我国金属矿山采—装—运过程中粉尘职业危害防控技术进展与展望

在高温、噪声、粉尘、有毒有害气体等金属矿山主要的职业病危害因素中,由粉尘引起的尘肺病在职业病病例中占比最大,为不断推进粉尘职业健康防护研究,保障金属矿山人员、生产与环境安全,概述了金属矿山尘源与扩散理论以及粉尘职业健康职业防护研究现状,基于安全工程系统性原理,分别从源头治理、过程控制以及个体防护3个维度分析了我国金属矿山采—装—运过程中粉尘职业危害防控技术进展。在此基础上,剖析了目前存在的不足,并展望了未来发展方向。认为现阶段存在的不足在于金属矿山粉尘控制理论体系尚未成熟,金属矿山粉尘智能化监测预警技术研究有待加强,不同粉尘治理技术交叉性、协同性研究与应用较薄弱,以及以现场人员舒适性为导向的个体呼吸防护设备研发需要进一步加强,未来可从完善金属矿山粉尘控制理论体系,开发适用于金属矿山产尘特性的智能化防尘监测预警技术,注重粉尘治理技术的交叉性、协同性研究与应用,以及研发更符合人体工程学的个体防护设备等方面进一步开展工作。

水雾粒子特性对呼吸性粉尘降尘效率影响研究

为有效去除工业生产中的呼吸性粉尘,提高水雾粒子对呼吸性粉尘的捕捉效率,基于三相流理论建立了高速气流中单颗粒雾-尘碰撞耦合数值模型。研究高速气流中单颗粒雾-尘碰撞耦合过程,分析雾-尘粒径比及相对速度对尘粒表面线积分润湿度的影响。结果表明,对于不同粒径等级的呼吸性粉尘,达到最佳润湿度对应的雾-尘粒径比不同,k(PM1)=15、k(PM2.5)=2和k(PM5)=1。在高速气流中雾-尘相对运动状态不同时,粉尘颗粒的最佳润湿度随雾-尘相对速度U增大而增大。搭建仿真试验模型,研究不同情况下水雾粒子的捕尘效率。结果表明,超音速雾化喷嘴对呼吸性粉尘的降尘效率为95.95%,单流体喷嘴降尘效率为82.98%。结合现场试验对比分析,验证雾-尘粒径比及相对速度对尘粒表面线积分润湿度的影响规律。结果表明,越符合粉尘粒子被捕捉的最佳粒径比的喷嘴的降尘效率越高,提高尘雾粒子碰撞速度可以提高对粉尘粒子的捕捉效率,为治理呼吸性粉尘及清洁化工业生产提供理论依据。

岩巷综掘面抽尘参数影响粉尘污染扩散规律研究

抽尘系统是岩巷综掘面长压短抽通风方式中控除粉尘污染的重要组成部分,而确定适宜的抽尘参数是实现有效除尘的关键。利用Solidworks软件对某矿632岩巷综掘面进行了物理建模,并进行了ICEM-CFD网格划分,通过网格无关性检验确认了后续所用的网格模型,运用FLUENT计算流体力学软件对不同抽尘位置Dn(n分别为0、1/4、1/2、3/4、1)与抽风量(300~350 m^(3)/min)影响粉尘污染扩散状况进行了数值模拟,并通过仿真试验验证了数值模拟结果的准确性。结果表明:抽尘位置为D0、D1/4、D1/2、D3/4时,巷道内风流整体均处于较为紊乱的状态,粉尘污染经风流运载最终均扩散至整个巷道;抽尘位置为D1时,在抽风与压风协同作用下,距迎头4.6~6 m范围内形成了风向指向迎头、流动均匀且覆盖巷道全断面的有效控尘风幕,粉尘污染被风幕控制在掘进机司机与迎头之间的封闭空间内。抽风量在330 m^(3)/min及以上时,在司机处均形成了有效控尘风幕。为了在有效控尘的前提下尽可能降低能耗,最优抽风量选取最小值330 m^(3)/min。

综掘面风流调控下的瓦斯与粉尘浓度双目标预测模型研究

针对综掘面瓦斯和粉尘浓度预测能力不足,导致瓦斯粉尘积聚难以提前解决,造成风筒出风口风流调控降尘排瓦效果不佳的问题,采用层次分析法确定了瓦斯和粉尘浓度分布的关键影响因素,建立了7-11-3结构的双目标预测神经网络模型,并进行出风口距端头5 m和10 m工况下的应用测试,结果表明:模型误差率最大9.85%,最小0.27%。瓦斯浓度最高降低了45%,粉尘浓度最高降低了40%,有效预防了瓦斯和粉尘浓度的积聚问题。

基于滤膜称重法的自动化粉尘质量浓度检测装置的研究

传统滤膜称重法操作过程繁琐、检测周期长,且自动化程度低,虽精度高但无法满足粉尘质量浓度实时检测需求。设计了粉尘质量浓度自动检测装置,通过建立温湿度补偿模型,替代手工称重法中采样后滤膜烘干的步骤,进一步缩减粉尘质量浓度检测时间以及粉尘质量浓度检测装置体积。搭建试验样机并调试实验,结果表明,煤矿井下常用的CCZ-20A型粉尘采样器与本装置检测得到的粉尘质量折算浓度经过计算其标准偏差在5%以内,一元线性回归拟合分析下的实验数据拟合相关性较好。为进一步提升装置的检测精度,研究基于傅里叶级数、线性拟合以及周期拟合相结合的误差补偿方法,设计出装置浓度计算流程并代入原始数据中,将该装置检测浓度误差由原始的(-7.20%,-1.26%)集中至(-3.64%,3.65%)。引入装置浓度计算流程后进行多次对比实验,实验结果显示装置浓度检测误差均在此区间内,验证了装置浓度计算流程的可靠性。该装置缩短了粉尘质量浓度检测所需时间,同时检测误差控制在合理的范围内,进而为滤膜称重法在粉尘质量浓度在线监测方面的研究提供一定的参考。

基于图像分析的掘进工作面粉尘颗粒检测方法

基于光散射原理测定粉尘质量浓度只能定时定点手动检测,实时性差,且只能检测出粉尘质量浓度,并不能给出粒径分布范围。目前基于图像分析的粉尘颗粒检测研究主要是针对粉尘质量浓度或粒径分布进行单方面研究,并不能实现粉尘质量浓度和粒径分布范围的同时检测。针对上述问题,提出了一种基于图像分析的掘进工作面粉尘颗粒检测方法,探究图像特征与粉尘质量浓度、粒径分布间的关系。通过粉尘样本收集及图像采集装置,采集粉尘颗粒图像并获取采集图像时的粉尘质量浓度。编写粉尘样本图像处理算法,提取图像的灰度特征、纹理特征、几何特征相关参数。对提取的图像特征与实测粉尘质量浓度进行相关性分析,选取相关性较大的图像特征作为参数建立回归数学模型。提取粉尘颗粒对象像素点个数,结合转换系数,基于几何当量等效面积径计算粉尘粒径大小及分布范围。实验结果表明:实测粉尘质量浓度与建立的图像特征多元非线性回归模型数学模型计算值间的平均相对误差为12.37%,标准实测粒径与几何当量等效面积径得到的粒径分布间的最大相对误差为8.63%,平均相对误差为6.37%,验证了基于图像特征的粉尘质量浓度回归数学模型和基于几何当量等效面积径分布数学模型的准确性。

综掘工作面混合式风流调控下的粉尘沉降研究

煤矿掘进过程中粉尘聚集严重,目前针对综掘工作面混合式风流调控下粉尘沉降规律及优化的研究还不够深入。基于混合式风流调控系统,依托陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司综掘工作面,分析了压风口距工作面距离、压风口右偏角度、压风口口径、抽风口距工作面距离和压抽比等混合式风流调控参数对粉尘沉降规律的影响:随着压风口距工作面距离增加,司机处和回风侧行人呼吸带截面大颗粒粉尘占比先增后减再增,小颗粒粉尘占比增加;随着压风口右偏角度增加,司机处和回风侧行人呼吸带截面大颗粒粉尘占比变化明显;随着压风口口径增加,司机处截面小颗粒粉尘占比先增后减再增,回风侧行人呼吸带截面大颗粒粉尘占比先增后减;随着抽风口距工作面距离增加,司机处截面大颗粒粉尘占比先增后减,小颗粒粉尘占比先增后减再增,回风侧行人呼吸带截面粉尘粒径分布变化不大;随着压抽比增大,司机处和回风侧行人呼吸带截面小颗粒粉尘占比减小。以上述风流调控各参数为自变量,回风侧行人呼吸带全尘平均浓度和司机处呼尘平均浓度最低为优化目标,建立了粉尘沉降优化回归模型,利用粒子群优化算法求解模型,得到最优风流调控方案:压风口距工作面距离为8.9 m,压风口右偏角度为14.8°,压风口口径为0.9 m,抽风口距工作面距离为4.3 m,压抽比为1.1。搭建了风流调控下粉尘沉降实验平台,实验结果表明:测试值与粉尘沉降优化回归模型的模拟值误差在13%以内,验证了模型的准确性;优化后粒径为71~100μm的粉尘受风流调控参数影响明显,沉降在掘进机前方;优化后回风侧行人呼吸带全尘平均浓度和司机处呼尘平均浓度分别降低了47.4%和42.4%,降尘效果明显。

面向火电厂煤粉尘浓度的预测评估算法的研究

火力发电的主要能源来自煤炭,而由于燃煤发电过程中产生的煤尘扩散是引起火电厂粉尘爆炸风险和尘肺职业病的主要根源之一,因此必须进行实时有效的检测和控制。当前粉尘检测方法仅使用单一的粉尘质量浓度指标来评估粉尘污染整体状况,缺乏对多种复合因素影响的考量,依靠单一阈值设定进行报警,易出现误报、漏报等现象,以及忽略粉尘爆炸这一重要事故场景,不能建立粉尘污染全面客观的评价方法。研究建立了一种粉尘质量浓度预测模型,基于金豺优化算法对极限学习机的最优初始权重进行寻优,再使用极限学习机对样本数据进行训练学习,提高神经网络模型的精度,可较为准确地预测30 min以内任意时间间隔的粉尘质量浓度,并将现场数据及模拟仿真数据与建立的粉尘质量浓度预测模型进行对比分析。结果显示:建立的粉尘质量浓度预测模型准确度良好,与现场数据及模拟仿真数据对比误差分别为0.72%和2.1%,可加强对火电厂粉尘环境进行预测预警,从而及时采取合理的粉尘控制策略,确保火电厂的生产安全并降低粉尘对作业人员的职业危害。

高海拔隧道施工粉尘运移特性及通风系统布置研究

为了降低高海拔隧道掘进机(Tunnel Boring Machine, TBM)在施工过程中产生的粉尘污染并进一步提高通风除尘效果,进而改善作业人员工作环境,研究以某高原TBM施工隧道为研究对象,利用流体仿真模拟软件Fluent对长压短抽方式下不同送风风管、除尘风管位置和抽压比参数进行计算,并将模拟结果与经验公式进行比较,分析粉尘在隧道内的运移特性。研究结果显示:长压短抽通风系统下的粉尘会在风流作用下向除尘风筒一侧运动,其中大部分粉尘会经过除尘风筒排出隧道外,小部分粉尘会在除尘风筒与隧道壁处形成聚集,且隧道内的机械设备对粉尘扩散有阻碍作用;当送风管口在距离掘进面约17 m时,隧道后程粉尘质量浓度较大,在距掘进面20 m处,隧道内的沿程粉尘质量浓度较小;当除尘风管在距掘进面12 m时,隧道内沿程粉尘质量浓度相对较大,作业环境恶劣。其中,作业人员集中区域的粉尘质量浓度最高,可达65.44 mg/m3,在距掘进面6 m位置处时,隧道环境较好。与抽压比为0.5相比,抽压比为0.8时隧道沿程粉尘质量浓度降低50%,除尘效果达到最佳。研究结论可为类似高原地区大断面TBM施工通风方案设计提供科学参考。

植酸-胞嘧啶对DL-蛋氨酸粉尘爆燃火焰抑制特性研究

饲料及其添加剂粉尘具有较高的燃烧热,在生产过程中存在一定的爆燃风险,威胁生命财产安全,预混抑制剂是目前应用最为广泛的一种抑爆手段,但传统抑制剂不可食用,无法加入至饲料类粉尘实现抑爆。因此,以饲料主要添加剂DL-蛋氨酸(DLM)粉尘为研究对象,采用自主合成的营养价值高、绿色可食用生物质基植酸-胞嘧啶(PA-CY),研究了PA-CY对DLM粉尘爆燃火焰传播特性的影响,通过高速摄影和可视化竖直管道记录爆燃火焰传播过程并计算火焰速度,采用热电偶监测火焰温度变化。结果表明:随PA-CY质量分数的升高DLM爆燃火焰亮度持续下降,严重破坏了火焰结构,加入20%PA-CY后火焰峰值速度、平均速度和峰值温度由27.66 m/s、14.39 m/s、1014℃分别下降至13.83 m/s、6.88 m/s、540℃,下降比重达50.0%、52.2%和46.7%,且PA-CY质量分数达30%后粉尘无法被点燃,说明PA-CY抑制效果显著。此结果可为饲料类粉尘爆燃的防治提供理论支持。

连通设备粉尘爆炸泄压面积确定方法

国内外相关标准提供了单体设备的泄压面积计算方法,但连通设备的准则尚属空白.通过FLACS数值模拟,以玉米淀粉为爆炸介质,探究了连通设备内的泄爆压力和压力上升速率.结果表明:当管道长度一定时,传爆容器内最大泄爆压力随泄压面积增加而降低;在设置相同泄压面积时,传爆容器内的最大泄爆压力随管道长度的增长而增大,且达到最大泄爆压力的时间也随之延后;传爆容器所需最小安全泄压面积大于同等大小单体设备的泄压面积,说明现有单体设备的泄压面积计算方法对于连通设备不适用.通过数值拟合,对标准中单体设备的泄压面积计算公式进行修正,使其满足连通设备安全泄压要求.研究结果为连通系统的防爆设计提供参考和依据.

综掘工作面风流调控装置与射流风幕综合调控粉尘场优化分析

为解决目前综掘工作面传统混合式通风下粉尘聚集污染严重的问题,提出了利用出风口风流调控装置与抽风口射流风幕综合调控优化粉尘场的思路。以陕北某矿综掘工作面为研究对象,建立了风流-粉尘气固耦合场有限元模型,分析了调控装置口径、调控装置右偏角、风幕出口宽度、风幕出口速度及风幕出口张角等参数对粉尘场的影响;设计了正交试验以确定最佳综合调控方案,设计搭建了实验平台进行综合调控方案准确性和降尘效果验证。结果表明:在该综掘工作面通风系统布局下,当调控装置口径1.2 m,调控装置右偏角9°,风幕出口宽度0.14 m,风幕出口速度7 m/s,风幕出口张角60°时,司机位置粉尘质量浓度和行人呼吸带高度平均粉尘质量浓度分别降低91.7%和74.9%,测试误差均在10%以下,有效改善了通风环境。

基于改进遗传算法的电厂粉尘监测节点覆盖控制研究

为有效降低粉尘环境监测中存在盲区和管控缺失的风险,优化火电厂粉尘环境监测系统的节点覆盖控制,延长无线传感器网络(WSN)寿命,提出一种基于改进遗传算法的节能优化方法。首先构建基于节点覆盖率、节点布设总能耗和节点通信传输总能耗的网络覆盖质量目标函数;然后针对传统遗传算法存在局部最优和编码重复的问题,提出整数编码的染色体组合方案、自适应调节交叉和变异概率的方法,以及精英保留策略;最后通过仿真对比分析,确定优化后的节点数量和分布方案。结果表明:改进的遗传算法显著提高了收敛速度,所需迭代次数减少至20次,适应度值优化52.18%;在节点部署和覆盖研究中,优化后的节点数量为42个,覆盖率达97.28%,节点休眠率为76.19%,有效提升了火电厂粉尘环境监测系统的节能效果。

Al/Fe_(2)O_(3)铝热剂粉尘着火敏感性

为明确铝热剂反应的着火特性,利用最低着火温度(minimum ignition temperature,MIT)和最小点火能(minimum ignition energy,MIE)测试装置,结合TG-DSC方法对4种Al粉与Fe_(2)O_(3)质量比为1∶4,1∶3,1∶2,1∶1的层状和云状Al/Fe_(2)O_(3)铝热剂进行了着火敏感性研究.结果表明,4种配比试样的粉尘层、粉尘云MIT均超出相关标准常规测试范围,在空气中质量比为1∶3铝热剂的反应触发温度为888℃,活化能为248.49 kJ/mol,说明铝热反应不容易触发;相同质量比的Al/Fe_(2)O_(3)粉尘云的MIE远高于粉尘层,层状MIE最低值为0.7 J,着火敏感性较强,这是因为Fe_(2)O_(3)在粉尘云状态的反应中充当惰化剂,而在粉尘层状态反应中为反应提供了活性氧自由基.

井下转载破碎点粉尘分布特征及降尘系统研究

为了改善综放工作面转载破碎区域的工作环境,结合粉尘分散度分析和现场实测得出转载机机头前1 m处、破碎机处及前刮板机和后刮板机处是四个主要的产尘位置。其中,转载机机头前1 m处持续不断地产生呼吸性粉尘,其PM5占比高达85.19%,原因在于煤块与带式输送机猛烈撞击后产生大量呼吸性粉尘;破碎机处也产生大量呼吸性粉尘,但积累呼尘的速率相对较慢,其PM10占比可达98%,这些粉尘主要来源于两防护罩间由于连接不吻合而产生的缝隙;前刮板机和后刮板机处可吸入粉尘占比相对稳定且比例较高,粉尘粒度分布相对均匀,这是由于此处煤块普遍较大且携带较高的势能,下落后产生大量微细粉尘。并根据每个产尘点的特性采用不同的喷雾降尘技术并设计相应的降尘系统:转载点喷雾形成全断面喷雾抑尘,破碎机喷雾将粉尘封闭在破碎机内部并沉降,前后刮板机喷雾利用雾群将粉尘完全覆盖。最后通过现场检验,PM5和PM10粉尘的降尘率都达到85%左右,降尘效果良好。

侧面爆破粉尘时空分布模拟分析

从开放性细颗粒物污染治理角度出发,建立建筑物拆除爆破产尘的几何计算模型,运用计算流体力学(CFD)工具,对给定环境风速下的建筑物周围压力场和速度场进行了模拟分析,并对侧面折叠爆破粉尘按R-R(Rosin-Rammler)分布,使用气流-粒子双向耦合的DPM模型研究了爆炸粉尘的时空分布。结果表明,下风侧因建筑物存在导致风速、压力急剧变化而产生涡流,涡流是影响爆破粉尘时空分布的关键因素之一。在时间上,爆破粉尘有气流拖曳运动状态和扩散态;在空间上,因重力作用致下部空间的粉尘浓度较大。

乌龙茶叶粉尘爆炸特性实验研究

选取某茶叶公司的乌龙茶叶粉尘为研究对象,用激光粒度分析仪对其粒径分布进行表征.在粉尘层着火温度实验装置、高德伯尔格-格润瓦尔德炉、哈特曼管爆炸实验装置、Siwek 20 L球形爆炸系统中测试研究了粉尘着火敏感度及爆炸猛度.实验结果表明:粉尘层的最低着火温度为250℃,粉尘云的最低着火温度为510℃,最小点火能>1000 mJ,爆炸下限为120 g/m^(3),粉尘云的最大爆炸压力达0.82 MPa,最大压力上升速率达63.0028 MPa/s,爆炸指数达17.1 MPa·m/s,乌龙茶叶粉尘爆炸等级为St-1.借助热重分析和工业分析,对其爆炸特性进行了理论分析.研究结果对了解茶叶粉尘爆炸危险性、加工车间的安全管理以及防爆设计具有一定的参考价值.

基于统计学模型的矿区粉尘污染特征及影响因素的定量分析

针对露天矿粉尘无秩序排放引发的生态环境退化问题,选取河曲露天煤矿粉尘产生区域为研究靶区,利用粉尘监测体系获取靶区TSP、PM10、PM2.5及环境指标数据,结合粉尘浓度对不同粒径粉尘分布差异性进行对比分析,引入空气质量浓度分指数法、Pearson关联矩阵分析法和灰色关联法对靶区内核心污染物、不同粒径粉尘内在关联性及环境指标与粉尘浓度的关联度进行深入探讨,基于单变量、多元线性和主成分得分-多元线性回归分析法对粒子变迁演化规律及环境指标对微粉尘权重的影响规律进行定量解析,同时运用均值误差法对MLR和PCA-MLR模型预测的精确度进行验证。结果表明:(1)区域1(采掘场)和3(煤场)不同粒径粉尘浓度均存在超过现行标准二级限值的情况,区域2(交通干道)仅存在超过一级限值的情况。(2)不同区域粉尘污染能力的强弱与IAQI评估结果一致,均为区域1>3>2;当不同区域TSP浓度一致时,域内粉尘污染能力的强弱顺序转变为区域2>3>1,且各区域核心污染物均为PM2.5。(3)不同区域粉尘浓度线性关系较为显著。(4)不同区域MLR模型演算出的多元线性方程的拟合度排序规律与粉尘浓度Pearson关联度趋于一致,且多变量拟合度优于单变量拟合度,结合MRE法检验出不同区域MLR模型预测精度区域3(3.02%)>2(9.46%)>1(10.75%)。(5)区域1中TSP和PM10与气压呈强正相关,PM2.5与相对湿度呈强负相关;区域2中各粒径粉尘均与温度和风速呈强负相关;区域3中仅与温度呈强负相关。(6)微粉尘权重与环境指标的PCA-MLR模型相对于直接MLR模型,预测精确度提高了56.63%和13.41%。

斜巷转载点粉尘污染规律及多断面雾幕控尘技术研究

针对斜巷转载点粉尘污染严重的问题,运用COMSOL软件对棋盘井煤矿3号转载点进行了几何建模,并基于计算流体力学(CFD)粒子追踪模型、有限元法和k-ε湍流模型,计算了3号转载点风流流线分布、速度多切面分布以及粉尘粒子运动轨迹,研究了生产工作时3号转载点处风流变化及粉尘运移规律,并针对性地提出了一种多断面雾幕控尘技术。该技术基于螺旋雾幕控尘、超音速隔尘原理,可形成距离长、覆盖范围广的雾幕以最大限度包裹粉尘颗粒,实现粉尘高效净化。最后通过控尘试验及在棋盘井煤矿3号转载点现场应用,验证了该技术的高效降尘特性以及可靠性。研究结果表明:风流分布主要受皮带速度、牵引力和诱导气流的综合作用影响,沿水平和垂直方向分层分布,形成密集且平均速度为0.5 m/s的涡流;粉尘易受涡流影响向四周扩散,主要分布在下风侧,粒径为5~15μm更容易受风流牵引扩散,聚集于工人呼吸带高度,污染严重。将该技术进行控尘试验和现场应用后,全尘和呼尘降尘效率分别高达93.65%、85.59%以上。

煤炭码头粉尘无组织排放防治措施对比研究

露天堆场的粉尘无组织排放一直是干散货码头大气污染防治工作的重点和难点。苫盖和湿式除尘是我国专业化煤炭码头露天堆场粉尘无组织排放的两种主流防治措施。文章以北方某煤码头为例,基于露天堆场采用苫盖和湿式除尘措施下的粉尘无组织排放浓度监测数据,对两种主流粉尘防治措施的环保效益进行了对比分析。研究结果显示:采用湿式除尘措施比采用苫盖措施更适用于高周转率的专业化煤炭码头露天堆场的粉尘无组织排放的防治。