 168
5.2.4 采掘工作面分源雾化降尘方法 172
5.3 采掘工作面分源喷雾降尘工程应用 176
5.3.1 综采工作面喷雾降尘技术工程应用 176
5.3.2 综掘工作面喷雾降尘技术工程应用 181
参考文献 184
第6章 活性磁化水降尘技术 186
6.1 活性磁化水降尘机制 186
6.1.1 磁场对水湿润性的改善原理 186
6.1.2 表面活性剂对水湿润性的作用原理 192
6.1.3 表面活性剂与磁化协同增效理论 194
6.2 活性磁化水添加剂 196
6.2.1 活性磁化水添加剂要求 196
6.2.2 活性磁化水添加剂研发及性能 197
6.3 磁化装置 200
6.3.1 活性磁化水高效磁化方式 200
6.3.2 活性磁化水高效磁化参数 201
6.3.3 活性磁化水高效磁化装置的研制 205
6.4 活性磁化水雾化降尘特性 210
6.4.1 活性磁化水雾化性能 210
6.4.2 活性磁化水降尘特性 216
6.5 活性磁化水降尘系统工程应用 217
6.5.1 活性磁化水制备系统及关键参数 218
6.5.2 活性磁化水综掘工作面工程应用 221
6.5.3 活性磁化水综采工作面工程应用 224
参考文献 227
第7章 矿井通风控除尘技术 231
7.1 通风控除尘机理 231
7.1.1 通风控尘 231
7.1.2 通风除尘 233
7.2 典型矿用除尘器 235
7.2.1 矿用湿式除尘器 236
7.2.2 矿用干式除尘器 241
7.3 通风控除尘系统 244
7.3.1 通风控尘系统 244
7.3.2 通风除尘系统 253
参考文献 259
第8章 矿井粉尘在线监测与预警技术 261
8.1 矿井粉尘在线监测技术 261
8.1.1 矿井粉尘在线监测技术概况 261
8.1.2 矿井粉尘在线监测系统 263
8.2 矿井粉尘智能预警技术 265
8.2.1 矿井粉尘智能预警技术发展概况 265
8.2.2 矿井粉尘预警算法 266
8.2.3 矿井粉尘预警算法应用案例 270
参考文献 279

第1章 矿尘理化特性及煤岩产尘机理
　　近年来，随着我国煤矿采掘机械化水平提高，采掘工作面作业产尘量成倍增加，由此引发的矿工尘肺职业病的新发病例数、累计病例数和死亡病例数居高不下，煤尘爆炸事故也呈多发性态势。煤岩特性与截割参数决定了粉尘的各项理化特性，而这些理化特性与粉尘所造成的危害密切相关。因此，本章将深入探讨矿尘危害性、矿尘理化特性和煤岩截割产尘机理。
　　1.1 矿尘的危害
　　我国是世界上*大的煤炭生产国，2023年煤炭产量47.1亿t[1，2]。近年来，我国煤矿机械化程度逐步提高，掘进机、采煤机等机械化设备的大规模使用提升了煤矿开采效率，但也增加了煤矿粉尘的产尘量。在煤矿开采过程中，如综采、综掘、转载、运输等都会产生大量的粉尘，据测定，在未采取防尘措施时，综采工作面的*大粉尘浓度可达8000～10000mg/m3[3]，远超《煤矿安全规程》中粉尘的浓度标准(表1-1)[4]。
　　粉尘作为一种固体颗粒能较长时间悬浮于空气中，悬浮粉尘是一种以固体颗粒为分散相，以气体为分散介质的气溶胶[5]，粒径为10μm的粉尘需要4～9h才能沉降至地面，小于1μm的粉尘无法自由沉降。微小粉尘具有较高的表面能，一旦这些粉尘遇到合适的条件便会发生爆炸[6，7]。2019年1月12日，陕西省神木市李家沟煤矿发生煤尘爆炸，导致井下21人遇难；2014年11月26日，辽宁阜新矿业(集团)恒大煤业公司发生煤尘燃烧事故，造成28人死亡，50人受伤；2009年11月21日，黑龙江省新兴煤矿由于井下发生瓦斯与煤尘爆炸事故，导致108人遇难；2005年11月27日，七台河分公司东风煤矿在井下发生特别重大煤尘爆炸事故，事故导致171人遇难，并有48人受伤。我国重点煤矿中60%的煤矿煤尘具有高度爆炸性，煤尘与瓦斯相互混合形成瓦斯煤尘爆炸，其爆炸威力远远超过单一煤尘或瓦斯爆炸，严重威胁井下作业安全。
　　井下作业人员吸入大量粉尘进入肺部易导致尘肺病，严重危害工人健康。截至2022年底，累计报告职业性尘肺病例超过92万例，大部分为煤矿从业人员。我国煤炭多数埋藏地下，需开拓井巷并辅以通风系统采掘，粉尘主要产生于采掘工作面，同时在装载、运输、移架等过程中均会产生粉尘，粉尘在巷道中四处扩散。煤矿工人在井下时间较长且由于安全防护意识不足及防护设备的匮乏，煤矿工人患病率常年居高不下。尘肺病患者伴随着咳嗽、气短，严重者会出现呼吸困难并诱发多种并发症[8，9]，患者一旦患有尘肺病，尤其常年在井下一线作业的人员很难从根本上治愈，每年尘肺病给国家造成的直接经济损失达80亿元，对家庭和社会都是沉重的负担。井下大量的粉尘不仅对人体有害，还会增加机械磨损，减少井下设备的寿命，降低设备的可靠性，造成严重的经济损失[10]。
　　采煤工作面和掘进工作面是产尘量*大的作业地点，在采掘面智能化发展的进程中，粉尘危害显著。在通信方面，粉尘致使信号衰减，干扰信号传输，严重影响智能化系统的远程控制和数据传输的稳定性[11]。在智能化设备方面，粉尘会对各类传感器性能造成严重损害，阻碍其准确感知环境参数，使得瓦斯、一氧化碳等气体传感器的数据失准，光学传感器的光路受干扰，影响井下设备的可靠性。同时，高浓度粉尘进入设备内部会加剧机械部件磨损，降低电气设备工作效率[12]，并且在散热部件表面堆积，引发设备散热困难，增大故障风险。此外，煤矿井下粉尘还会对智能化采掘流程产生阻碍，降低自动化操作的可靠性，从而影响采掘效率和安全性，制约煤矿智能化开采技术发展。
　　我国高度重视职业病防治工作，《国家职业病防治规划(2021—2025年)》明确提出，要深入实施健康中国行动，大力推进尘肺病防治攻坚行动，到2025年，职业健康治理体系更加完善，职业病危害状况明显好转，尘肺病等重点职业病得到有效控制[13]。同时，《“十四五”国家安全生产规划》明确提出，以粉尘涉爆有限作业空间为重点，强化事故隐患排查治理，推广应用粉尘涉爆领域湿法除尘工艺[14]，确保安全生产。
　　1.2 矿尘理化特性
　　目前，多数专著集中于矿尘基本理化特性的研究。例如，《粉尘防治理论及技术》[15]重点围绕粉尘粒度分布和分散度展开论述，《矿尘学》[8]则主要阐述矿尘基本性质，包括粒径分布、密度、比表面积及游离SiO2含量。本节从矿尘孔隙结构与分形特征、表面官能团、表面电位、吸附和湿润特性的角度，阐述粉尘理化特性，并研究煤尘湿润性影响因素，为矿尘防治提供基础参数支持。
　　1.2.1 矿尘孔隙结构与分形特征
　　Mandelbrot率先提出分形(fractal)这一概念，认为物质存在广泛的自相似性[16]。也就是说，在将不规则几何分成几个部分后，每个部分是整体缩小的形状。不同于传统的欧氏空间用三维(3D)和二维(2D)来描述几何，分形理论认为，维度可以是分数，这能更加准确地描述复杂系统[17]。分形同样适用于煤尘的物理性质，利用分形维数作为定量参数能更全面地分析煤尘的表面形态和粒度的分布特征[18]。
　　煤尘中位粒径D50与粒度分形维数DV的相互关系如图1-1所示，发现煤尘的粒度分形维数均在1.933～2.593，且中位粒径D50与粒度分形维数DV存在较强相关性(R2＞0.72)，随着煤尘的缩小，粒度分形维数增大，这说明煤尘的粒度分布更加集中，本节选用中位粒径D50能较好地描述煤尘粒度分布。
　　图1-1 煤尘中位粒径D50与粒度分形维数DV的相互关系
　　依据煤尘的吸附-脱附等温线，采用BJH模型计算各煤尘的孔径分布，并挑选几个典型的粒度作孔容-孔径分布图，如图1-2所示。由图1-2可以发现，煤尘孔结构内微孔含量占绝大部分，孔容在2～5nm的孔径范围出现小的峰值，远远高于同一实验煤样中介孔体积。同时四种煤样在不同粒度时的孔结构变化规律基本一致：随着粒径减小，煤中所含小尺度孔的容积不断增大，尤其对于孔径在2～10nm的微孔，说明粒度的减小促使孔结构向微孔发育。这主要是由于煤尘经粉碎细化后，一些大孔遭到破坏形成更小的孔结构，同时盲孔转化为开放型孔。煤尘在不同粒度时的孔结构差异同时也解释了滞后环随粒径的变化。
　　图1-2 煤样的孔容-孔径分布图
　　HM_142.34表示粒径为142.34μm的褐煤，余同；D为孔径，V为孔容
　　为定量分析粒径对煤尘孔结构的影响，计算了四种变质程度煤样的孔结构参数变化，如图1-3所示，发现煤尘总孔容和气体吸附量随粒径的减小而增加。这主要是因为粒度的减小促使煤尘内小尺度孔不断发育，孔容随之增加；同时孔容的变化为气体在煤尘中的吸附提供了更多的吸附位点和空间，因而随着煤尘的不断细化，气体在煤尘中的吸附量逐渐增加。此外，气体一般以煤尘表面作为吸附位点，因而气体吸附量与煤尘粒径的关系间接地体现了比表面积的变化规律。
　　图1-3 煤尘总孔容和气体吸附量与粒径的关系
　　同一煤种不同粒径的煤尘中孔结构含量的差异，必然会引起比表面积的变化，这在一定程度上改变了煤尘表面性质，进而影响喷雾降尘过程中颗粒间的相互作用过程，因此，研究矿尘比表面积的变化对于喷雾降尘效果的改善是十分关键的。利用BET法计算得出四种煤样在不同粒径下的比表面积，如图1-4所示。随着煤尘的缩小，比表面积增大。这是由于在煤尘细化过程中，封闭的孔遭到破坏，颗粒内微孔含量急剧增大，新的表面随之产生，同时煤尘表面粗糙度增加，这促使比表面积迅速扩大。
　　比较四种煤样发现，焦煤的比表面积*小，在0.675～2.71m2/g，而长焰煤的比表面积高达28.1m2/g，褐煤和无烟煤的值十分相近，介于二者之间，这主要是因为不同变质程度的煤尘中总孔容和微孔占比存在差异，焦煤的总孔容在0.00603～0.01162cm3/g，微孔占比约47%，而长焰煤总孔容在0.0216～0.03523cm3/g，约为焦煤的2～3倍，其中微孔占比高达78%，总孔容的增大致使煤尘比表面积增加，尤其是微孔占比的增加所引起的变化远大于其他孔结构，因而长焰煤的比表面积显著高于焦煤。褐煤和无烟煤总孔容在0.00876～0.02411cm3/g，介于焦煤和长焰煤之间。
　　从图1-5中可以发现，煤尘具有多个线性区域，而表面分形维数计算区域的选择决定了结果的准确性。Wu[19]认为在液氮吸附过程中，随着分子吸附层的逐渐增加，吸附质与吸附分子界面更加光滑，难以真实反映界面的表面分形特征。Tang等[20]针对这一问题，研究发现分子吸附层层数在1.0～2.0时得到的分形维数更为准确。因此，本书选取从单层吸附到多层吸附这一区间的数值进行线性拟合，以减小界面光滑效应对结果正确性的影响。