新型降塵材料在綜掘工作面的應用(劉承宇)

1、新型降塵材料在綜掘工作面防塵中的應用劉承宇1，劉鍵2，姬玉成3（1.冀中能源峰峰集團有限公司，河北 邯鄲056011；2.川南煤業(yè)瀘州古敘煤電有限公司，四川 瀘州646522；3.西南科技大學，四川 綿陽621010）摘要 針對綜掘工作面高濃度粉塵治理現(xiàn)狀，在分析綜掘工作面運移規(guī)律前提下，結合新型降塵材料功能特點，提出綜掘工作面新型降塵材料的應用工藝。在多地煤礦井下應用結果表明，新型降塵材料能夠顯著提高噴霧降塵效果，可將清水噴霧狀態(tài)粉塵濃度最高降低90%，有效控制和降低割煤過程中產生的粉塵，極大地改善生產作業(yè)條件。關鍵詞： 綜掘面；粉塵；噴霧；新型降塵材料 Application of the

2、 new dust suppression material in dust control of mechanized excavation FaceLIU Cheng-yu1,2, LIU Jian2, JI Yu-cheng2( 1. Jizhong Energy Fengfeng Group Co., Ltd, Handan05601, China; 2. South Sichuan Coal Luzhou Guxu CoalElectric Co., Ltd, Luzhou646522, China; 3. Southwest University of Science and Te

3、chnology, Mianyang 621010, China)Abstract：According to high concentrations of dust control situation in mechanized excavation face, this paper proposes the New Dust Suppression Material application process in the Mechanized excavation face with the function features of the new dust-depressor after a

4、nalyzing dust migration rules. Application results in several coal mines indicate that the new dust-depressor can significantly enhance the effect of spraying to reduce dust concentrations with at most 90% dust concentration reduced than that in water spray condition, effectively control the dust ge

5、nerated in the production process and greatly improve the production and operating conditions.Key words: mechanized excavation face; dust; spray; the new dust suppression material引言 目前，隨著綜合機械化掘進機在煤礦掘進的普遍應用，掘進速度和效率大幅提高，單位時間內工作面產生的粉塵量也急劇增加。煤礦井下高濃度粉塵不僅易發(fā)生煤塵爆炸，若與瓦斯爆炸，還可發(fā)生瓦斯與煤塵爆炸，造成更為嚴重的人員傷亡和經濟損失。過高濃度的粉塵

6、嚴重威脅了井下作業(yè)人員的職業(yè)健康，井下掘進、采煤工作面是煤礦職工塵肺病發(fā)病率高發(fā)區(qū)。同時，井下高濃度粉塵還降低了井下精密設備的使用壽命，影響了作業(yè)人員可視距離和掘進速度參考文獻： 李華煒. 煤礦呼吸性粉塵及其綜合控制J. 中國安全科學學報,2005,23(1):4851.LI Hua-wei. Ccrnprehensive Control of Respirable Dust in Coal Mines J. China Safety Science Journal, 2005,23(1):4851.，增加了操作事故發(fā)生概率，降低了職工勞動效率和礦井生產效益。因此，綜掘工作面粉塵危害狀況更加迫

7、切需要改進降塵技術，加強降塵措施。在現(xiàn)有生產條件下，大多數(shù)煤礦掘進工作面采用的防塵技術手段有以下幾種：通過煤層注水等方式減少原始粉塵的產生；依靠通風、除塵器、噴霧、濕式作業(yè)等物理控塵方式降低和除去懸浮在空氣中的粉塵；通過在防塵系統(tǒng)添加降塵材料如濕潤劑、泡沫劑等化學降塵方式增強防塵系統(tǒng)整體降塵效果，尤其是噴霧降塵效率。這些防塵技術措施在粉塵防治中發(fā)揮了重要作用，但仍存在一定不足 時訓先,蔣仲安,褚燕燕等. 煤礦綜采工作面防塵技術研究現(xiàn)狀及趨勢J. 中國安全生產科學技術, 2005(2): 4143.SHI Xun-xian, JIANG Zhong-an, CHU Yan-yan.Current

8、 Development and Trend of Dust Control Technology Research of Fully Mechanized Coal FacesJ. Journal of Safety and Technology, 2005(2): 4143. 趙 棟. 礦井綜合防塵措施J. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2003(6):111112.ZHAO Dong. Comprehensive dustproof measures of mineJ. Mining Safety Environmental Protection, 2003(6):111112.。化學降塵材料是現(xiàn)有

9、防塵技術體系的重要組成部分，也是解決井下粉塵問題的潛在發(fā)展方向。新型降塵材料作為新型多功能降塵材料能夠部分彌補和解決現(xiàn)有技術措施的不足，提高現(xiàn)有噴霧降塵效率，尤其對在巷道空間中懸浮能力較強的呼吸性粉塵具有顯著作用。因此，新型降塵材料的應用研究對于降低煤礦井下粉塵濃度和改善作業(yè)條件具有重要意義。1 影響綜掘工作面粉塵運動狀態(tài)的主要粉塵性質綜掘工作面粉塵主要來自于綜掘機割煤、裝載機轉載、皮帶機運煤及打鉆支護作業(yè)等作業(yè)工序。掘進巷道作為獨頭巷道，難以形成循環(huán)風流，增大了通風降塵難度，粉塵依靠風流動力自工作面揚起擴散后彌漫在工作面后部整個作業(yè)空間，這是掘進工作面風流和粉塵揚散、移動狀態(tài)過程的特點 劉亞

10、力. 綜掘工作面高壓噴霧降塵技術研究D. 西安:西安科技大學,2010.LIU Ya-li. The Research of High-pressure Spray on Mechanized Excavation FaceD. Xian:Xian University of Science and Technology, 2010.。巷道中懸浮的粉塵70%左右源自綜掘機截割頭破煤碎煤，因此割煤過程及截割頭附近的粉塵控制及降塵對于實現(xiàn)就地控塵和降低整體巷道空間的粉塵濃度具有關鍵作用。目前我國煤礦井下除塵主要采用以水為主的綜合防塵措施，包括煤層注水，濕式作業(yè)及各種噴霧系統(tǒng)，其中對于逸散在空間中的

11、粉塵主要通過噴霧進行降塵。噴霧降塵效果的關鍵在于水霧顆粒與粉塵顆粒之間接觸機會和結合能力。這主要受到粉塵粒徑、荷電性及潤濕性等多因素影響 馬素平,寇子明. 噴霧降塵技術機理的研究J. 煤炭學報.2005,30(3) :29730.。1.1 粒徑粉塵粒徑是粉塵的重要屬性，粒徑大小是劃分呼吸性粉塵與非呼吸性粉塵的依據(jù)。粒徑越小，對人體的危害越大，越容易導致塵肺病發(fā)生。不同粒徑的粉塵微粒具有不同的運動形態(tài)。在巷道大部分呈層流狀態(tài)的巷道空間中，粗顆粒幾乎成直線地落到平板上；細顆粒(粒徑Dp=510um)不成直線而是成拋物線落到平板上；亞微粒(粒徑Dp0.5um)將繼續(xù)在層流氣流中漂移，同時由于同氣體分

12、子碰撞而顯示出了隨機的布朗運動的特性MA Su-ping, KOU Zi-ming. Study on mechanism of reducing dust by spay J. Journal of China Coal Society. 2005,30(3) :29730. 王和堂. 礦塵在井巷風流中的運動特性J. 礦業(yè)工程研究,2011,26(4):6669.WANG He-tang. Motion characteristics of mine dust in airflow of shaft and tunnel. Mineral Engineering Research, 2011

13、,26(4):6669.。因此，粒徑與運動形態(tài)不同的粉塵顆粒降塵機理不同，降塵方式也應不同。1.2 荷電性粉塵粒子可以帶有電荷，其來源是煤巖在粉碎中因摩擦而帶電，或與空氣中的離子碰撞而帶電。經測定和超顯微觀察。飄浮在空氣中的塵粒有9095帶正電或負電，510的塵粒不帶電 李艷強,楊炯照,韓婕等. 粉塵吸附行為及微觀機理的研究J. 工業(yè)安全與環(huán)保.2011,37(6):2527.LI Yan-qiang, YANG Jiong-zhao, HAN Jie. Research on Adsorption Behavior of Dust and Its Microcosmic MechanimlJ

14、. Industrial Safety and Enviromental Protoction. 2011,37(6):2527.。荷電的粉塵粒子、水霧顆粒相互之間因靜電相斥作用，導致微小粉塵粒子難以快速沉降，水霧顆粒難以與粉塵微粒結合，是粉塵長時間懸浮在作業(yè)空間的重要原因。這也直接增大了作業(yè)人員吸入粉塵的可能性。1.3 粉塵潤濕性粉塵（固體）能否與液體相互附著或附著的難易的性質稱為粉塵的濕潤性。通常用濕潤界角進行衡量。濕潤邊角愈大，表面能愈大，粉塵與顆粒愈難以結合。絕大部分煤塵均屬于疏水性粉塵，一般水的表面張力較大，在70dyn/cm2以上，導致噴霧水顆粒難以與粉塵顆粒結合，影響了噴霧降塵的

15、宏觀效果 張大明,馬云東. 礦井粉塵污染防治新技術淺析J. 遼寧工程技術大學學報,2009(28)：2225.ZHANG Darnin, MA Yundong. Analysis of the new dust-proof technology in mineJ.Journalof Liaoning Technical University (Natural Science) ,2009(28)：2225.。粉塵微粒巖性與粒徑影響其濕潤性。同時，不同煤塵因化學組分差異與水顆粒濕潤性不同。2 新型降塵材料功能特點清水噴霧的實際降塵效果受多個因素限制，尤其是粉塵的粒徑、濕潤性、荷電性等，致使清水噴

16、霧對呼吸性粉塵的降塵效果更低，降塵效率常不足30%。為提高噴霧降塵效果，研究人員認為添加降塵劑提高水霧顆粒與粉塵微粒結合能力是有效手段之一，先后研制出濕潤劑、起泡劑、粘結劑等降塵材料，取得了一定效果 吳 超. 化學抑塵M. 長沙:中南大學出版社,2003:513WU Chao. Chemical Suppression of Dust. Changsha: Press of Central South University of Technology,2003:513?，F(xiàn)有降塵材料仍然需要解決添加量大、成本高、適用于多種噴霧系統(tǒng)等問題。本文所介紹新型降塵材料具有抗靜電性、潤濕性、發(fā)泡性等多種功

17、能性組分，在噴霧降塵過程其多功能性組分中能夠發(fā)揮協(xié)同配合的綜合作用，增強噴霧降塵效果。2.1 表面活性功能組分新型降塵材料所含表面活性組分能夠有效降低水溶液的表面張力。對粉塵微粒而言水表面張力下降，降低流體與固體之間的潤濕角和界面自由能，使微小水霧顆粒與粉塵顆粒結合能力增強，從而改善了固體粉塵微粒的表面潤濕性能，提高了整體水霧降塵效果。試驗表明，萬分之一水量的新型降塵材料即可將水的表面張力有效降低至3040 dyn/cm2之間。相關研究還表明，水體霧化過程中因界面表面張力降低，水霧顆粒粒徑減少，數(shù)目增加；同時粉塵顆粒更易穿過小的霧滴表面，進入水霧滴，從而使水霧滴表面和內部均可吸附融合粉塵微粒8

18、。這些因素的綜合作用均有利于提高水噴霧的降塵效率。2.2 抗靜電功能組分新型降塵材料中的抗靜電成分，通過改善水體破碎過程，減少水霧微粒荷電，同時有效改變粉塵顆粒表面電位，從而極大降低水霧顆粒和粉塵顆粒所帶電荷的相斥作用，減弱其相互碰撞凝聚難度，使水霧顆粒與粉塵更易吸附結合，快速沉降，能有效解決清水噴霧因靜電相斥問題難以結合粉塵顆粒而降塵效果不明顯的問題；2.3 發(fā)泡功能組分新型降塵材料的發(fā)泡性成分，能夠使噴出的微小水霧顆粒泡沫化，大大增加與粉塵顆粒之間的接觸面積，增加捕捉粉塵顆粒的機率。泡沫除塵在國外起步早，應用技術更成熟，國內研究人員對此進行了深入研究 黃本斌,王德明,時國慶,李大偉. 泡沫

19、除塵機理的理論研究J. 工業(yè)安全與環(huán)保,2008,34(5):1315.HUANG Ben-bin, WANG De-ming, SHI Guo-qing, LI Da-wei. Study on mechanism of Froth dedustingJ.Industrial Safety and Enviromental Protoction, 2008,34(5):1315.。泡沫化水霧與粉塵之間可通過截留、慣性碰撞、擴散、黏附等作用提高降塵效率。2.4 其他功能組分新型降塵材料中還包括一些其他功能成分，如微量的阻垢成分，可以管路中的結垢物質發(fā)生緩慢反應，可改善和緩解礦井防塵管路及噴霧設

20、備結垢狀況等問題。 3.5 無毒無害性此新材料配方中物質均采自FDA美國食品藥物管理局認證原料，材新料經國家疾病預防控制中心鑒定，對人體無毒無害。3 應用工藝及結果分析圖-1 新型降塵材料噴霧設備結構示意圖Fig.-1 The structural diagram of spraying device of the new dust suppression material3.1 設備安裝與材料使用新型降塵材料添加量低，與防塵水的添加比例在0.8以下，配套設備安裝簡便，如圖-1所示。首先，將降塵材料灌入新型材料添加控制模塊的加液箱，新型降塵材料噴霧設備即可自動恒定比例添加。設備安裝簡單，將礦井

21、自身防塵供水系統(tǒng)（或以綜掘機噴霧系統(tǒng)為水源）與壓風系統(tǒng)，通過礦用高壓軟管與噴霧降塵設備預留安裝位置連接，風、水管路在作業(yè)人員附近預留開關，如此即可完成安裝。作業(yè)人員可根據(jù)作業(yè)情況通過身邊開關方便控制設備開、停。在水路中添加新型降塵材料，新型降塵材料與防塵水在液液混合模塊內預混合后，混合液與風路通過流量控制模塊進入氣液混合模塊?；旌夏K內降塵劑、防塵水與風流三者充分混合、破碎、泡沫化和初次霧化后，進入噴霧模塊。經過噴霧模塊二次破碎和霧化，形成細微氣泡化水霧，以一定射程和角度噴出覆蓋截割頭產塵部位和工作面粉塵逸散部位，從而控制和降低粉塵濃度。3.2 應用結果分析新型降塵材料在河北、山東、四川等地煤

22、礦井下綜掘工作面應用，取得了良好降塵效果。應用過程中，采用直讀式粉塵測試儀測量清水噴霧降塵在添加新型降塵材料前后兩種狀態(tài)粉塵濃度變化，結果如下： 河北某礦綜掘工作面布置在煤層中，煤層結構復雜，傾角26，硬度系圖-2 河北煤礦綜掘面粉塵全塵濃度變化Fig.-2 Whole dust concentration changes in fully mechanized heading faces of Hebei mine數(shù)為35，含23層夾矸，最厚一層夾矸厚度筽50.2m，工作進度快。結果如圖-2所示，應用新型降塵材料前后，綜掘機司機位置處全塵濃度由389 mg/m降至105 mg/m，比清水噴霧

23、又降低了73%。山東某礦綜掘工作面屬于半煤巖巷道，傾角25，煤層厚約1.5m，含夾矸12層，其中部夾一穩(wěn)定的粘土巖夾矸，厚約0.1m。應用中，對綜掘機操作司機后10米左右處粉塵全塵濃度與呼吸性粉塵濃度兩個指標進行了測定，結果如圖-3所示，添加新型降塵材料后，全塵濃度與呼吸性粉塵濃度分別降至88.7 mg/m和26.5mg/m，比清水噴霧又分別降低了74%和90%。圖-3 四川煤礦綜掘面粉塵全塵濃度變化Fig.-4 Changes of whole dust concentration in fully mechanized heading faces of Sichuan mine圖-4 山東

24、煤礦綜掘面粉塵全塵、呼塵濃度變化Fig.-3 Changes of whole and respirable dust concentration in fully mechanized heading faces of Shandong mine四川某礦22405綜掘工作面屬于半煤巖巷道，巖石硬度系數(shù)28，傾角926，掘進作業(yè)中，粉塵產塵量高，嚴重影響作業(yè)進度。應用過程中對綜掘機操作司機位置處粉塵全塵濃度進行了測定。結果如圖-4所示，添加新型降塵材料后，粉塵全塵濃度又比清水噴霧時降低了58 %，降塵效果明顯。4 影響應用工藝效果的因素分析噴霧降塵本質上是通過固-液-氣（粉塵微粒、水霧顆粒與風流）三相的運動和相互作用實現(xiàn)的。應用過程中，以下主要因素對新型降塵劑應用效果影響較大：4.1 噴霧效果新型降塵材料通過噴霧系統(tǒng)，發(fā)揮其提高噴霧降塵效果的作用。因此，噴霧效果直接影響新型降塵材料提高噴霧降塵效率的程度。 應用中采用氣動噴霧形式，風水流量調配對于最終噴霧效果十分關鍵。水量增大時，霧化程度減弱。噴霧效果與水霧顆粒粒徑有關，粒徑過大或過小，都不利于最終降塵效果。同時，增加單位體積內水霧顆粒總數(shù)，可提高水霧降塵效果。 水霧泡沫化程度可以直接提高水霧與粉塵接觸表面積，增大水霧與粉塵相互碰撞、潤濕、吸附的機會。因此，控制新型降塵材料