讓礦工在百米井下呼吸新鮮空氣
—— “井下空氣質量革命”的紅柳林實踐

文/李 波

霧滴與塵粒實驗系統平臺建設已完成，液壓支架負壓卷吸除塵器已投入使用，同心旋流濕式除塵風機、徑向控風裝置研制與實驗已完成，3種礦工專用洗護用品研發已完成，6套呼吸用品方案設計已完成，井下空氣質量在線監測與智能預警平臺投入使用……陜煤集團紅柳林礦業公司“井下空氣質量革命”示范礦井建設成績斐然，礦工在百米井下呼吸到新鮮空氣正逐漸變為現實。

產學研用一體，填補行業空白

在煤炭行業，關于“井下空氣質量革命”這一領域的研究尚屬空白。出發點在哪里？關鍵痛點在哪里？如何從根本上解決礦井空氣污染問題？紅柳林礦業公司以打造首個“井下空氣質量革命”示范礦井的實踐，為行業提供了方案。

紅柳林礦業公司智能化程度高、生產速度快，井下割煤、掘進、轉載、運輸等過程產塵量大，井下粉塵積聚，井下空氣環境質量低，影響職工健康。“以前我們雖然采取了一系列綜合防塵措施，但都沒能從根本上解決問題?！奔t柳林礦業公司生產技術中心負責人坦言，井下采掘面現有的防塵技術措施較為單一，采用全斷面噴霧、安裝凈化水幕等措施治標不治本。

2020年6月，紅柳林礦業公司與安徽理工大學袁亮院士團隊共同成立項目團隊，開展“井下空氣質量革命”課題研究。項目成立之后，袁亮院士團隊聯合西安交通大學、中國礦業大學、華中科技大學、山東科技大學、煤炭開采國家工程技術研究院5家科研院所，到公司展開調研。

“關鍵要解決井下粉塵、燃油車輛尾氣等空氣污染問題，建立有效的煤礦粉塵、燃油車輛尾氣等職業有害因素的識別與防治體系。通過搭建平臺，實現井下空氣質量在線監測和智能預警，提高空氣凈化水平，真正讓職工在井下也能呼吸到新鮮空氣。”紅柳林礦業公司黨委副書記、總經理常波峰表示。

“以25210智能化綜采工作面為例，采煤機區域粉塵濃度占比超過50%，液壓支架行人側粉塵濃度占比約為24.4%，回風巷區域粉塵濃度占比約為6.79%?！卑不绽砉ご髮W唐明云教授介紹，礦井粉塵高效防控的難點在于礦井空氣污染問題復雜，缺乏針對性，沒有形成分區域、分層級、分源頭的空氣凈化體系，缺乏關鍵技術支撐。

在經歷數次可行性論證的基礎上，一份《陜北礦區煤礦空氣凈化與職業健康基礎研究及關鍵技術裝備與示范》項目實施方案應運而生。方案提出“井下受限空間污染物理化性質及分布運移基礎研究”“采煤區域粉塵分源高效防控技術及裝備”等6項課題攻關，從突破陜北礦區礦井空氣污染物防控的理論瓶頸出發，研發空氣污染物防控關鍵技術與裝備。

抓住關鍵環節，提升技術支撐

“如果說布局優化礦井現有防塵裝備設施是做加法，那么從礦井生產全要素環節出發，尋求關鍵技術突破就是做乘法，為井下空氣凈化賦予更強的動能。”談及“井下空氣質量革命”示范礦井建設，紅柳林礦業公司總工程師苗彥平如此強調。

在紅柳林礦業公司25211智能化綜采工作面，液壓支架工將粉塵數值錄入系統，數據顯示總塵降塵率達到了72.7%。據了解，該工作面安裝40臺液壓支架負壓卷吸除塵器，實際生產過程中，除塵效果明顯。而之前采用的除塵裝置總塵降塵率僅為42.7%。這樣的裝置將在幾個綜采工作面陸續得到應用。

“通過不同抽壓比對通風除塵率影響實驗，我們發現距離工作面9m時粉塵濃度大幅降低，隨著抽壓比增加，巷道不同位置除塵率均增大?！卑不绽砉ご髮W薛生教授介紹，結合掘進工作面粉塵濃度分布及運移規律，通過實驗研究，研制出首套巷道壓抽風流智能除塵實驗系統，實現了掘進面壓風量的調配，同心旋流濕式風機等裝備技術的應用將有效提升工作面空氣凈化水平。

截至2022年5月，在采煤、掘進區域粉塵分源高效防控技術及裝備課題研究領域，紅柳林礦業公司已先后完成潤濕—凝聚復合型抑塵劑及其自動添加裝置、截割塵源封閉式抑塵技術、巷道全斷面霧幕捕塵技術等技術裝備的研發。

對紅柳林礦業公司而言，這還遠遠不夠，繼續加大攻關力度，其預期目標是建立1個典型礦井綜采工作面的粉塵防治示范應用工程，采掘面總塵降塵率達90%以上，呼塵降塵率達到85%以上。

井下受限空間污染物理化性質及分布運移基礎研究、燃油車輛排放物凈化關鍵技術及裝備等課題的研究也都取得了階段性的進展。以25210智能化綜采工作面為原型的受限空間多重塵源粉塵及車輛尾氣運移物理模擬平臺進入實施階段；完成燃油車凈化裝置安裝及初步性能測試，達到了180℃下CO轉化率90%、HC轉化率77%、碳煙吸光系數小于1.61，實現了尾氣低溫高效凈化。

此外，紅柳林礦業公司還對礦井燃油車尾氣污染物尾氣基礎數據進行監測，構建完成了礦井粉塵及車輛尾氣基礎參數庫。這對燃油車輛排放物凈化起到了關鍵作用，能夠及時獲取尾氣中CO、NO、NO2污染物在不同階段的濃度極值，進而采取有針對性的防治措施。“經過分析測試，我們獲取了汽車尾氣碳煙、氣態污染物生成機理，完成了碳煙高效催化劑的制備，為指導礦井燃油車最優運行、實現污染物的源頭控制奠定了基礎。”課研組負責人介紹道。

目前，該項目已完成《一種濕度及噴速可調矩陣式多粒徑粉塵發生器》等11項國家發明專利、《煤礦井下輸送帶運輸觸控噴霧除塵技術》等5篇核心學術論文，獲得《礦井燃油車組合優化系統》等2項軟件著作權，為項目的深入開展提供了強有力的學術理論支撐。

找準制勝機理，砥礪探索前行

開展井下空氣質量革命，歸根到底在于改善作業環境，保障煤礦從業人員的職業健康。

“把職工健康放在首位，將觀念從關注職工生命安全轉變為關愛職工身體健康，全周期保障職工身體健康。”這是紅柳林礦業公司黨委書記、董事長張宏經常掛在嘴邊的一句話。

2020年項目開展初期，紅柳林礦業公司便已經完成了生產區隊不同作業現場職業有害因素的識別，對1531名礦工職業健康情況進行了調研，開展早期健康指標篩選與預測預警研究。與此同時，課題組經過多次討論，形成了3套適合不同粉塵和汽車尾氣濃度的呼吸防護用品方案，并在職工內部推廣試行。

“建立職業危害機理及健康保障體系，要深入研究及尋找新的煤肺發病機制，獲得早期預防和治療方案?！毖ι淌谥赋?。為此，課研組構建實驗性煤工肺和矽肺小鼠模型，利用單細胞測序技術方法，經過30余次細胞動物實驗，得到了煤塵誘導肺部炎癥和纖維化的機制及維生素D干預治療的效果和潛在機制。這一關鍵發現，可以有效預防粉塵暴露所致的肺部損傷。

智能化礦井建設也為職業健康研究、預測預防帶來了新的發展機遇。“依托工業互聯網平臺搭建的井下空氣質量在線監測與智能預警平臺，完成了監測預警系統架構、數據庫、設備管理、綜合評價等主要功能模塊設計，基于JEE開發平臺，以SpringMVC作為后臺框架，開發了監測與預警系統軟件。”紅柳林礦業公司智能化部負責人介紹，井下空氣質量狀況分析、數據監測實現了“一鍵直達”，這也是國內首個井下空氣質量在線監測與智能預警平臺。

中國工程院院士金智新等專家認為，該項目結合紅柳林礦區等典型礦井工程實際，采用現場實測、實驗室研究、物理模擬實驗、數值模擬計算“四位一體”的科研方法，通過理、工、醫學科融合，開展礦井空氣凈化與職業健康基礎理論及關鍵技術裝備研究與示范。這對提高井下空氣質量、改善作業環境、保障煤礦從業人員職業健康具有重要意義。

長遠來看，井下空氣凈化是一個持續推進、不斷深化的過程。紅柳林礦業公司所進行的“井下空氣質量革命”，顛覆了以往礦井空氣污染防治模式，應用新材料、新技術、新裝備，形成了全礦井、閉環管理的煤礦空氣凈化體系和作業流程，一定程度上破解了煤礦井下空氣污染物防治的難點，為煤炭行業提供了可供借鑒的經驗模式。