0 引 言
尘肺病是我国煤矿最主要的职业病，从2009年开始，逐渐呈现升高的态势。截至2018年我国累计职业性尘肺病例总数达87.3万例，其中煤工尘肺病例数达到50%以上。在2018年新增的尘肺病病例中，煤矿新增尘肺病例甚至高达83%[1]。
采煤工作面和综掘工作面是煤矿2个主要的产尘点，其中采煤工作面以煤尘为主，综掘工作面除了煤尘还有大量的岩尘，也叫矽尘。粉尘中游离二氧化硅是导致尘肺病的主要元素，游离二氧化硅含量越高，肺纤维化的病变发展速度越快且纤维化程度也越重。康宁[2]对北京、重庆、山西、陕西、新疆5个省区48个煤矿的煤尘进行化验分析，得出煤尘中二氧化硅质量分数一般小于10%。孙文静[3]对淮北各矿区粉尘化验分析得出，掘进工作面的粉尘中二氧化硅平均含量可高达13.96%，而采煤工作面的粉尘中二氧化硅含量平均值为3.9%。在确诊的4 856例尘肺病例中，采煤工和辅助工主要为煤工尘肺，掘进工主要是矽肺病。掘进工矽肺病在煤矿矽肺病中的占比高达98.1%。因此，综掘工作面产生的岩尘对作业人员危害更大，《煤矿安全规程》和国家卫健委发布的“工作场所有害因素职业接触限值”中关于作业环境中的矽尘浓度限值要求相比煤尘要求更加严格[4]。
近年来随着国内煤炭企业对粉尘治理的不断重视，湿式负压除尘器[5]、干式负压除尘器[6]、泡沫抑尘装置[7]、高压喷雾[5]等降尘措施在煤矿井下得到广泛的应用，井下作业环境得到了明显改善，但距《煤矿安全规程》及“工作场所有害因素职业接触限值”中关于粉尘限值的规定仍有很大差距[4]。孙文静[3]和陈渝[8]分别对淮北各矿区和陕西黄陵、铜川、榆林煤矿井下粉尘污染情况进行调研，发现掘进面粉尘浓度均属于超标状态。
随着新技术在煤矿综掘工作面的推广，产尘浓度越来越大，接触粉尘危害的作业人员也越来越多。例如在快速掘进工作面，受粉尘严重危害的人员除了掘进机司机，还增加了锚护作业人员、运输保障人员。除此之外，综掘工作面粉尘主要来自掘进机截割作业，在掘进机截割工艺不变化和瞬时产尘量不变化的情况下，掘进速度提高2～3倍，意味着掘进截割时间就增加2～3倍，每个作业人员接触粉尘的时间就增加2～3倍[9]。因此，如何保障在新型掘进工艺下，掘进巷道的空气质量满足相关规定是当前掘进巷道粉尘治理的最大挑战。
1 综掘工作面除尘器除尘技术现状
我国煤矿综掘工作面现有的主要除尘方式包括水喷雾、泡沫除尘、挡尘帘隔尘以及除尘器除尘。在众多的粉尘治理方法中，除尘器除尘对含尘气流进行捕收，然后进行集中处理，是一种高效的粉尘治理方式，其主要包括控尘技术和除尘技术。
1.1 控尘技术
控尘是通过操控掘进巷道中的风流流向，使掘进产生的粉尘高效地进入除尘器负压风管的技术。我国煤矿巷道主要采用压入式通风，掘进机截割产生的粉尘会在压入风流的作用下向巷道后方扩散，污染整个掘进巷道。因此，必须采取控尘技术，将粉尘在巷道中的扩散距离控制在一定范围之内(掘进机司机前方)。现阶段主要的控尘措施有长压短抽控尘、压风分流控尘以及附壁风筒控尘。
附壁风筒控尘是利用风流附壁效应原理，将压入式通风的轴向风流变为径向风流并在除尘器负压抽吸的作用下，形成向掘进工作面逐渐推进的风墙，从而将掘进机截割的粉尘抑制在距离掘进工作面一定的范围内[10]。该技术最早于1965年由克雷内尔发明并申请专利，随后在德国、法国、英国等煤矿得到广泛推广应用 [11]。20世纪80年代，附壁风筒随着西德掘进机一起引入国内，并在西山西曲矿和兖矿鲍店矿开始应用。煤炭科学研究总院重庆分院也于90年代开始研发国产附壁风筒。根据我国的煤矿巷道条件，经过多年的改进与优化，该技术已经是我国目前工程实践中最为有效的控尘方式，也是目前国内除尘设备厂商主要的推荐控尘措施。
1.1.1 附壁风筒技术简介
附壁风筒在德国煤矿应用最为成功，现以德国煤矿使用的附壁风筒为模型，介绍附壁风筒的工作原理。德国附壁风筒一般由风筒存贮段、附壁风筒主体、风门3个部分构成，如图1所示，附壁风筒在井下安装时与矿用压入式风筒末端相连。掘进机截割时，关闭附壁风筒风门，使压入式风流从附壁风筒侧面的环形风道流出，形成沿巷道壁的螺旋风流，并在除尘器风机负压抽吸的作用下，形成向掘进工作面推进的风墙，将粉尘抑制在掘进机司机前方并稀释有害气体。掘进机停止截割时，开启附壁风筒风门，使压入式风流从附壁风筒轴向直接送至掘进工作面，稀释有害气体。为了减少移动风筒的工作量，在附壁风筒设置有风筒储存段。德国附壁风筒一般采用钢制结构，体积较重，使用时将其安装于单轨吊上并进行移动。
图1 德国附壁风筒结构
Fig.1 Structure of wall attached duct used in Germany
德国附壁风筒在巷道中布置的参数及其与通风参数的匹配对于我国煤矿巷道的控尘具有重要指导意义。德国附壁风筒使用工艺参数及布置如图2所示。
图2 德国附壁风筒控尘工艺
Fig.2 Dust control technology of Germany wall atteched duct
德国附壁风筒在巷道中布置的主要工艺参数包括：①压风风筒出口至掘进工作面的距离，推荐不小于
(A为巷道断面面积)。②除尘风筒至掘进工作面距离，理论上该距离越小越好，但受到巷道机械设备布置的限制，除尘风筒至掘进工作面的距离一般保持在5 m左右；③附壁风筒与除尘器重合段的长度应为
④巷道供风量Qy和除尘风量Qc的选择及匹配。巷道供风一部分在除尘器负压作用下送到掘进工作面，满足巷道人员呼吸、瓦斯稀释等要求；另一部分从附壁风筒返回到巷道后方，保证重合段最低风速要求。因此，除尘风量的确定需要同时满足巷道人员呼吸、瓦斯稀释、粉尘治理以及巷道最低风速需要，取最大值。为保证吸尘效果，一般推荐吸尘风速≥0.4 m/s。除尘风量Qc≥0.4 m/s×60 s×A。巷道供风量Qy与除尘风量Qc差值应满足重合段巷道最低风速要求v，巷道供风量Qy≥Qc+vA，其中德国规定v≥0.1 m/s，我国煤巷规定v≥0.25 m/s，岩巷规定v≥0.15 m/s。
1.1.2 附壁风筒在我国矿井的适应性改进
我国煤矿在地质条件、通风要求及设备布置方面与德国煤矿有很大的不同。虽然目前我国总体上沿用德国附壁风筒控尘的原理，但是针对国内掘进巷道设备布置、通风要求不同，研究人员在附壁风筒轻质化、工艺参数优化等方面进行了大量研究。
1)附壁风筒的轻质化设计。针对德国附壁风筒质量大、无法在井下灵活移动的问题，国内除尘设备制造商和研究单位分别研制了多种轻型材料的附壁风筒，如图3所示。
图3 各种柔性附壁风筒
Fig.3 Different wall attached duct with light-weight
山西天地煤机装备有限公司(山西天地煤机)研制了基于风筒材料的风量可调附壁风筒[12]；中煤科工重庆研究院研制了柔性材料且长度为5 m的附壁风筒，方便附壁风筒现场拆装[13]；山东科技大学研制了高分子材料附壁风筒[14]；山东天河科技股份有限公司(山东天河)研制了方便附壁风筒拆装移动的气动牵引微型吊车。
2)附壁风筒控尘工艺的适应性研究。不同于德国附壁风筒可以安装在供风风筒末端，我国《煤矿安全规程》规定压风筒末端至掘进工作面的距离不超过10 m。因此，在我国附壁风筒一般安装在至掘进工作面一定距离的供风风筒之间，这样既可以满足部分压风从距离掘进工作面10 m内的风筒出口流出，又可以满足控尘要求。
中煤科工集团重庆研究院研究得出附壁风筒至掘进工作面的距离为时除尘效果最好(图4)，随着距离增大控尘效率先增大后减小[10]。山西天地煤机在工程实践中发现，在一定的范围内，控尘效果对附壁风筒的位置并不敏感，即随着掘进进尺增加附壁风筒并未及时向前移动时，控尘效果均处于高效控尘阶段 [15]，因此在低瓦斯巷道，附壁风筒距掘进工作面距离推荐
但不应超过除尘器出风口(图5)。山东科技大学研究团队得出压风量与抽风量比值越小且附壁风筒到掘进工作面距离越大，越利于形成阻尘风幕[16]。
图4 中煤科工集团重庆研究院附壁风筒控尘工艺
Fig.4 Process layout of wall attached duct proposed by Chongqing
Institute of China Coal Technology and Engineering Group
图5 山西天地煤机装备有限公司附壁风筒控尘工艺
Fig.5 Process layout of wall attached duct proposed by
Shanxi Tiandi Coal Machine Equipment Co., Ltd.
我国煤矿很多是高瓦斯矿井，为避免瓦斯在掘进工作面死角的聚集，通风规程上不允许存在类似德国附壁风筒那样压风风流完全从径向流出，而没有压风风流直吹掘进工作面的情况。为此，具有压风分流的附壁风筒更适合我国的高瓦斯矿井。通过附壁风筒的风门调节，使部分供风量直吹掘进工作面可以避免有害气体在掘进工作面死角的聚集；另一部分风量从附壁风筒的侧面流出，形成风幕。程卫民等[17]通过分析研究，认为附壁风筒径向风量比越高越容易形成隔尘风幕，径向风量比越大(推荐超过80%)，风量压抽比越小(推荐75%)越容易形成有效隔尘幕，并在霍州煤电等煤矿得到应用。陈芳等[18]通过研究分析，得出附壁风筒轴径出风比为1∶3时控尘效果最佳，同时认为吸尘口距掘进工作面距离应
压风量应大于除尘风量20～30%，重合段距离
该种控尘工艺在黄陵、王家岭等矿区取得了良好的应用效果[19]。
3)附壁风筒的演化。附壁风筒安装在供风风筒之间，随掘进进尺增加需要经常拆装移动，影响作业人员使用附壁风筒积极性。附壁风筒降尘的本质有2个：①减小了直接吹向掘进工作面的风速，降低了粉尘的扩散速率;②在除尘器负压抽吸的作用下，形成了风幕，进一步抑制了粉尘的扩散。
基于对附壁风筒控尘原理的理解，在榆林、鄂尔多斯、山东等岩巷中没有瓦斯，供风量较小的矿井中，施工现场为了使用方便，将供风风筒的出风口沿长至距掘进工作面25～30 m的位置，并在出风口前段0.5 m的地方用胶皮将压风风流挡住，或者将出风口朝向巷壁、顶底板，消除了压风风流对粉尘扩散的影响。该种方案在无瓦斯的矿井不仅能够实现高效控尘，还能有效减小工人的工作量。
1.2 煤矿井下除尘技术
除尘技术是在除尘器内实现含尘气流的高效气固分离，在收集粉尘的同时，排出满足巷道要求的洁净空气。根据除尘器是否使用水，可以分为湿式除尘器和干式除尘器。
1.2.1 湿式除尘技术
湿式除尘器体积小、价格便宜，在我国煤巷综掘巷道得到了大量应用。目前国内矿用湿式除尘器主要有滤网式[20]、振弦过滤板式[21]以及旋流式[22]3种类型(表1)，处理风量100～1 000 m3/min。山西天地煤机装备有限公司和德国CFT合作生产的滤网式湿式除尘器对粒径<10 μm粉尘过滤效率可达99%，且除尘器净化后气流不含任何水雾；中煤科工集团重庆研究院及山东天河科技股份有限公司在德国CFT湿式除尘器基础上也相继开发了滤网式湿式除尘器。振弦湿式除尘器以扬州引江矿业设备有限公司为代表，总尘除尘效率≥97%，呼尘除尘效率90%～97%，体积比滤网式湿式除尘器小。旋流式湿式除尘器主要以泰安三元通风除尘设备有限公司、山东新阳光环保设备股份有限公司为代表，虽没有滤网式除尘器除尘效率高，但无需清洗滤网，体积更小。
表1 国内煤矿常用3种湿式除尘器参数
Table 1 Parameters of three typical wet
dustcollector used in domestic coal mine
湿式除尘器滤网式振弦式旋流式处理风量/(m3·min-1)400408440总尘除尘率/%≥99≥97≥95呼尘除尘率/%≥9290～98≥65液气比/(m3·L-1)≤0.090.03～0.09≤0.04外形尺寸/(m×m×m)4.20×1.14×1.163.1×1.0×1.083.3×1.1×0.8
1.2.2 干式除尘技术
相比于湿式除尘器，干式除尘器在呼吸性粉尘治理方面具有明显的优势，且不需要使用水，特别适合于岩巷的掘进。国内外几乎所有全断面掘进机都配备了干式除尘器。在煤矿掘进方面，原德国煤矿主要采用的是干式除尘器，近几年在我国兖矿集团、国家能源集团神东煤炭集团公司、国家能源集团宁夏煤业有限责任公司、河南能源化工集团有限公司、中国中煤能源集团有限公司也开始推广使用干式除尘器。
目前国内矿用干式除尘器有：山西天地煤机装备有限公司与德国CFT合作生产的无龙骨扁框干式除尘器，盐城兰丰环境工程科技有限公司为代表生产的褶皱滤筒干式除尘器(表2)。无龙骨扁框干式除尘器具有以下特点：①过滤、清灰、排灰全自动运行，使用寿命超过5年；②滤布采用旁插结构，在设备一侧拆装滤布，适合在高度空间有限的巷道中使用；③采用时序式自动清灰技术，实现不停机自动清灰；④采用刮板输送机将清灰排至集尘袋进行定点收尘。
表2 国内煤矿在用2种干式除尘器参数
Table 2 Parameters of two typical dry
dust collector used in domestic coal mine
干式除尘器无龙骨扁框褶皱滤筒型号HBKO600KCG-600D处理风量/(m3·min-1)600600总尘除尘率/%≥99.99≥99.50呼尘除尘率/%≥99≥90设备阻力/Pa3 8001 500滤布形式无龙骨扁框褶皱滤筒滤布安装方式旁插垂直清灰方式不停机自动清灰停机后一键清灰排灰方式定点排灰直排
褶皱滤筒干式除尘器，相比无龙骨扁框干式除尘器具有阻力小、成本低的优点，在技术上具有以下特点：①滤布采用地面袋式除尘器常用的滤筒，采用垂直安装结构，在设备上方进行滤布拆装，在高度有限的巷道使用有些不便；②采用人工清灰方式，在设备前后各布置了5个清灰按钮，除尘器停止工作后，人工依次按清灰按钮实现清灰，运行能耗较大；③滤布上的清灰直排至输送带上或巷道底板上，容易造成粉尘二次污染。
2 除尘设备井下应用现状
对2019年发货到矿并下井使用的17套HBKO600型干式除尘风机的初次使用情况、持续使用情况进行了调研(表3)。该17套干式除尘器均应用于岩巷，除在菏泽、内蒙古的矿井为低瓦斯矿井外，其余均为高瓦斯矿井。干式除尘风机布置在带式输送机尾架或单轨吊上，负压风筒长度为30～50 m，负压风筒吸风口风量为530～550 m3/min。分别在未使用和使用干式除尘风机的条件下，对巷道中掘进机司机位置、转载机机尾以及除尘器出口3个位置进行总尘和呼尘浓度的测试，并计算平均除尘效率。
2.1 初次使用情况
在17套井下负压干式除尘风机净化实例中，仅有5套设备按照推荐的附壁风筒控尘工艺进行了安装和使用，其巷道总尘除尘效率可达96%～98%，呼尘除尘效率可达93%～95%。未按照附壁风筒标准控尘工艺安装的主要原因是控尘工艺要求的通风方式与该矿通风要求相冲突。
在高瓦斯矿井中，为避免瓦斯在掘进工作面的聚集，采用了压风分流的附壁风筒形式(部分规范)，其中有5套干式除尘系统采用了此种控尘方式。在该种控尘方式下，巷道总尘除尘效率可达82%～94%，呼尘除尘效率可达80%～91%，除尘效率明显低于完全附壁风筒的控尘工艺。
对于无瓦斯矿井，采用了演化的控尘方式(其他控尘方式)有5套。将供风筒出风口沿至掘进工作面25～30 m位置，并在出风口采用胶皮挡帘或者将出风口朝向巷壁、顶底板的方式，让风流不直吹工作面。采用演化控尘方式后，巷道的总除尘效率可达率91%～96%，呼尘除尘效率88%～94%。该种控尘方式主要用于榆林、鄂尔多斯、山东等没有瓦斯涌出，供风量小的岩巷环境中。
对于不采用控尘方式的有2例，其除尘效率最低，巷道总尘除尘效率仅为84%和76%，呼尘除尘效率仅为82%和73%。
表3 HBKO600干式除尘风机使用情况
Table 3 Dust removal efficiency of HBKO600 in mine tunnel
使用单位设计供风量/(m3·min-1)附壁风筒使用情况总尘除尘效率/%呼尘除尘效率/%初次使用长期使用初次使用长期使用初次使用长期使用菏泽矿1480无控尘—84—82—菏泽矿2410其他控尘—91—88—菏泽矿3-1320规范使用其他控尘97949392菏泽矿3-2310规范使用其他控尘96949593鹤壁矿1340其他控尘其他控尘92909188鹤壁矿2340其他控尘其他控尘94929191鹤壁矿3520规范使用无控尘96769271焦作矿1540部分规范部分规范83848080永城矿1550部分规范部分规范82788172永城矿2-1330其他控尘其他控尘96979493永城矿2-2330其他控尘其他控尘93949190毕节矿1-1520部分规范无控尘87738274毕节矿1-2480部分规范无控尘84768372毕节矿2350部分规范部分规范94949191内蒙古矿1-1310规范使用其他控尘98969492内蒙古矿1-2310规范使用其他控尘98929590晋城矿1570无控尘无控尘72747171
2.2 持续使用情况
2019年12月初到2020年1月初对这17台干式除尘器长期使用情况进行了调研。由于干式除尘设备体积大，菏泽矿1在巷道施工完毕再换工作面时停止使用，累计使用约4个月；菏泽矿2由于干式除尘设备体积大、移动麻烦，累计使用约2个月。
其余15台干式除尘设备自安装以来一直在用，但是没有一台干式除尘器按规范使用附壁风筒。其中部分规范使用的干式除尘器由最初的5台减少到3台，部分规范使用的这3台除尘器其巷道除尘效率与最初安装时候的除尘效率出入较小，说明除尘器在长时间运行以后，其过滤效率变化较小。
采取演化的控尘方式(其他控尘)措施的干式除尘器台数由5台增加到8台，其中菏泽矿3的2台干式除尘器采用其他控尘措施后巷道除尘效率没有明显下降，8台所有采取其他控尘措施的总尘除尘效率90%～96%，呼尘除尘效率88%～92%，除尘效率最高。这主要是由于除尘器风量远大于巷道供风风量的原因。
未采取控尘措施的干式除尘器台数增加了3台，达到4台(不包括菏泽矿1)。其中鹤壁矿3巷道总尘除尘效率由96%降至76%，呼尘除尘效率由92%降至71%；毕节矿1-1巷道总尘除尘效率由87%降至73%，呼尘除尘效率由82%降至74%，说明控尘技术在总控尘效率中的重要性。
对初次使用和使用4个月后的情况进行调研发现，由于附壁风筒改变了巷道原有通风方式，担心巷道掘进工作面风量不足而导致瓦斯超限以及附壁风筒移动麻烦等原因，导致附壁风筒使用一段时间后不再使用，巷道除尘效率有所下降。对于所需供风量较小的岩巷，采用演化的控尘技术，在保证巷道除尘效率的同时基本不增加作业工人的劳动量，在岩巷掘进中得到了大量使用。
3 综掘工作面除尘器除尘技术发展建议
根据笔者在综掘工作面粉尘治理方面积累的多年工程经验，以及综掘工作面粉尘治理面临的问题，提出以下4点建议，以期提高我国煤矿综掘工作面粉尘治理水平。
1)开展控尘工艺对煤矿巷道通风安全的影响研究及评价，消除通风规程与控尘工艺的冲突。根据矿井类型，瓦斯涌出情况，研究附壁风筒在巷道不同位置、不同径轴分风比、不同压抽风量比等控、除尘参数对掘进工作面风速、掘进工作面瓦斯分布及运移规律分析研究及评估，为附壁风筒控尘方式在综掘巷道安全使用提供理论依据。
2)开展巷道通风除尘参数在线监控系统的研究，为控尘工艺在巷道中持续安全运行提供技术支撑。对巷道掘进工作面风量分布，掘进工作面瓦斯情况以及巷道重合段最低风速等通风参数进行在线监测，当监测数据超过设置值后，及时调整附壁风筒径轴分风比、压抽风量比等控除尘参数使掘进工作面瓦斯、风量及巷道最低风速等满足要求。
3)研制除尘器在线监测监控系统及掘进巷道机械设备联控连锁系统。对除尘器的运行参数如：工作阻力、排放浓度、吸风量、人员作业点粉尘浓度等进行实时在线监测，实现除尘器运行的无人坚守。检测系统中设定各种事故点，当除尘器运行出现异常时，检测系统自动报警，从而减少作业人员对除尘器日常维护的工作量。将除尘器运行与巷道内其他运行设备进行互联互锁连接，保证在除尘器运行的情况下，其他相关产尘设备才能运行。
4)开展个体及巷道粉尘浓度连续在线监控系统，加强巷道粉尘治理水平的监控。通过研发巷道粉尘连续在线监测技术及个体接尘监测技术，对掘进巷道作业人员地点的总尘、呼尘粉尘浓度进行连续在线监测，监测数据实时上传至地面监控中心，并建立严格的监管机制，为除尘技术在巷道持续有效运行提供政策支撑。进一步将粉尘治理水平纳入管理考核体系。
4 结 论
1)附壁控尘技术自国外引进后，我国为适应煤矿巷道的实际需要，在附壁风筒的轻量化，控尘理论研究及优化改进方面取得了明显进展，并在很多煤矿使用，配套高效干式除尘器使用后，巷道总尘除尘效率可达96%～98%，呼尘除尘效率可达93%～95%。
2)附壁风筒移动操作过程复杂严重影响工人使用的积极性，导致大多数除尘系统在使用一段时间以后都没有严格按照标准的控尘工艺参数进行使用，从而使巷道的除尘效率明显下降。研制移动操作简单的控尘装置是综掘巷道粉尘治理的瓶颈技术。
3)通过开展附壁风筒控尘方式对巷道通风安全影响研究及巷道通风除尘参数在线监控技术研究，为附壁风筒控尘方式在巷道持续安全运行提供技术支撑；根据巷道瓦斯含量不同，采取不同的控、除尘方式，通过研发巷道粉尘连续在线监测技术及个体接尘监测技术，并加强政策监管为除尘技术在巷道持续有效运行提供政策支撑是提高我国煤矿综掘巷道粉尘治理的重要手段。
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