活性磁化水控除粉塵技術(shù)在采煤工作面的應(yīng)用

梁旺亮，趙文曙，韓晉生

（山西焦煤能源集團(tuán)股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

作為煤礦五大自然災(zāi)害之一的粉塵，對(duì)礦工的身體健康危害很大，也是礦井安全生產(chǎn)的大敵。目前，國(guó)內(nèi)外煤礦采煤工作面綜合抑塵技術(shù)主要包括云霧抑塵、濕式除塵及納膜抑塵等。云霧抑塵主要是通過高壓離子和超聲波霧化，產(chǎn)生微米級(jí)干霧，其粒徑有30%～40%在2.5μm以下，對(duì)粉塵細(xì)微顆粒污染的防治效果明顯?；钚源呕爻蹓m技術(shù)，正是基于這一原理，將普通水經(jīng)過磁化處理，使其降塵率提升約21%，添加活性劑后其降塵率在此基礎(chǔ)上可再提升38%以上[1]。

為徹底解決粉塵痼疾，西銘煤礦應(yīng)用活性磁化水控除48712采煤面粉塵，治理效果顯著。

1 工程概述

48712采煤面由機(jī)軌順槽、回風(fēng)順槽、切眼組成，走向長(zhǎng)度1 020 m，傾斜長(zhǎng)度為205 m。該面開采的8#煤層節(jié)理發(fā)育，煤層總厚4.9～7.05 m，均厚6.05 m。工作面煤層局部地段夾薄層頁巖或炭質(zhì)頁巖，厚度變化小，屬單一穩(wěn)定厚煤層，煤種為貧煤，煤質(zhì)指標(biāo)中水分含量?jī)H0.43%，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵為疏水性粉塵，具有很難被霧粒包裹的特點(diǎn)。

工作面按圓班8刀組織生產(chǎn)，原煤產(chǎn)量5 600 t/d，開采時(shí)產(chǎn)塵量大，粉塵很難被潤(rùn)濕沉降，原曬水噴霧的降塵設(shè)備難以對(duì)采煤機(jī)截割、移架等工序產(chǎn)生的粉塵徹底封閉控除。采煤機(jī)雖安裝有內(nèi)外噴霧裝置，但內(nèi)噴霧水壓約2 MPa，外噴霧水壓約4 MPa，支架噴霧設(shè)施水壓約3 MPa，普遍存在噴霧裝置噴嘴霧化角小、水耗大、布置噴嘴方式缺乏有效性等設(shè)計(jì)缺陷。總體上，以往西銘煤礦的粉塵治理效果一般。

2 工藝展述

2.1 活化與磁化水

防塵用水首先要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)活化性能，需要在供水管路上添加少量的表面張力活性劑，配制成水溶液。之后，使水流以較快的流速通過強(qiáng)磁場(chǎng)，最終形成“活性劑+磁化”的水基型控除塵介質(zhì)。

活性劑利用親油基、親水基，通過改變細(xì)水霧水滴的表面張力來改變降塵用水的濕潤(rùn)、俘獲粉塵的性能，其主要目的在于改善水的濕潤(rùn)性，是以物理手段改變水溶液的降塵功能。降塵用水通過強(qiáng)磁場(chǎng)后得到磁化，在磁化過程中使水分子間的氫鍵發(fā)生斷裂，分子內(nèi)聚力得到弱化，大分子團(tuán)裂變?yōu)樾》肿訄F(tuán)，有利于捕捉細(xì)微粉塵?；钚詣┖痛呕δ芏呔哂旭詈显鰪?qiáng)作用，可顯著降低水基介質(zhì)的表面張力，粉塵濕潤(rùn)與凝并能力共同得到提升。通過北七采區(qū)的遠(yuǎn)程供液硐室的加壓泵的強(qiáng)力推送，降塵用水的噴霧壓力可達(dá)到8 MPa左右，在各噴嘴出水口處形成高流速霧滴，與工作面采煤機(jī)截割滾筒、拉移架作業(yè)等產(chǎn)塵環(huán)節(jié)和空間形成強(qiáng)烈的對(duì)沖紊流，霧滴再次發(fā)生二次破碎縮微，產(chǎn)生粒徑更小的微霧滴對(duì)塵源實(shí)現(xiàn)100%的水霧覆蓋，增加了與粉塵間的碰撞和凝并的概率[2]。

2.2 控除粉塵機(jī)理

采煤面塵源局部霧化和封閉控除塵技術(shù)裝置需改進(jìn)采煤機(jī)內(nèi)外噴霧、支架噴霧等日常噴霧設(shè)施的噴嘴造型以及噴嘴布置角度、方位等。在分析了原有噴霧設(shè)施缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)噴嘴設(shè)施作了一些革新和改進(jìn)，含負(fù)壓卷吸除塵裝置和采煤機(jī)水動(dòng)力除塵裝置等，如圖1所示。

圖1 塵源局部霧化封閉控除塵機(jī)理

采面產(chǎn)塵區(qū)域一般劃分為采煤機(jī)截割滾筒區(qū)域和液壓支架頂梁區(qū)域。二者既相互獨(dú)立又密切聯(lián)系，產(chǎn)塵源不同，但污染范圍彼此互相彌漫。

采煤機(jī)截割筒區(qū)域是采煤工作面產(chǎn)塵源的核心部位，約占工作面整體產(chǎn)塵量的85%以上，是產(chǎn)生呼吸性粉塵的根源所在。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，若不采取任何防塵措施，工作面割煤時(shí)總塵濃度可達(dá)到1 800 mg/m3以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的時(shí)間加權(quán)平均容許濃度不得超過4 mg/m3的要求。通過使用水動(dòng)力除塵裝備可與采煤機(jī)的噴霧共同構(gòu)筑成局部封閉空間，形成噴霧覆蓋罩，可完全壓制住粉塵的逸散。為有效防治支架頂梁區(qū)域產(chǎn)塵，通過采用負(fù)壓卷吸除塵裝置，在液壓支架與擋煤板、煤壁間的通道內(nèi)形成抽吸負(fù)壓流場(chǎng)，利用卷吸功能將通道間的粉塵快速?zèng)_走，經(jīng)霧滴流包裹形成支架區(qū)域內(nèi)的局部霧化封閉空間[3-5]。

主要控除粉塵機(jī)理如下：

（1）通過采煤機(jī)內(nèi)外噴霧與水動(dòng)力除塵裝置共同構(gòu)筑形成局部霧化空間，可徹底封閉截割滾筒部位的產(chǎn)塵，將最大的產(chǎn)塵源從產(chǎn)塵點(diǎn)上進(jìn)行攔截和捕獲。

（2）負(fù)壓卷吸除塵裝置可在液壓支架與擋煤板、煤壁間形成水霧式簾幕，可與采煤機(jī)滾筒產(chǎn)塵源區(qū)域形成阻隔帶。

對(duì)液壓支架頂梁區(qū)域的產(chǎn)塵，負(fù)壓卷吸除塵裝置在作業(yè)人員呼吸帶附近形成負(fù)壓卷吸流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)多次捕獲。

（3）通過局部封閉霧化和多重?cái)r截與捕獲，可多渠道實(shí)現(xiàn)高效降塵目的。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

活性磁化水噴霧降塵系統(tǒng)由注水管道、防爆定量添加泵、靜態(tài)混合器、水磁化裝置及新型噴霧裝置等組成。利用礦井除塵供水管路及噴霧加壓裝置，通過活性劑定量添加裝置在除塵用水管路中加入新型表面活性劑，經(jīng)靜態(tài)混合器形成混合均勻的活性水，通過噴霧水加壓泵加壓獲得穩(wěn)定水壓，再經(jīng)高效水磁化裝置形成活性磁化水，經(jīng)過采煤機(jī)水動(dòng)力及液壓支架負(fù)壓卷吸高效霧化裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)塵源點(diǎn)形成良好的降塵霧場(chǎng)。

遺憾的是，批玄風(fēng)雷聲大而振儒學(xué)雨點(diǎn)小，到了南朝，世家大族多祖尚清淡，好宴游，“故士大夫子弟，皆以博涉為貴，不肯專儒”[11](P1539)；即使經(jīng)學(xué)名家，“雖好經(jīng)術(shù)，亦以才博擅名”[11](P177)。顯然，這里的“博涉”與“專儒”、“才博”與“經(jīng)術(shù)”兩兩對(duì)言，前者皆當(dāng)首推善談玄與精通三玄之學(xué)。

活性磁化水噴霧降塵系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 活性磁化水降塵系統(tǒng)

防爆定量添加泵規(guī)格：長(zhǎng)×寬×高：1 060 mm×300 mm×465 mm，重量175 kg。

靜態(tài)混合器規(guī)格：主管直徑120 mm，長(zhǎng)500 mm；支管直徑20 mm，長(zhǎng)180 mm；重量15 kg。

水磁化裝置規(guī)格：長(zhǎng)×寬×高：1 500 mm×450 mm×500 mm，重量130 kg。

表1 活性磁化水噴霧降塵系統(tǒng)參數(shù)

活性劑定量供給系統(tǒng)包括濃活性劑溶液箱、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、定量添加泵及靜態(tài)混合器等裝置，如圖3所示。該套系統(tǒng)串聯(lián)在水箱供水管路或者噴霧加壓泵管路中，定量添加泵電壓為1 140 V。

圖3 活性磁化水降塵工藝

磁化裝置利用磁場(chǎng)改善活性劑溶液濕潤(rùn)性能，該裝置由四個(gè)磁筒構(gòu)成，通過磁筒之間串并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高效磁化功能。用于采煤機(jī)局部區(qū)域霧化封閉控除塵的水動(dòng)力除塵器，能實(shí)現(xiàn)高效捕集截割產(chǎn)塵，噴嘴組水霧幕封閉截割粉塵逸散空間，適用于復(fù)雜作業(yè)場(chǎng)景，以及不準(zhǔn)使用電動(dòng)、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)源的場(chǎng)所。將水動(dòng)力除塵器用強(qiáng)磁鐵固定于采煤機(jī)上，方便拆卸及調(diào)整噴霧角度，噴霧壓力為5～6 MPa。每臺(tái)水動(dòng)力除塵器耗水量24 L/min，能有效利用壓力水的慣性驅(qū)動(dòng)葉輪，并在葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)霧滴二次破碎，產(chǎn)生高密度、微粒徑的霧幕。在采煤面常規(guī)噴霧壓力下，其霧射距離與霧流有效覆蓋范圍均能滿足采煤機(jī)局部區(qū)域霧化封閉需求。

用于液壓支架局部區(qū)域封閉霧化的負(fù)壓卷吸除塵器，能有效抑制截割、移架產(chǎn)生的粉塵向人行道空間逸散，實(shí)現(xiàn)高效抽吸滯留于人行道呼吸帶區(qū)域的懸浮態(tài)粉塵，具備弱水噴霧降塵等優(yōu)勢(shì)。負(fù)壓卷吸除塵裝置使用螺絲作為固定元件，安裝靈活方便，噴霧壓力為5～6 MPa，每個(gè)水動(dòng)力除塵器耗水量7 L/min，如圖4所示。

圖4 負(fù)壓卷吸除塵器結(jié)構(gòu)

2.4 技術(shù)特點(diǎn)

（1）針對(duì)粉塵疏水性強(qiáng)、水濕潤(rùn)凝并差的難題，研發(fā)并應(yīng)用了低成本高效環(huán)保型活性添加劑，驗(yàn)證了活化與磁化耦合控除塵理論。

（2）針對(duì)采煤機(jī)、液壓支架常規(guī)噴霧射程短、霧化效果差的難題，研制兩種局部封閉控除塵裝備，具有射程遠(yuǎn)、射速快、覆蓋廣的特點(diǎn)。

（3）為有效阻隔采煤面截割、移架產(chǎn)塵在工作面空間逸散，提出了高壓細(xì)水霧局部封閉采煤面產(chǎn)塵源的降塵方法，構(gòu)建了由磁化裝置、負(fù)壓卷吸除塵器、水動(dòng)力除塵器等組成的活性磁化水與局部霧化封閉聯(lián)合降塵工藝系統(tǒng)。

（4）在采煤機(jī)順、逆風(fēng)截割部各安裝水動(dòng)力除塵器1臺(tái)，通過除塵器在水動(dòng)力作用下產(chǎn)生的高密度、微粒徑的風(fēng)水霧幕封閉截割粉塵在空間的逸散，使得霧滴與塵粒在霧化封閉空間中反復(fù)碰撞凝并，捕集高濃度粉塵團(tuán)。

（5）沿工作面風(fēng)流方向，偶數(shù)編號(hào)的液壓支架（單臺(tái)）布置3組負(fù)壓卷吸除塵器，安裝于支架頂梁，并沿中心距方向布置，如圖5所示。

圖5 綜采支護(hù)架負(fù)壓卷吸除塵器安裝

3 應(yīng)用效果與分析

在采用新式控除塵技術(shù)后，采煤面粉塵治理效果得到質(zhì)的改善。技術(shù)人員對(duì)48712采煤面在新除控塵方案實(shí)施前后各測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量分析，收集數(shù)據(jù)整理如表2、表3所示。

表2 全塵濃度對(duì)照

表3 呼吸性粉塵濃度對(duì)照

經(jīng)分析，采煤機(jī)截割滾筒下風(fēng)側(cè)10～30 m段測(cè)定的全塵、呼吸性粉塵濃度為工作面最高粉塵濃度區(qū)域，屬于粉塵重度污染區(qū)。采用常規(guī)降除塵措施，其全塵降塵率僅為39.35%,呼吸性粉塵降塵率僅為34.70%，控除塵效果一般。通過采用活性磁化水控除塵技術(shù)，全塵平均降塵率達(dá)到88.62%，呼吸性粉塵平均降塵率達(dá)到85.58%。

4 結(jié)語

活性磁化水控除塵技術(shù)是一項(xiàng)新型降塵技術(shù)，可針對(duì)性地解決疏水性粉塵難以治理的難題。48712采煤面采用活性磁化水高效霧化控除塵機(jī)理，試驗(yàn)應(yīng)用新型噴霧控除塵裝備，形成一整套高效降塵方法和高效降塵工藝，對(duì)該采煤面的主要產(chǎn)塵源形成了良好的霧化覆蓋面和噴霧場(chǎng)，能有效預(yù)防塵肺病和粉塵燃爆，改善了井工作業(yè)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。