【获奖成果】矿山典型粉尘工程防护关键技术装备研发与应用

我国是劳动人口大国，多数劳动者职业生涯超过其生命周期的1/2，因工作环境接触各类职业危害引发的职业安全健康问题十分突出。截至2021年底，中国累计报告各类职业病102.7万例。值得注意的是，煤工尘肺和矽肺病，主要由矿山粉尘引发，占总职业病病例的90%以上。基数庞大的尘肺病病例严重影响了社会和谐稳定，矿山粉尘已成为危害矿工身体健康的“头号杀手”与“软刀子”。因此，研究矿山粉尘工程防护技术，对从源头上遏制尘肺病发病率、保障工人职业健康、维护社会和谐稳定具有重大社会经济价值。

图1 我国职业病例数与尘肺病病例数增长曲线

目前国内外已对矿山粉尘工程防护技术开展了一定研究，围绕“风”“水”形成的通风排尘、湿式降尘技术初成体系，取得了一定效果。但是，对于瞬态高速释放爆破粉尘、超细粒径呼吸性粉尘、强疏水性煤尘等矿山典型粉尘尚无有效控制手段，是国际同行业公认的“卡脖子”性难题。为解决该难题，北京科技大学大安全科学研究院金龙哲教授团队扎根职业卫生工程防护领域30余年，在2项国家重点研发计划课题、4项国家自然科学基金面上项目及20余项企业科研攻关项目的共同资助下，围绕“减、降、隔、抑、除”综合防尘技术方针，取得了众多原创性成果，经科技部等单位验收后，专家一致认为：项目成果“经济与社会效益显著”、“达到国际领先水平”。研究成果获得高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）科学技术进步二等奖、中国职业安全健康协会科技进步一等奖等奖励。

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抓住痛点，探究本质   

喷雾降尘等湿式控除尘技术是矿山井下粉尘防治应用的最广泛的技术。但众多矿山粉尘具有强疏水性，这导致在应用过程中，雾滴无法有效地捕捉和凝聚粉尘，从而降低了喷雾降尘技术在矿山井下的应用效果。

为了解决这个问题，研究团队在山西、陕西、安徽、内蒙古、辽宁、江苏、河南等30余座矿山开展了井下原始粉尘取样。他们系统表征了典型煤矿与金属非金属矿山采掘、爆破、运输原始粉尘的粒径、化学组分等34组理化参数，通过利用多元统计分析方法，成功构建了矿尘润湿性多参数影响模型，探明了典型矿尘润湿性核心影响因素，为研发控尘装备提供了理论基础。

图2 矿尘润湿性与尘-雾动态接触吸附机理研究过程图

基于上述的理论基础，团队成员针对爆破粉尘、呼吸性粉尘、疏水煤尘三种典型且难以防治矿山粉尘，研发了一系列具有原创性的防尘技术及装备，构建了“三高、两隔、一监控”的矿山综合控尘技术体系。

针对瞬态高速释放爆破粉尘，项目组成员首次提出了利用多组分水炮泥对爆破粉尘与有毒有害气体同时进行抑制的创新方法，自主发明了一种具有显著减尘降毒性能的多组分水炮泥添加材料。现场应用表明，这种多组分水炮泥对井下采场爆破与岩巷爆破CO抑尘效率分别达52.3%、90.7%，对粉尘抑制率均高于52%以上；金属矿采场爆破后安全入井时间平均缩短30 min以上，显著提升了生产效率。该技术已在南京梅山铁矿、淮北杨柳煤矿等矿山企业得到全面应用。

图3 多组分水炮泥添加材料使用方法、现场试验方法与CO抑制效果

针对矿山呼吸性粉尘捕捉率低的技术瓶颈，团队基于井下低风压、高水压工况，研制了适用于井下环境的可移动式干雾降尘装备，实现了平均喷雾粒径小于20 μm，验证了“雾滴粒径越小，对呼尘捕捉效率越高”的理论；此外，团队还配套开发了一种井下气水共用型多级过滤装置；基于干雾降尘技术的湿式除降尘装备在中钢集团、马钢集团、淮北矿业集团等矿山企业实现了产业化应用。

图4 矿井干雾降尘与可移动式湿式振弦旋流除尘器研制与应用

针对疏水性煤尘与煤尘爆炸的危险性，研发了以糖工业废渣——糖蜜为主料的完全可降解型矿用防爆抑尘材料，该材料对煤尘爆炸指数抑制率大于51%，煤矿井下回风巷三天内抑尘率高达62%；针对金属矿无组织排放粉尘，研制了粘结保湿型路面抑尘材料，在风流扰动工况下有效抑尘时间超过15天，全尘抑尘率达75.0%以上。

图5 矿山化学抑尘剂实验测试方法与应用效果

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深耕现场，产研融合   

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。金龙哲教授团队深耕矿山现场30余年，时刻奔赴在矿山粉尘防治的第一线，针对矿山三类典型难控制粉尘（爆破粉尘、呼吸性粉尘、疏水煤尘），从机理研究、材料研发、技术创新、装备研发、转化应用五个方面，研究形成了系列原创性成果，显著提升了矿山典型粉尘工程防护技术装备水平。

团队研究开发的技术及装备已在中钢集团、中国五矿集团、马钢集团、淮北矿业集团等国内20余座矿山企业得到全面推广应用。在应用三年期间，累计创造经济效益3.96亿余元，矿山作业粉尘得到了根本性控制，矿山作业环境显著改善，有效保障了矿工职业健康与安全，社会效益突出。

图6  研究团队在国家重大铁路隧道开展现场试验

习近平总书记强调：“要加强科技创新和产业创新对接”。金龙哲教授团队认真贯彻这一理念，以工程实际问题为导向，以技术创新革新为突破，以科技转化应用为目标，高质量服务国家重大战略、重大工程建设。

金龙哲教授团队照片

来源: 科转院

转自：“北科科研”微信公众号

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