泡沫降塵新技術(shù)在官地礦掘進工作面的應用實踐

戴永祿，楊樹軍

(1.山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司，山西 太原 030022，2.西山煤電(集團)有限責任公司官地煤礦，山西 太原 030022)

粉塵特別是呼吸性粉塵對工人健康具有極大危害，長期吸入呼吸性粉塵可導致肺部組織彌漫性纖維化，最終造成塵肺病[1]。2010年在全國煤礦職業(yè)安全健康經(jīng)驗交流會上報道：“全國煤礦有265萬接塵人員，每年有5.7萬人患上塵肺病，因塵肺病死亡的則有6000余人，是安全生產(chǎn)事故死亡人數(shù)的兩倍”[2]。同時粉塵又具有爆炸性，嚴重影響煤礦的安全生產(chǎn)，是煤礦主要災害之一。

目前，煤礦井下采用防治礦塵的主要技術(shù)措施有：煤層注水、噴霧降塵、通風排塵、除塵器除塵等，但各種技術(shù)都存在其缺點[3]。官地礦工作面目前降塵手段僅僅是掘進機的內(nèi)外噴霧，且內(nèi)噴霧已全部失效，外噴霧降塵效果又相當差，而且由于噴頭口徑太小，井下所用除塵水又含有巖粉等顆粒雜質(zhì)，很容易堵塞噴頭；再加上掘進機滾筒在工作時，在高濃度產(chǎn)塵情況下，巖粉極易覆蓋在機頭上，也容易在噴頭上沉積，造成噴頭堵塞。同時，又由于該掘進面底板遇水后硬度會降低，造成掘進機下陷，現(xiàn)場作業(yè)人員并不愿意使用內(nèi)外噴霧。雖然有相關(guān)措施要求迎頭必須設(shè)置水幕簾，但由于掘進速度較快，職工意識不強烈，造成水幕并未實施，即使有實施，由于霧化效果太差，并未取得預期的降塵效果。

近年來中國礦業(yè)大學系統(tǒng)研究了泡沫降塵技術(shù)，分析了泡沫捕塵機理與理論模型，研制了降塵泡沫發(fā)泡器及泡沫專用發(fā)泡劑，提出了降塵新工藝，最終研制了一種適宜煤礦掘進工作面粉塵防治的泡沫降塵系統(tǒng)，取得了顯著的進展[4-7]，西山煤電集團于2011年8月起開始在官地礦進行了該技術(shù)的工業(yè)性試驗，有效降低了綜掘面的粉塵濃度，凈化了作業(yè)環(huán)境，提升了工人作業(yè)效率，得到了一線職工的一致好評。

1 泡沫降塵機理

泡沫之所以能捕集空氣中飛揚的粉塵，除了與泡沫所具有的良好特性相關(guān)外，還與泡沫與粉塵的相互作用密切相關(guān)，這些作用主要有截留、慣性碰撞、擴散、黏附、重力沉降等效應，如圖1所示。

圖1 泡沫降塵的各種效應

研究發(fā)現(xiàn)，對于不同粒徑下的粉塵，泡沫降塵的機理是各不相同的[8]。當粉塵粒徑在大于100μm，并且速度不高的情況下，重力沉降效應起主要作用；當粉塵粒徑在大于10μm，小于50μm，并且速度很高(v>1cm/s)的情況下，截留和慣性碰撞效應其起到了主要作用；對于粒徑小于10μm的微小粉塵，其主要的降塵機理是擴散效應；而在降塵的整個過程中，黏附效應始終存在。

事實上，泡沫降塵的最終實現(xiàn)并不是某一降塵機理單獨作用的結(jié)果，盡管有時在降塵的特定階段，某個降塵機理起了主要作用，但是整個降塵過程必然是由兩個或多個降塵機理協(xié)同完成的。這也就是為何利用泡沫能夠容易除去粉塵，達到很高的降塵效率的重要原因。

2 高性能泡沫的制備流程

泡沫降塵技術(shù)是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，要想達到良好的降塵效果，泡沫降塵系統(tǒng)是關(guān)鍵，它是泡沫制備的系統(tǒng)工具，決定了降塵的應用效果和降塵效率的高低。泡沫降塵系統(tǒng)主要由發(fā)泡劑添加部分、泡沫發(fā)生部分、控制與管路輸送部分及泡沫噴射部分組成。其工藝流程如圖2所示。首先，井下水在壓力作用下進入水管路，在添加器的作用下，將發(fā)泡劑添加到水管路中，發(fā)泡劑與有壓水混合后，形成均勻的發(fā)泡液，進入發(fā)泡器，在發(fā)泡器中，發(fā)泡液與壓縮風流相遇，通過射流、卷吸和紊流等作用，氣液迅速混合成高性能泡沫，經(jīng)噴頭噴灑至掘進面產(chǎn)塵點，進行降塵。

圖2 實驗室制備泡沫的流程

其中，發(fā)泡器是泡沫降塵系統(tǒng)中的核心部件。該部分充分利用了射流產(chǎn)生負壓原理及文丘里管在喉部高速低壓的特點，使空氣和發(fā)泡液在喉部高速紊態(tài)流動，為了增加氣液的接觸面積，在文丘里管的擴散階段設(shè)置了一定數(shù)量的氣孔；文丘里管擴散段內(nèi)部設(shè)置擾流器，能將高速液體流束分散開，由于射流作用在擾流器旋轉(zhuǎn)斜面上形成湍流渦流，使氣體能夠更容易的進入液體，達到氣-液充分混合；在擾流器的后部設(shè)置若干檔板，高速紊亂的氣液混合液和部分泡沫在此階段被進一步混合，產(chǎn)生更多的適合降塵的均勻泡沫群。

3 泡沫降塵工藝的確定

泡沫降塵的關(guān)鍵之一是使泡沫對塵源進行有效包裹。要想高效的抑制粉塵的擴散，必須在粉塵開始擴散之前使其受到有效的抑制，也就是說必須在粉塵變?yōu)楦∮螤顟B(tài)前把泡沫施加到產(chǎn)塵點，即泡沫的作用范圍必須覆蓋塵源附近有可能向外擴散粉塵的區(qū)域。粉塵產(chǎn)生瞬間的運動軌跡直接影響著泡沫降塵技術(shù)工藝的選擇，圖3所示為縱軸式截割掘進機工作時粉塵的瞬間運動軌跡，在不考慮風流影響的情況下，煤巖破碎產(chǎn)生的粉塵大部分沿著截齒運動軌跡的切線方向被帶出來。

圖4為綜掘機掘進期間泡沫噴頭對粉塵的包裹工藝，工藝利用噴頭良好的擴散性能達到降塵的目的，該工藝操作簡單、穩(wěn)定可靠、能夠適應井下狹小的空間。

掘進機泡沫降塵立體化“包裹”，這種全方位立體化的的泡沫捕塵工藝是根據(jù)粉塵的擴散軌跡而設(shè)計的，該方法可使泡沫有效的覆蓋粉塵，阻斷其擴散通道，使粉塵在產(chǎn)生地點附近就被捕捉。

圖3 掘進時粉塵的瞬間運動軌跡

圖4 掘進期間噴頭“包裹”工藝的設(shè)

4 泡沫降塵技術(shù)現(xiàn)場應用

4.1 綜掘工作面概況

22608副巷屬中六采區(qū)2#煤層，煤層瓦斯絕對涌出量0.60m3/min，煤層煤塵爆炸指數(shù)16.69%；煤層自燃傾向為不易自燃。巷道采用矩形斷面，巷寬4.6m，高為3m，斷面標準面積13.8m2。循環(huán)進度2m，最大控頂距2.4m，最小控頂距0.4m。若頂板不完整、破碎時循環(huán)進度1.0m，最大控頂距1.4m，最小控頂距0.4m。頂板采用錨桿、錨索、槽鋼鋼帶、鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護。中六采區(qū)22608副巷綜掘工作面采用上海創(chuàng)力礦山設(shè)備有限公司生產(chǎn)的EBZ132縱軸式掘進機割、裝、運煤，并配合皮帶、溜子出煤，跟頂跟底掘進，保證巷道高度不低于3m，巷道高度大于3.5m時，跟頂留底煤掘進的施工方法。

該工作面目前主要除塵方法包括通風排塵、掘進機噴霧降塵和除塵風機除塵。實際應用過程中，以上方法都存在著一些不足，如表1所示。

4.2 泡沫降塵系統(tǒng)在掘進面的布置

掘進工作面空間狹小，作業(yè)工序又較多，因此要求降塵系統(tǒng)的安裝既要能保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，又要不能影響工人的作業(yè)。需要安裝的設(shè)備主要有：發(fā)泡一體化裝置、泡沫分配器、噴頭支架、噴頭等。其中噴頭支架的安裝機構(gòu)是用來固定噴頭支架，其上設(shè)置供噴頭滑動的螺栓槽，便于試驗過程中方便的調(diào)節(jié)噴頭角度和覆蓋范圍。

泡沫降塵系統(tǒng)在中六采區(qū)22608副巷掘進工作面的布置情況如圖5所示。降塵所用水為原降塵用水的一部分，氣為壓風的一部分。風水一體閥門的兩個接口分別與水管和風管連接，發(fā)泡劑添加裝置和發(fā)泡劑箱底部相連，依靠水管中水流的動力把發(fā)泡劑添加至水管中，風水一體閥門出口端的壓風管接到發(fā)泡器上，連接管路都用直徑為19mm的高壓膠管，發(fā)泡器、發(fā)泡劑添加裝置和發(fā)泡劑箱連成一體固定在掘進機臺面上，生成的泡沫采用直徑為50mm的膠管輸送至泡沫分配器的入口，裝有泡沫噴頭的噴頭支架由直徑為19mm的膠管和分配器的出口端連接，最后由噴頭噴灑至產(chǎn)塵點，抑制礦塵的擴散。

由于整個掘進工作面的產(chǎn)塵點主要在掘進機的截齒處，所以泡沫噴頭的作用范圍應該是切割滾筒的四周。由于泡沫會因重力作用向下運動，掘進機截割頭下側(cè)不易布置噴頭，泡沫噴頭的布置重點是掘進機截割頭的上部和兩翼，因此在上部和兩翼共布置了5個噴頭。噴頭所噴出泡沫的擴散形式分別為：上部噴頭呈水平扇形分布噴出，左右兩翼的四個噴頭呈傾斜扇形噴出，噴頭擴散角度均為45°。噴頭布置好以后，把水管和風管連接到發(fā)泡器上，最后把發(fā)泡器和泡沫噴頭接通。根據(jù)設(shè)計的方案和多次井下現(xiàn)場實地勘察和測算，最終將泡沫降塵系統(tǒng)安裝完畢。

為了適應在EBZ132掘進機上的使用條件，設(shè)計了環(huán)式支架，另外噴頭在支架上安裝時需將其槽口方向與支架的中線重合，以使泡沫噴出后能更好的構(gòu)成包裹空間，如圖6所示。

泡沫降塵技術(shù)實施的前提是制備高質(zhì)量的泡沫，而在應用地點制備泡沫必須具備水源和壓風。水源需要具有一定流量和壓力，一般情況下可用井下降塵用水或者消防水，一般要求流量為1m3/h，壓力0.2～0.7MPa。壓風管路一般要求流量為40～80m3/h，壓力0.2～0.7MPa。

4.3 效果分析

泡沫降塵系統(tǒng)在中六采區(qū)22608副巷掘進工作面安裝完畢后，進行了系列應用試驗。

試驗現(xiàn)場在司機處布置了粉塵濃度測點，使用重慶煤科院生產(chǎn)的CCGZ-1000型直讀式粉塵儀分別測得了無任何防塵措施、開啟外噴霧降塵、開啟泡沫降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度各6組數(shù)據(jù)，取其平均值并進行對比分析，如圖7、圖8所示。

表1 官地礦掘進面常用除塵技術(shù)比較

圖5 系統(tǒng)的安裝與布置示意圖

圖6 噴頭支架示意圖

圖7 外噴霧與泡沫降塵對全塵的效率對比

圖8 外噴霧與泡沫降塵對呼吸性粉塵的效率對比

現(xiàn)場測試結(jié)果表明：外噴霧降塵雖然可對迎頭粉塵濃度進行一定程度的降低，但整體效率仍較低，全塵和呼吸性粉塵效率僅有37.62%和38.46%，迎頭粉塵依然相當嚴峻，能見度不足1m，職工作業(yè)環(huán)境大大受到了限制，而且采用外噴霧降塵用水量較大，約3m3/h，大量的積水惡化作業(yè)面環(huán)境，嚴重情況下甚至造成掘進機的下沉。

而采用泡沫降塵時，全塵及呼吸性粉塵濃度分別為由790mg/m3和360mg/m3迅速降至141.2mg/m3和54.6mg/m3，降塵效率高達為82.13%和84.82%，降塵效率是外噴霧2.18倍和2.2倍，能見度也迅速提升，工人可以清晰看到迎頭，保障了安全開采。而且，產(chǎn)生的泡沫能夠很好的覆蓋滾筒周圍空間，抑制粉塵的產(chǎn)生和擴散，并能黏附壁面之上，從而達到提前潤濕壁面的效果。

同時，由于泡沫降塵采用的是風動式發(fā)泡的方式，耗水量相當少，僅為1m3/h，大大改善了一線職工的作業(yè)環(huán)境，更為關(guān)鍵的是該套裝備操作簡便，使用方便，得到了職工的一致好評。

5 結(jié)論

1)在泡沫捕塵模型的基礎(chǔ)上，從碰撞、濕潤、覆蓋和黏附的角度研究了泡沫的降塵機理，分析出了針對不同的粉塵粒徑，泡沫所起的作用不同，但泡沫降塵的最終實現(xiàn)并不是某一降塵機理單獨作用的結(jié)果，而是由多種降塵機理協(xié)同完成的，因而，泡沫降塵效率較其他降塵手段高的多。

2)提出泡沫降塵新應用工藝，利用井下現(xiàn)有的壓力水和壓縮風流為源動力，通過發(fā)泡劑與有壓水混合后，形成均勻的發(fā)泡液，在發(fā)泡器內(nèi)利用流體靜壓和速壓相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)發(fā)泡液與壓縮風流的混合，并通過系列的射流、卷吸和紊流等作用，達到氣液兩相成泡，產(chǎn)生高性能泡沫，最后通過在塵源周圍布置泡沫噴頭，在工作面空間和條件合適的地點制備泡沫，然后輸送至噴頭，利用噴頭良好的擴散性能達到降塵的目的，本工藝操作簡單、穩(wěn)定可靠、特別能夠適應井下狹小的空間。

3)通過現(xiàn)場勘察和研究，確定了符合現(xiàn)場實際的應用工藝，最后在綜掘面現(xiàn)場構(gòu)建了泡沫降塵系統(tǒng)并進行了工業(yè)性試驗。測試結(jié)果表明，在司機側(cè)，使用泡沫降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度分別為141.2mg/m3和54.6mg/m3，降塵效率分別為82.13%和84.82%，降塵效率是外噴霧2.18倍和2.2倍，且外噴霧存在用水量大，惡化作業(yè)面環(huán)境的弊端。使用泡沫降塵顯著降低了粉塵濃度，為工人身心健康和企業(yè)安全生產(chǎn)提供了保障，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1] 王德明.礦井通風與安全[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2007：369-372.

[2] 鄭麗.我國每年5.7萬名礦工患上塵肺病[J].安全與健康.2011(1):34.

[3] 陸新曉，王德明，任萬興，等.泡沫降塵技術(shù)在掘進面的研究與應用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保.2012，39(1):27-29.

[4] 任萬興. 煤礦井下泡沫除塵理論與技術(shù)研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學，2009.

[5] 奚志林. 粉塵特性及泡沫除塵機理研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學，2006.

[6] 陸新曉，王德明，任萬興，等.泡沫降塵技術(shù)在轉(zhuǎn)載點的研究與應用[J].煤礦安全，2011，42(6):1-4.

[7] 黃本斌，王德明，時國慶，等.泡沫除塵機理的理論研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保.2008，34(5):13-15.

[8] 陳明紹，吳光興，張大中，等.降塵技術(shù)的基本理論與應用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981.