首山一礦綜采面活性磁化水噴霧降塵技術(shù)研究

李新龍，王海濤

(河南平寶煤業(yè)有限公司 首山一礦，河南 許昌 461000)

煤塵已成為我國(guó)煤礦井下主要災(zāi)害之一，尤其在影響井下工人職業(yè)健康方面。截至2019年底我國(guó)塵肺病患者已經(jīng)超過(guò)90萬(wàn)人，其中50%以上來(lái)自于煤礦[1，2]。特別隨著割煤機(jī)械化程度的提高，煤礦綜采面普遍采用一次采全高技術(shù)進(jìn)行采煤，煤體破碎及垮落產(chǎn)生了大量的粉塵，嚴(yán)重影響了井下工作環(huán)境[3-5]，尤其在大采高工作面。目前，煤礦井下綜采面主要采用噴霧與煤層注水相結(jié)合的方式來(lái)防治粉塵，雖然取得了一定防治效果，但由于降塵用水濕潤(rùn)煤塵性能差、煤層滲透率低等問(wèn)題，現(xiàn)有降塵技術(shù)仍不能較好的滿足井下粉塵防治的要求[6-8]。因此，為有效捕捉井下粉塵，急需研發(fā)一種適用于綜采工作面的高效噴霧降塵技術(shù)。

1 首山一礦12100工作面粉塵防治難點(diǎn)分析

河南平寶煤業(yè)有限公司首山一礦12100工作面屬于大采高綜采面，平均煤層厚度達(dá)到了5.5m，采用一次機(jī)械化采全高的割煤工藝。該煤層結(jié)構(gòu)較為單一，厚度較為穩(wěn)定，煤層傾角約為5°～12°，割煤推進(jìn)速度較快。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，12100工作面綜采作業(yè)過(guò)程中粉塵污染問(wèn)題較為突出，平均總塵和呼吸性粉塵瞬時(shí)濃度分別超過(guò)1200mg/m3、800mg/m3，嚴(yán)重威脅了井下現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的身心健康與礦井的安全、高效生產(chǎn)[9-13]。同時(shí)分析該工作面粉塵防治難點(diǎn)如下：①開采煤層的煤體結(jié)構(gòu)為碎裂煤，煤種為瘦煤，致使其被開采過(guò)程中產(chǎn)塵量大，且極難被潤(rùn)濕、沉降；②工作面為瓦斯煤層，配風(fēng)量大，致使工作面綜采作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的高濃度粉塵能夠在極短的時(shí)間內(nèi)大范圍逸散，難以被有效控除[14，15]。

2 首山一礦綜采面煤塵理化實(shí)驗(yàn)研究

浮塵是井下粉塵防治的重點(diǎn)，為了更好地對(duì)首山一礦綜采工作面粉塵采取防治措施，從而保護(hù)井下工作人員的身心健康，本文對(duì)首山一礦12100大采高綜采面粉塵的粒徑分布及化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試分析，從而評(píng)估粉塵危害程度及防治重點(diǎn)區(qū)域，為有針對(duì)性的采取粉塵防治技術(shù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

2.1 粉塵分散度分析

為了解首山一礦綜采面粉塵危害情況，特別是對(duì)人體危害最大的呼吸性粉塵所占比例，在首山一礦12100綜采面設(shè)置了七個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)其粉塵情況進(jìn)行采樣分析。采用Bettersize 2600激光粒度分析儀，對(duì)以上采塵點(diǎn)所采集到的七組試驗(yàn)樣品進(jìn)行粒徑分析實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 各測(cè)點(diǎn)煤塵取樣干粉顆粒粒度測(cè)試結(jié)果

采煤機(jī)司機(jī)處(測(cè)點(diǎn)1、5)由于受到割煤機(jī)切割破碎的作用，小粒徑浮塵所占比例較大，D50粉塵粒徑分別為10.56μm、7.37μm，對(duì)采煤司機(jī)身體健康造成較大危害。通過(guò)對(duì)比分析不同位置粉塵粒度可知，在粉塵運(yùn)移過(guò)程中，粒徑較大的粉塵發(fā)生沉降，導(dǎo)致采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)較遠(yuǎn)的位置粉塵粒徑較小；對(duì)比中間巷上風(fēng)側(cè)與下風(fēng)側(cè)可知，風(fēng)量的增加對(duì)大粒徑粉塵的沉降產(chǎn)生影響，導(dǎo)致粉塵沉降變困難。因此，加強(qiáng)對(duì)割煤、移架過(guò)程中粉塵防治，對(duì)于改善井下工作環(huán)境具有重要作用。

2.2 粉塵化學(xué)結(jié)構(gòu)定量分析

圖1 煤塵主要官能團(tuán)含量

3 活性磁化水濕潤(rùn)粉塵性能及制備工藝

3.1 活性磁化水濕潤(rùn)粉塵性能

為顯著改善煤礦井下降塵用水的濕潤(rùn)性能，與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，基于磁化、表面活性劑在改善降塵用水濕潤(rùn)性能方面的優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合研究了一種具有強(qiáng)濕潤(rùn)性能的活性磁化水降塵介質(zhì)[19-22]。該介質(zhì)是由含0.03%活性添加劑溶液以4m/s的速度穿過(guò)300～350mT的磁場(chǎng)制備得到的。為了驗(yàn)證活性磁化水濕潤(rùn)降塵性能，本文采用接觸角、粉塵沉降時(shí)間及降塵效率實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行探究，其中接觸角采用JGW-360B型接觸角測(cè)定儀測(cè)試得到，降塵效率采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)構(gòu)建的降塵系統(tǒng)測(cè)試獲得[12]，通過(guò)降塵前后所測(cè)得的粉塵濃度來(lái)得到除塵效率，見式(1)；實(shí)驗(yàn)用煤樣取自首山一礦12100綜采面，通過(guò)球磨機(jī)制備得到粒徑D50小于10μm的粉塵，用于接觸角測(cè)試煤片的制備以及降塵性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

式中，η為降塵效率，%；c、c1分別為降塵前后粉塵濃度，mg/m3。

活性磁化水降塵性能如圖2所示，在磁化與表面活性劑的雙重作用下所形成的活性磁化水具有良好的濕潤(rùn)性能。相對(duì)于純水，活性磁化水接觸角減小了61.5%，降低至27.42°；同時(shí)由于煤塵含有較多芳香烴、脂肪烴等疏水性基團(tuán)，煤粉在純水中放置24h仍無(wú)法沉降，而粉塵在活性磁化水溶液中完全沉降僅需要60.17s，溶液具有較強(qiáng)濕潤(rùn)粉塵的能力。為了能更好地展現(xiàn)活性磁化水降塵性能，本文采用降塵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)活性磁化水降塵性能開展了實(shí)驗(yàn)研究，從圖2可以看出，活性磁化水降塵效率相對(duì)于純水有了大幅度地提高，從43.51%增加到80.34%。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明：活性磁化水在磁化與表面活性劑的協(xié)同增效作用下濕潤(rùn)性能得到了明顯的提升，具有良好的降塵性能。

圖2 活性磁化水降塵性能

3.2 活性磁化水高效制備工藝

為了能實(shí)現(xiàn)煤礦井下綜采面狹窄工作空間活性磁化水的高效制備，本文形成了以活性劑小劑量添加系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、噴霧加壓系統(tǒng)、磁化系統(tǒng)為核心的活性磁化水高效制備工藝，如圖3所示。

圖3 綜采面活性磁化水制備工藝

由于活性磁化水制備所需的活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%，因此如何實(shí)現(xiàn)活性劑小劑量的添加成為高效制備活性磁化水的關(guān)鍵。然而，直接抽吸純活性劑來(lái)制備0.03%活性劑溶液，由于所需藥劑量較小，現(xiàn)有風(fēng)動(dòng)添加或者負(fù)壓抽吸無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為此，本文采用二次稀釋的形式制備0.03%活性劑溶液，即先制備5%濃活性劑溶液，再通過(guò)調(diào)節(jié)定量添加泵轉(zhuǎn)速，并結(jié)合玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)來(lái)精確獲取所需要添加的5%濃活性劑溶液的量，通過(guò)靜態(tài)混合器將降塵用水與5%濃活性劑溶液均勻混合，制備得到0.03%活性劑溶液。此外，本降塵技術(shù)最終是以水霧的形式來(lái)捕捉井下粉塵，因此用于噴霧降塵的活性磁化水應(yīng)具有一定的壓力，然而煤礦井下降塵用水由于受到其他工作面用水的影響，其靜壓水的壓力十分不穩(wěn)定。為了能獲得穩(wěn)定的噴霧壓力實(shí)現(xiàn)高效霧化降塵，所制備的0.03%活性劑溶液應(yīng)通過(guò)噴霧加壓系統(tǒng)獲得噴霧降塵所需壓力，最后通過(guò)磁化裝置制備出用于綜采面降塵的活性磁化水。

4 綜采面活性磁化水噴霧降塵技術(shù)應(yīng)用

首山一礦12100綜采面噴霧措施主要包括采煤機(jī)噴霧與架間噴霧，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試噴霧耗水量大體在200L/min，因此5%濃活性劑添加量為72L/h。經(jīng)噴霧加壓與磁化裝置制備得到具有6MPa噴霧壓力的活性磁化水用于綜采面噴霧降塵，同時(shí)優(yōu)化了綜采面現(xiàn)場(chǎng)噴霧裝置，使其所形成的霧場(chǎng)能較好的覆蓋塵源，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖4所示。

圖4 活性磁化水噴霧降塵技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)活性磁化水噴霧降塵技術(shù)在首山礦12100綜采工作面的應(yīng)用，粉塵濃度得了大幅度的降低，特別是呼吸性粉塵。經(jīng)采樣測(cè)試，七個(gè)測(cè)點(diǎn)的全塵降塵效率都超過(guò)了85%，呼吸性粉塵降塵效率超過(guò)了80%，不同測(cè)點(diǎn)降塵效率如圖5所示。同時(shí)呼吸性粉塵、全塵平均降塵率分別達(dá)到了84.67%、88.52%，比純水降塵效率分別提高了44.44%、41.74%，回風(fēng)巷距工作面端頭15m處呼吸性粉塵濃度從784.5mg/m3降至97.7mg/m3，顯著改善了煤礦井下粉塵環(huán)境。

圖5 不同測(cè)點(diǎn)降塵效率

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)首山一礦12100綜采面粉塵理化特性開展實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)首山一礦大采高綜采面粉塵破碎嚴(yán)重，小粒徑浮塵占比較大；同時(shí)，該煤層煤樣疏水性強(qiáng)，芳香類、脂肪類官能團(tuán)含量達(dá)到了57.36%。

2)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了活性磁化水具有較好的降塵性能，其接觸角比純水降低了61.5%，沉降時(shí)間僅為60.17s，降塵效率比純水提高了36.83%，達(dá)到了80.34%；提出了活性磁化水高效制備工藝，實(shí)現(xiàn)煤礦井下降塵用活性磁化水的高效制備。

3)活性磁化水噴霧降塵技術(shù)有效防治了首山一礦12100綜采面粉塵，全塵、呼吸性粉塵平均降塵效率分別達(dá)到了84.67%、88.52%，大幅改善了井下職工的工作環(huán)境，有力保障了采煤工作面的安全、高效生產(chǎn)。