煤礦綜采工作面活性磁化水噴霧降塵技術(shù)體系與應(yīng)用

秦波濤，周 剛，周 群，朱同功，李廣濤，侯 晉，孫 彪

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266510；3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467013)

煤炭作為我國(guó)基礎(chǔ)性能源，自2018年起產(chǎn)量連續(xù)增長(zhǎng)，2019,2020年原煤產(chǎn)量分別達(dá)到了38.5億,39.0億t[1-2]。近年來(lái)，綜采工藝已成為我國(guó)煤礦井下主要采煤方式，隨著采煤機(jī)械化程度的提高，開采強(qiáng)度和生產(chǎn)集中度大幅提升，但隨之也導(dǎo)致產(chǎn)塵量大幅度增加，致使井下環(huán)境更加惡劣。大量粉塵漂浮在井下風(fēng)流中，不僅導(dǎo)致綜采工作面能見度降低，影響正常生產(chǎn)，同時(shí)嚴(yán)重危害礦工身心健康[3-5]。當(dāng)前，我國(guó)每年死于塵肺病的煤礦工人數(shù)已遠(yuǎn)高于同期煤礦其他生產(chǎn)事故死亡人數(shù)總和。此外，高質(zhì)量濃度粉塵場(chǎng)甚至?xí)l(fā)煤塵爆炸，造成嚴(yán)重的安全事故與經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)政府高度重視職業(yè)病防治工作，《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》中明確指出要推進(jìn)職業(yè)病危害源頭治理，遏制塵肺病高發(fā)勢(shì)頭[6-7]，因此，高效防治粉塵已成為煤礦綜采工作面安全生產(chǎn)所急需解決的問(wèn)題。

目前，煤礦井下主要采用的控除塵技術(shù)有噴霧降塵、煤層注水、泡沫除塵等[8-10]，尤其在噴霧降塵方面，由于其操作便捷、成本低廉，在煤礦綜采工作面生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最為廣泛，雖然對(duì)井下粉塵起到了一定的防治效果，但由于煤塵本身具有較強(qiáng)疏水性，普通水噴霧難以快速有效潤(rùn)濕凝并煤塵，尤其對(duì)于人體危害最大的呼吸性粉塵[11-13]；此外，由于煤炭開采深度不斷加深，工作面規(guī)模不斷增大，導(dǎo)致工作面需風(fēng)量普遍較大，受空氣流場(chǎng)影響，采用現(xiàn)有常規(guī)噴霧難以對(duì)采煤機(jī)割煤、移架等主要塵源點(diǎn)形成有效封閉霧場(chǎng)，無(wú)法有效阻隔煤塵由采煤機(jī)道向人行道逸散，難以滿足煤礦綜采工作面粉塵防治的需求。

針對(duì)上述煤礦井下綜采工作面噴霧降塵過(guò)程中存在的問(wèn)題，為高效防治綜采工作面粉塵，保障井下職工的身心健康，筆者通過(guò)研究具有強(qiáng)濕潤(rùn)性的活性磁化水，并結(jié)合所研發(fā)的局部封閉霧化裝備，開展了綜采工作面活性磁化水噴霧降塵技術(shù)體系與應(yīng)用的研究，系統(tǒng)探討了該降塵技術(shù)體系的內(nèi)涵及關(guān)鍵技術(shù)。

1 活性磁化水噴霧降塵體系的內(nèi)涵

目前，井下由于機(jī)械化采煤強(qiáng)度的提高，煤體破碎程度大幅增加，導(dǎo)致綜采工作面小粒徑懸浮粉塵量急劇上升，進(jìn)一步加劇了溶液對(duì)疏水性煤塵防治的難度。而影響溶液噴霧降塵效率的關(guān)鍵因素主要包括2個(gè)方面：其一，煤塵含有很多脂肪烴、芳香烴等疏水性基團(tuán)，而現(xiàn)有噴霧大部分采用水作為噴霧介質(zhì)，使得水霧與煤塵之間濕潤(rùn)凝并能力較弱，降塵效率普遍偏低；其二，由于噴霧降塵的一個(gè)重要過(guò)程為水基介質(zhì)轉(zhuǎn)化降塵霧場(chǎng)，良好的霧場(chǎng)可以增加霧滴與粉塵的碰撞概率，為此如何將水基介質(zhì)轉(zhuǎn)化為能較好覆蓋主要產(chǎn)塵源的噴霧場(chǎng)，對(duì)于高效捕捉井下粉塵具有重要作用。因此，為了增強(qiáng)煤礦井下噴霧液滴降塵性能，筆者所提出的降塵技術(shù)體系主要圍繞強(qiáng)濕潤(rùn)活性磁化水的高效制備以及噴霧裝備局部霧化封閉塵源方法展開論述。

首先，為了能實(shí)現(xiàn)低成本高效改善溶液降塵性能的目的，筆者基于磁化與表面活性劑對(duì)溶液濕潤(rùn)性能的協(xié)同增效作用，制備出了具有強(qiáng)濕潤(rùn)性能的活性磁化水。即表面活性劑利用自身所攜帶的親水基、親油基使得活性劑溶液表面張力得到大幅度的減少，液滴在粉塵表面的鋪展能力顯著增強(qiáng)；另一方面由于活性劑的親油基團(tuán)為非極性基團(tuán)，與煤塵中芳香烴、脂肪烴等疏水性基團(tuán)具有較強(qiáng)親和力，親油基在溶液表面朝向空氣，會(huì)對(duì)粉塵產(chǎn)生吸附，進(jìn)而將其卷吸進(jìn)水溶液，以化學(xué)方法來(lái)改變水的濕潤(rùn)性能[14]；同時(shí)磁化可以提高水分子運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)而加劇分子間氫鍵的斷裂，使降塵溶液中大分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)變?yōu)樾》肿蛹瘓F(tuán)，來(lái)降低水溶液黏聚力進(jìn)而增強(qiáng)溶液濕潤(rùn)性能[15]；另外磁化可改變活性劑親水基團(tuán)在水表面的排布形式，促使水溶液表面更易于形成致密的隔離層，在降低活性劑臨界膠束濃度的同時(shí)有效改善溶液濕潤(rùn)性能。其次，為了能將強(qiáng)濕潤(rùn)性活性磁化水轉(zhuǎn)化為高效捕捉粉塵的噴霧場(chǎng)，針對(duì)綜采工作面現(xiàn)有降塵噴霧系統(tǒng)覆蓋面小、霧化不均勻的難題，基于能形成高射程、微粒徑霧場(chǎng)且有效抽吸凈化逸散粉塵的采煤機(jī)水動(dòng)力除塵器與液壓支架負(fù)壓卷吸除塵器等高效霧化降塵裝備，并結(jié)合現(xiàn)有噴霧裝置，對(duì)綜采工作面采煤機(jī)、移架及轉(zhuǎn)載點(diǎn)3個(gè)塵源點(diǎn)構(gòu)建了較為封閉的降塵霧場(chǎng)。最后，基于所形成的具有強(qiáng)濕潤(rùn)性能的活性磁化水噴霧場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面粉塵的高效捕捉，整體技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 綜采工作面活性磁化水霧化封閉降塵技術(shù)體系

2 強(qiáng)濕潤(rùn)性活性磁化水制備方法

活性磁化水是含有少量活性劑成分的水溶液以一定速度穿過(guò)特定磁場(chǎng)環(huán)境而制備得到的水基介質(zhì)[16-18]?；诨钚蕴砑觿┡c磁化間的協(xié)同增效作用，有效降低噴霧溶液表面張力，一方面增強(qiáng)霧滴對(duì)粉塵的濕潤(rùn)凝并能力，另一方面霧滴從噴嘴噴出時(shí)，由于表面張力的顯著減少，使其維持原有形態(tài)的能力降低，在周圍空氣流場(chǎng)作用下，霧滴更易于發(fā)生二次破碎，進(jìn)而產(chǎn)生更多小粒徑噴霧液滴，提高與粉塵顆粒碰撞的概率。為了實(shí)現(xiàn)活性磁化水高效制備，首先，研發(fā)能與磁化具有較好協(xié)同效應(yīng)的活性添加劑，接著將其制備成活性磁化水所需的0.03%活性劑溶液，最后通過(guò)高效磁化裝置制備得到活性磁化水。因此，筆者圍繞活性磁化水制備技術(shù)，主要從活性添加劑、定量添加系統(tǒng)及高效磁化裝置3部分進(jìn)行闡述。為了能更好地反映溶液與粉塵間的濕潤(rùn)性能，筆者根據(jù)中國(guó)煤炭工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 506—1996中規(guī)定的沉降法，即一定量的粉塵完全浸入活性磁化水中的時(shí)間，來(lái)評(píng)判不同實(shí)驗(yàn)制備條件下的活性磁化水濕潤(rùn)性能。

2.1 活性添加劑

活性添加劑作為活性磁化水制備過(guò)程中重要的構(gòu)成因素，不僅要利用自身所攜帶的親水基親油基來(lái)高效改善溶液濕潤(rùn)性能，同時(shí)能與磁化發(fā)生良好的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提升溶液降塵性能及降低捕塵成本。目前，煤礦井下普遍采用陰離子活性劑作為降塵添加劑，雖然一定程度上改善了溶液濕潤(rùn)性能，但由于其添加量較大(>0.1%)致使溶液噴霧過(guò)程中發(fā)泡較嚴(yán)重，削弱了活性劑溶液霧化降塵性能，無(wú)法滿足井下低成本高效捕捉煤塵的需求。因此，為了使活性劑能更好地改善溶液降塵性能，同時(shí)也為了滿足活性劑低成本、能與磁化具有良好協(xié)同效應(yīng)的要求，筆者制備出了一種新型活性添加劑。

所研發(fā)的活性劑一方面利用自身含有的活性基團(tuán)在水溶液表面形成致密的隔離層，使其更好地隔離空氣與液面的接觸，大幅降低溶液表面張力，有效解決了常規(guī)活性劑無(wú)法高效改善溶液濕潤(rùn)性能的問(wèn)題，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)與相同用量的其他活性劑相比，新型活性劑溶液的粉塵沉降時(shí)間大幅減少，如圖2所示；另一方面與磁化具有良好的協(xié)同增效作用，在磁化作用下所研發(fā)的活性添加劑親水基更易于在溶液表面形成隔離層，使其達(dá)到臨界膠束濃度，減少活性劑使用量，同時(shí)進(jìn)一步提升活性劑溶液濕潤(rùn)粉塵的能力[19]。經(jīng)前期研究表明，在磁場(chǎng)強(qiáng)度300～350 mT與穿過(guò)磁場(chǎng)的水流速度4 m/s磁化條件下所研發(fā)的活性劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%時(shí)溶液表面張力就出現(xiàn)了拐點(diǎn)，而后隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其降低幅度不明顯，相對(duì)于未磁化活性劑拐點(diǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.04%，有了25%的降低，同時(shí)活性劑溶液接觸角在磁化作用下從原來(lái)34.21°降至23.97°，實(shí)現(xiàn)了活性添加劑低用量捕捉粉塵的目的[20]。

圖2 不同活性劑濕潤(rùn)粉塵性能對(duì)比

2.2 活性添加劑定量供給系統(tǒng)

活性磁化水是由研發(fā)的含有0.03%新型活性添加劑的溶液穿過(guò)磁場(chǎng)制備得到的。因此，如何將純水轉(zhuǎn)化為含有0.03%活性劑的溶液對(duì)于高效制備強(qiáng)濕潤(rùn)活性磁化水具有重要作用。本降塵技術(shù)體系采用定量添加泵與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)活性添加劑的精確穩(wěn)定供給，該添加形式能有效解決水力文丘里負(fù)壓抽吸系統(tǒng)或壓風(fēng)馬達(dá)因水量或風(fēng)量不穩(wěn)定而造成活性劑定量添加不準(zhǔn)確的問(wèn)題。為了能實(shí)現(xiàn)水箱供水與活性劑定量添加同步進(jìn)行，同時(shí)也為了實(shí)現(xiàn)供水與活性劑添加無(wú)人化自動(dòng)供給的目的，本供給系統(tǒng)采用在降塵水箱內(nèi)安裝磁浮球液位計(jì)來(lái)測(cè)量水箱內(nèi)水位，進(jìn)而控制定量泵和供水管電磁閥的開啟，如圖3所示。具體操作步驟：① 在活性劑溶液桶中配制濃活性劑溶液，保證一次配制的濃活性劑溶液能滿足一個(gè)班的用量，避免中途二次配制的弊端；② 根據(jù)水箱供水管路的供水量，計(jì)算所需要濃活性劑量來(lái)調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到精確添加活性劑的目的；③ 噴霧加壓泵將從水箱抽水進(jìn)行加壓給采煤機(jī)降塵供水，一旦水箱水位低于磁浮球液位計(jì)，傳感器信號(hào)將傳輸?shù)剿涔┧苈泛投勘玫碾姶砰y使其同時(shí)開啟，濃活性劑溶液與降塵用水經(jīng)過(guò)混合器制備出活性磁化水所需要的0.03%活性劑溶液。

圖3 活性添加劑定量供給系統(tǒng)

2.3 活性磁化水高效磁化裝置

混合均勻的活性劑溶液經(jīng)噴霧泵加壓輸送到綜采工作面噴嘴裝置之前，需要經(jīng)過(guò)本降塵體系的核心裝備磁化裝置進(jìn)行處理，制備得到具有強(qiáng)濕潤(rùn)性能的活性磁化水。因此，磁化裝置性能的好壞對(duì)于本技術(shù)降塵性能的實(shí)現(xiàn)具有重要作用。為此，筆者主要從磁場(chǎng)構(gòu)建、水流通道、透磁性及裝置組裝方式4個(gè)方面來(lái)闡述煤礦井下降塵用磁化裝置的研發(fā)過(guò)程，其中磁場(chǎng)構(gòu)建是其技術(shù)核心，主要涉及4個(gè)關(guān)鍵磁化條件，如圖4所示。

圖4 影響構(gòu)建高效磁場(chǎng)的因素

磁場(chǎng)構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)溶液高效磁化的前提，包括磁化方式、磁場(chǎng)強(qiáng)度、穿過(guò)磁場(chǎng)的水流速度及溶液磁化距離等。通過(guò)對(duì)比靜態(tài)磁場(chǎng)、單一動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)、脈動(dòng)磁場(chǎng)、脈動(dòng)螺旋耦合磁場(chǎng)等4種磁場(chǎng)作用方式下溶液濕潤(rùn)性能，表明在脈動(dòng)螺旋耦合磁場(chǎng)作用下活性磁化水降塵性能最好。同時(shí)，如圖5所示，分別展現(xiàn)了在磁程8 m、穿過(guò)磁場(chǎng)的水流速度4 m/s條件下磁場(chǎng)強(qiáng)度,在磁程8 m、磁場(chǎng)強(qiáng)度300～350 mT條件下穿過(guò)磁場(chǎng)的水流速度,在穿過(guò)磁場(chǎng)的水流速度4 m/s、磁場(chǎng)強(qiáng)度300～350 mT條件下磁程對(duì)0.03%活性劑溶液粉塵沉降時(shí)間的影響，表明磁場(chǎng)強(qiáng)度、穿過(guò)磁場(chǎng)的水流速度等磁化參數(shù)在改善溶液濕潤(rùn)性能的過(guò)程中存在較優(yōu)值。通過(guò)對(duì)比分析，最終確定在磁場(chǎng)強(qiáng)度為300～350 mT的脈動(dòng)螺旋耦合磁化環(huán)境中含有0.03 %活性劑的溶液以4 m/s的速度穿過(guò)磁場(chǎng)(磁化距離8 m)，所產(chǎn)生的活性磁化水具有良好的濕潤(rùn)性能，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%的活性劑溶液相比，粉塵沉降時(shí)間減少了44.26%，降至34.5 s，有效改善了活性劑溶液濕潤(rùn)性能。同時(shí)也為研發(fā)煤礦井下高效磁化裝置確定了基礎(chǔ)參數(shù)。此外經(jīng)前期研究表明[18]，活性磁化水在離開磁場(chǎng)環(huán)境500 s后，其所具有的濕潤(rùn)性能才出現(xiàn)衰減現(xiàn)場(chǎng)，可以說(shuō)明活性磁化水在制備后具有較好的性能維持性，以保證其高效濕潤(rùn)粉塵的能力。

圖5 不同磁化參數(shù)下活性劑溶液粉塵沉降時(shí)間變化

基于所確定的磁化參數(shù)，構(gòu)建具有良好磁化效果的脈動(dòng)螺旋耦合磁場(chǎng)，其技術(shù)難點(diǎn)在于磁化裝置的水流通道及磁鐵排布。為了保證活性磁化水大流量制備，磁化裝置需要大直徑的水流通道，因此單純采用管道外部排布磁鐵的形式，會(huì)由于磁鐵間距較大而導(dǎo)致水流通道內(nèi)所形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，無(wú)法滿足溶液高效磁化的要求。因此，為了使裝置內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度能滿足制備活性磁化水的要求，采用內(nèi)外磁鐵排布的形式解決了因磁鐵間距較大導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱的問(wèn)題，同時(shí)為在水流通道內(nèi)構(gòu)建螺旋擾流結(jié)構(gòu)提供了可能。此外，磁鐵是磁化裝置內(nèi)形成磁場(chǎng)的來(lái)源，采用內(nèi)外磁鐵排布形式可以降低對(duì)單個(gè)磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度的要求，減少磁鐵的制造成本。

磁化裝置所需的脈動(dòng)螺旋擾流磁場(chǎng)，需要增加溶液穿過(guò)水流通道的湍流度，進(jìn)而增強(qiáng)溶液磁化的均勻程度。通過(guò)在水流通道內(nèi)構(gòu)建螺旋葉片，來(lái)改變?nèi)芤捍┻^(guò)裝置的水流方向，同時(shí)該螺旋裝置可以增加溶液在裝置內(nèi)流過(guò)的距離，滿足制備活性磁化水對(duì)磁化距離的要求，進(jìn)而使溶液獲得更充分的磁化。此外，螺旋通道可以提升磁程來(lái)縮小磁化裝置整體體積，有利于裝置在井下的應(yīng)用與搬運(yùn)。同時(shí)，通過(guò)Fluent模擬軟件對(duì)螺旋通道內(nèi)水流狀態(tài)的模擬分析，結(jié)果表明：相同水量條件下，相對(duì)于直通式水流通道，螺旋結(jié)構(gòu)能提升水流速度，更好地滿足活性磁化水高效制備對(duì)水流速度的要求[17]。

該降塵體系為了能形成霧化效果良好的噴霧場(chǎng)，其噴霧降塵水壓在5 MPa以上，為此所形成的磁化裝置應(yīng)具有良好的抗高壓水的能力。目前，常采用鍍鋅管、UPVC管、PPR管、銅管及不銹鋼管作為輸水管路。然而，煤礦井下噴霧降塵溶液水壓一般超過(guò)4 MPa，因此UPVC管、PPR管因無(wú)法耐高壓，不能作為磁化裝置輸水管道。此外，除去考慮管道耐壓?jiǎn)栴}外，管路應(yīng)該具有良好的透磁性，避免管道在符合耐壓要求的同時(shí)，削弱磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)比不同金屬材料性能，最終選擇不銹鋼作為磁化裝置水流通道，具有20 MPa耐水壓強(qiáng)度且屏磁率僅為1.88%。

此外，磁化裝置在煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，由于井下設(shè)備較多導(dǎo)致放置活性磁化水制備裝置的空間比較狹窄，因此磁化裝置在滿足制備活性磁化水的同時(shí)盡可能減少自身的體積，以便在應(yīng)用過(guò)程中的安裝及搬運(yùn)。但是活性劑溶液需要在磁化裝置內(nèi)運(yùn)動(dòng)一定的距離才能制備出具有良好降塵性能的活性磁化水溶液，為此筆者所研發(fā)的磁化裝置不僅通過(guò)調(diào)整水流通道內(nèi)的螺距來(lái)增加磁化路程，而且還根據(jù)實(shí)際情況上下串聯(lián)磁筒的形式來(lái)提高磁程與減少磁化裝置體積。如圖6所示，磁化裝置可以通過(guò)不同磁筒連接形式來(lái)改變相應(yīng)的性能，如通過(guò)并聯(lián)磁筒的形式來(lái)提高制備活性磁化水的量，以滿足工作面大流量降塵用水的需求；以及通過(guò)串聯(lián)磁筒的方式來(lái)改變?nèi)芤和ㄟ^(guò)磁化裝置的距離等。

圖6 磁化裝置

3 綜采工作面主要塵源局部霧化封閉降塵方法

為有效防治綜采工作面粉塵，在制備出具有強(qiáng)潤(rùn)濕性能的活性磁化水后，還需通過(guò)噴霧降塵裝備將其形成具有良好霧化性能的霧場(chǎng)來(lái)對(duì)井下主要產(chǎn)塵源進(jìn)行水霧覆蓋。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于采煤工作面中的噴霧防塵裝備主要以傳統(tǒng)噴霧為主，包括采煤機(jī)內(nèi)外噴霧與架間噴霧；然而，現(xiàn)有采煤機(jī)內(nèi)外噴霧普遍存在噴嘴易堵塞、霧化覆蓋范圍小的問(wèn)題?，F(xiàn)有綜采支護(hù)架噴霧多數(shù)采用單一方向噴射，噴射距離短，無(wú)法有效阻隔煤塵由采煤機(jī)道向人行道逸散。此外，轉(zhuǎn)載處溜煤時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，導(dǎo)致轉(zhuǎn)載時(shí)粉塵會(huì)隨新鮮風(fēng)流進(jìn)入采煤工作面污染工作環(huán)境，而刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)連接處需要充足空間以滿足刮板機(jī)推進(jìn)、溜煤等操作，導(dǎo)致現(xiàn)有噴霧無(wú)法對(duì)轉(zhuǎn)載揚(yáng)塵進(jìn)行高效霧化沉降。針對(duì)上述問(wèn)題，本降塵技術(shù)體系提出了綜采工作面塵源分區(qū)局部霧化封閉除塵方法，對(duì)煤礦井下采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、液壓支架3個(gè)主要產(chǎn)塵區(qū)域進(jìn)行分區(qū)域治理。

3.1 采煤機(jī)霧化封閉降塵方法

采煤機(jī)割煤過(guò)程中由于截割滾筒對(duì)煤體的破碎作用，導(dǎo)致大量粉塵產(chǎn)生，使其成為井下采煤面主要產(chǎn)塵區(qū)域。為了高效防治該塵源，筆者基于采煤機(jī)水動(dòng)力濕式除塵器，具體參數(shù)見表1，與現(xiàn)有采煤機(jī)內(nèi)外噴霧相結(jié)合的方法對(duì)前后割煤滾筒形成局部霧化封閉空間，增強(qiáng)噴霧與粉塵碰撞的概率，實(shí)現(xiàn)活性磁化水噴霧場(chǎng)高效降塵；其次，該除塵風(fēng)機(jī)利用高速風(fēng)流來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)溶液霧化性能，經(jīng)研究表明霧滴粒徑在[40 μm,130 μm]內(nèi)時(shí)，噴霧場(chǎng)降塵效率較高，且在這個(gè)范圍內(nèi)隨著霧滴粒徑的減小，霧場(chǎng)捕塵效率明顯提高[21]。如圖7所示，水動(dòng)力馬達(dá)運(yùn)行后水霧化能力相對(duì)于原有噴霧增加了25.4%，霧滴粒徑從160.86 μm降至120.00 μm，提高了霧滴數(shù)量密度；同時(shí)水噴霧降塵效率有明顯的提高，從原先的37.4%增加到46.9%；此外，基于水動(dòng)力除塵器內(nèi)部風(fēng)機(jī)所形成的負(fù)壓風(fēng)流場(chǎng)來(lái)削弱煤機(jī)截割湍流向行人側(cè)偏移或減緩其偏移分速度，進(jìn)而阻隔采煤機(jī)截割粉塵向架間人行側(cè)逸散。

表1 采煤機(jī)水動(dòng)力濕式除塵器工作參數(shù)

圖7 水動(dòng)力除塵器霧化降塵效果對(duì)比

為了能使水動(dòng)力除塵器對(duì)采煤機(jī)割煤滾筒形成良好的覆蓋霧場(chǎng)，同時(shí)也防止?jié)L筒截割時(shí)產(chǎn)生的煤塊砸到噴霧裝置，該霧化裝置放置在采煤機(jī)搖臂根部且靠近液壓支架側(cè)的采煤機(jī)機(jī)身邊緣，利用水動(dòng)力除塵器所形成的高射程、微粒徑霧場(chǎng)對(duì)上半部割煤滾筒進(jìn)行水霧覆蓋，以此彌補(bǔ)原有內(nèi)噴霧因?yàn)槎氯麩o(wú)法有效產(chǎn)生水霧的不足；同時(shí)結(jié)合原有內(nèi)外噴霧場(chǎng)最終對(duì)割煤滾筒進(jìn)行水霧覆蓋包裹，如圖8所示。該水動(dòng)力除塵器降塵一方面利用所產(chǎn)生的良好水霧來(lái)覆蓋滾筒，另一方面除塵器利用水動(dòng)力馬達(dá)葉輪的高速轉(zhuǎn)動(dòng)在該除塵器尾部形成200 m3/min抽風(fēng)量，將滾筒附近逃逸的部分粉塵卷吸入除塵器進(jìn)行二次沉降，進(jìn)一步提高該區(qū)域粉塵捕捉效率，防止粉塵向人行道的逸散，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)割煤過(guò)程中粉塵的高效捕捉沉降。

圖8 采煤機(jī)除塵器布置方式

3.2 液壓支架局部霧化封閉降塵方法

采煤機(jī)未被捕獲的粉塵及割煤時(shí)煤壁垮落產(chǎn)生的粉塵會(huì)隨風(fēng)流在巷道中逸散，而液壓支架作為工作面粉塵主要運(yùn)移通道，在移動(dòng)支架過(guò)程中也會(huì)因頂板垮落而產(chǎn)生較多粉塵，為此綜采支護(hù)架處也是粉塵重點(diǎn)治理區(qū)域。為高效控制該區(qū)域粉塵，筆者基于負(fù)壓卷吸除塵器(圖9)，并結(jié)合原有架間噴嘴在液壓支架行人道與采煤機(jī)之間形成活性磁化水封閉霧幕，以阻隔采煤機(jī)割煤及移架時(shí)逃逸的粉塵進(jìn)入行人側(cè)。同時(shí)所提出的降塵方法利用除塵器的負(fù)壓卷吸作用，可在行人側(cè)呼吸帶形成負(fù)壓流場(chǎng)，將滯留于支架行人側(cè)呼吸帶的粉塵卷吸入除塵器霧場(chǎng)進(jìn)而捕獲沉降。

圖9 液壓支架霧化封閉裝置

負(fù)壓卷吸除塵器利用高速噴射溶液在漸縮段形成的文丘里效應(yīng)，能卷吸含塵空氣進(jìn)入霧場(chǎng)，進(jìn)一步增強(qiáng)霧滴破碎效果。經(jīng)模擬分析表明高速噴射溶液能在裝置后部形成-540.1 Pa的負(fù)壓環(huán)境，通過(guò)吸入空氣，使得噴霧霧滴與周圍環(huán)境的擾動(dòng)加大，進(jìn)而使得所形成霧場(chǎng)相對(duì)于原有噴霧霧化性能增加了20%以上，其霧滴粒徑D0.9<85.4 μm，如圖10所示。為了能更好與原有架間噴霧配合，對(duì)工作面通道形成覆蓋水幕，如圖11所示，沿工作面方向，每隔一架綜采架布置一組含3個(gè)負(fù)壓卷吸噴嘴的裝置，其霧化噴射角度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。正常移架過(guò)程中，在采煤機(jī)前后各開3組負(fù)壓卷吸除塵裝置，即在采煤機(jī)前后各形成3道水幕簾，所形成的噴霧場(chǎng)不僅能有效抑制綜采支護(hù)架移架過(guò)程中煤體垮落所產(chǎn)生的粉塵，同時(shí)負(fù)壓卷吸噴嘴所形成的負(fù)壓區(qū)能較好地對(duì)含有逃逸粉塵的空氣進(jìn)行二次凈化，避免污染人行道；此外所形成的前后水幕簾還可以配合水動(dòng)力除塵器，進(jìn)一步完善對(duì)采煤機(jī)割煤所形成的封閉霧場(chǎng)，有效阻隔游離粉塵進(jìn)入支架行人道，保護(hù)工人健康。

圖10 負(fù)壓卷吸除塵器霧化效果

圖11 負(fù)壓卷吸除塵器布置方式

3.3 轉(zhuǎn)載機(jī)局部霧化封閉降塵方法

除采煤機(jī)、液壓支架區(qū)域外，工作面轉(zhuǎn)載處也會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。由于轉(zhuǎn)載機(jī)與刮板輸送機(jī)之間的落煤處存在較大的高度落差，導(dǎo)致該處落煤時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，采用單純噴霧措施難以對(duì)其進(jìn)行有效霧化封閉降塵。為高效防治轉(zhuǎn)載處的粉塵，本降塵技術(shù)體系采用防塵罩與負(fù)壓卷吸除塵器相結(jié)合的方法，如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)載處除塵裝備布置方式

借助安裝在端頭支架上的負(fù)壓卷吸除塵器，對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)處形成較好的霧場(chǎng)，不僅能較好地捕捉轉(zhuǎn)載過(guò)程中所產(chǎn)生的粉塵，同時(shí)對(duì)煤體表面進(jìn)行增濕來(lái)減少運(yùn)輸過(guò)程中粉塵的產(chǎn)生；此外，端頭支架處的負(fù)壓卷吸除塵器利用其在第3.2節(jié)所展現(xiàn)的負(fù)壓卷吸作用，在防塵罩周圍形成負(fù)壓區(qū)，可將轉(zhuǎn)載處防塵罩縫隙處逃逸的粉塵卷吸到霧場(chǎng)進(jìn)行二次降塵。未被沉降的揚(yáng)塵在風(fēng)流作用下進(jìn)入3 m長(zhǎng)的防塵罩內(nèi)，將揚(yáng)塵限制在封閉空間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行噴霧捕獲沉降。為了高效捕捉粉塵，在防塵罩進(jìn)口和出口處各設(shè)有2個(gè)負(fù)壓卷吸除塵器，使防塵罩內(nèi)充滿降塵霧滴，進(jìn)而增加粉塵與水霧間碰撞接觸的概率，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)載處粉塵的高效捕捉，有效解決了轉(zhuǎn)載處破碎煤體轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中粉塵逸散的問(wèn)題。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

平煤股份十礦24130綜采工作面自建成生產(chǎn)以來(lái)，產(chǎn)量及效益不斷增加，然而隨著智能化綜采設(shè)備的投入使用，該工作面產(chǎn)塵量大幅增加，傳統(tǒng)噴霧降塵手段已難以滿足防塵需求，粉塵污染問(wèn)題日益突出，不僅對(duì)人員及設(shè)備運(yùn)行安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，甚至影響采煤工作面設(shè)備自動(dòng)化傳感器工作。為高效防治井下粉塵，在24130智能綜采工作面應(yīng)用了活性磁化水與霧化封閉聯(lián)合高效降塵技術(shù)，其應(yīng)用工藝如圖13所示。

圖13 綜采工作面活性磁化水與霧化封閉聯(lián)合降塵應(yīng)用工藝

為了能準(zhǔn)確測(cè)定井下粉塵質(zhì)量濃度，筆者采用AKFC-92A型礦用粉塵采樣器，在綜采工作面選取10個(gè)采樣點(diǎn)，分別為1-機(jī)頭下風(fēng)側(cè)6架、2-中間巷上風(fēng)側(cè)移架工、3-中間巷上風(fēng)側(cè)采煤司機(jī)、4-中間巷上風(fēng)側(cè)采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)6架、5-中間巷上風(fēng)側(cè)采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)25架、6-中間巷下風(fēng)側(cè)移架工、7-中間巷下風(fēng)側(cè)采煤司機(jī)、8-中間巷下風(fēng)側(cè)采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)6架、9-中間巷下風(fēng)側(cè)采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)25架、10-機(jī)尾上風(fēng)側(cè)6架，每一采樣點(diǎn)連續(xù)采樣5 min，共采樣3次，干燥后計(jì)算得到粉塵質(zhì)量濃度平均值，見表2。粉塵質(zhì)量濃度計(jì)算式為

表2 不同測(cè)點(diǎn)應(yīng)用不同降塵技術(shù)后粉塵質(zhì)量濃度對(duì)比

(1)

式中，m1為采樣前濾膜質(zhì)量，mg；m2為采樣后濾膜質(zhì)量，mg；V為采樣空氣體積，L。

通過(guò)活性磁化水與局部霧化封閉高效降塵工藝系統(tǒng)的成功應(yīng)用，井下粉塵質(zhì)量濃度得到了大幅度減少。為了能更好地展現(xiàn)活性磁化水降塵體系的捕塵優(yōu)勢(shì)，筆者對(duì)所選定的10個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行降塵效率計(jì)算并取平均值，同時(shí)為了便于分析不同水基介質(zhì)降塵效率，活性劑溶液與活性磁化水都采用所構(gòu)建的新型噴霧系統(tǒng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出，相對(duì)于傳統(tǒng)采煤機(jī)及架間水噴霧除塵，采用活性磁化水與局部霧化封閉聯(lián)合降塵技術(shù)所形成的噴霧場(chǎng)對(duì)呼吸性粉塵、全塵的平均捕捉效率分別提高了58.6%,54.9%，分別達(dá)到了85.3%,90.8%；此外，由圖14可以得出，磁化能進(jìn)一步改善活性劑溶液降塵性能，表面活性劑溶液在磁化作用下制備得到的活性磁化水全塵、呼塵降塵效率相對(duì)于單一活性劑溶液分別提高了8.3%,9.9%。同時(shí)，應(yīng)用該降塵技術(shù)體系后，大幅度改善了24130智能綜采工作面的工作環(huán)境(圖15)，為該智能工作面的傳感器及視頻監(jiān)控提供了良好的運(yùn)行環(huán)境。

圖14 不同噴霧降塵技術(shù)下全塵及呼塵平均降塵效率

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)綜采工作面現(xiàn)有水噴霧濕潤(rùn)凝并粉塵性能差、不能有效覆蓋主要產(chǎn)塵源的問(wèn)題，提出了強(qiáng)濕潤(rùn)性活性磁化水及其高效霧化封閉主要塵源的噴霧降塵技術(shù)體系，構(gòu)建了主要由活性劑定量添加系統(tǒng)、磁化裝置、水動(dòng)力濕式除塵器、負(fù)壓卷吸除塵器等組成的綜采工作面高效降塵工藝系統(tǒng)，論述了活性磁化水降塵技術(shù)體系的內(nèi)涵及技術(shù)特點(diǎn)。

(2)針對(duì)現(xiàn)有水磁化裝置磁場(chǎng)強(qiáng)度低、無(wú)法高效改善溶液濕潤(rùn)性能的問(wèn)題，研發(fā)了煤礦降塵用水磁化裝置；并結(jié)合活性添加劑及其定量供給系統(tǒng)，提出了煤礦井下綜采工作面活性磁化水高效制備工藝，確定所制備的活性劑溶液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)以4 m/s的速度穿過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度為300～350 mT的脈動(dòng)與螺旋擾流耦合磁場(chǎng)，所產(chǎn)生的活性磁化水具有良好的濕潤(rùn)性能，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%的活性劑溶液相比，粉塵沉降時(shí)間減少了44.26%，降至34.5 s，有效改善了活性劑溶液濕潤(rùn)性能。

(3)針對(duì)綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架、轉(zhuǎn)載處等主要產(chǎn)塵區(qū)域，提出了煤礦井下綜采工作面塵源分區(qū)封閉噴霧降塵方法?；谒兄频乃畡?dòng)力濕式除塵器、負(fù)壓卷吸除塵器等新型霧化設(shè)備，并結(jié)合現(xiàn)有噴霧裝置，分別對(duì)以上3個(gè)主要產(chǎn)塵點(diǎn)構(gòu)建了較為封閉的降塵噴霧場(chǎng)，有效解決了綜采工作面截割、移架、轉(zhuǎn)載過(guò)程中粉塵向工作面大量逸散的問(wèn)題。

(4)活性磁化水高效噴霧降塵技術(shù)體系在平煤股份十礦24130智能綜采工作面成功應(yīng)用，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)噴霧降塵技術(shù)，通過(guò)該降塵技術(shù)的應(yīng)用使得綜采工作面呼塵及全塵平均除塵效率分別提升了58.6%,54.9%以上，分別達(dá)到85.3%,90.8%，大幅改善了井下人員工作環(huán)境，同時(shí)有效提升了智能工作面監(jiān)控視頻清晰度，保障了地面人員對(duì)智能化設(shè)備的正常調(diào)控。