王莊煤礦綜采工作面高效抑塵劑研究及應(yīng)用

荊發(fā)軍

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 王莊煤礦,山西 長治 046000)

煤炭一直是我國的主要能源,但隨著煤礦機(jī)械化程度的提高,井下產(chǎn)生的煤塵污染問題也越來越嚴(yán)重[1]。大量的煤塵污染不僅嚴(yán)重危害礦工的身心健康,還會引起煤塵爆炸等安全事故,對煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成重大隱患[2]。此外,粉塵造成的溫濕度條件惡化也影響機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行。因此,研究煤塵的有效治理技術(shù),是保障煤礦高效安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。目前,水噴霧是最常用的煤礦井下防塵技術(shù)重要手段。但由于水分子與煤塵間相互作用微弱,水噴霧系統(tǒng)的防塵效果仍然存在局限性[3]。為提高煤塵的潤濕脫附效果,使用表面活性劑水溶液進(jìn)行噴霧控制,成為一種新的技術(shù)思路。但是,表面活性劑噴霧技術(shù)相關(guān)的配方優(yōu)化、噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用效果評估等方面還需深入研究[4],以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在煤礦井下的規(guī)范化應(yīng)用,從而有效改善礦井環(huán)境,保障煤礦安全高效生產(chǎn)。

1 王莊煤礦7107工作面概況

隨著王莊煤礦井下采煤機(jī)械化程度的不斷提高,礦井工作面產(chǎn)生的粉塵量急劇增加,現(xiàn)有降塵技術(shù)已無法滿足要求。大量粉塵污染不僅威脅著井下職工的身心健康,也給企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來了極大隱患。為有效控制煤礦井下粉塵污染,保障職工健康和提升企業(yè)安全生產(chǎn)水平及進(jìn)一步驗(yàn)證該新型降塵技術(shù)的作用效果,在7107綜采工作面應(yīng)用了新型表面活性劑高效降塵技術(shù)。

7107工作面開采的3號煤層是二疊紀(jì)山西組的陸相湖泊沉積,位于地層的中下部。位于實(shí)體煤和已開采工作面的交界處。在該工作面范圍內(nèi),煤層夾矸最厚0.4 m,平均煤厚6.53 m,局部煤層變薄。工作面運(yùn)巷長1 176 m,風(fēng)巷長1 112 m,風(fēng)運(yùn)巷可采長度均為1 050 m,切眼長280 m.該工作面為下山回采,局部有起伏,煤層傾角在1°～13°之間;根據(jù)地面三維地震勘探和實(shí)際揭露情況分析,運(yùn)巷開口往里24 m處揭露斷層F288H=2.0 m∠60°(不在回采范圍),工作面回采期間不受斷層、陷落柱及巖漿巖等地質(zhì)構(gòu)造影響。

為了有效控制煤礦粉塵,該工作面主要采用灑水降塵的方法。在運(yùn)巷距工作面50 m處、風(fēng)巷距工作面30 m處以及風(fēng)巷、措施巷、運(yùn)巷的回風(fēng)繞道口往里10 m處,分別安設(shè)凈化水幕。水幕見煤即開,無煤即停,水幕閥門設(shè)在行人側(cè)。在風(fēng)巷距工作面50 m處,安設(shè)兩道捕塵網(wǎng)配合凈化水幕使用,捕塵網(wǎng)安裝在凈化水幕外300 mm處,覆蓋全斷面。捕塵網(wǎng)和凈化水幕隨工作面的推進(jìn)即時(shí)移動(dòng)。

2 王莊煤礦煤塵工業(yè)分析及元素分析

本文以王莊煤礦3號煤樣為研究對象,對其進(jìn)行了工業(yè)和元素分析,以探究其特性。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T212-2001和GB/476-2001,對3號煤樣進(jìn)行工業(yè)和元素分析。首先,把煤樣破碎、篩分,取出小于200目的煤塵進(jìn)行分析[5],分析測試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 煤的工業(yè)分析

表2 煤塵的元素分析

由表1、表2可以看出:王莊煤礦3號煤揮發(fā)分含量Vdaf在10%～37%之間,屬于煙煤;王莊煤礦3號煤中碳是煤中含量最髙的元素(77.38%),一般來說,隨著煤化程度的增加,含碳量也在增加。因此碳可以作為表征煤化程度的重要分類指標(biāo)。煤中氫元素則具有較好的反應(yīng)能力,氧含量及氧的存在形態(tài)影響煤的性質(zhì)。隨著煤化程度的增高,氫和氧含量逐漸下降,煤分子結(jié)構(gòu)上極性的含氧官能團(tuán)的數(shù)量降低,吸附水分的能力降低[6]。在煤中氮元素是唯一一種完全以有機(jī)狀態(tài)存在的元素。3號煤中氮含量較少,煤塵的含氮量越高,潤濕效果越好,故3號煤潤濕效果差。

3 基于煤塵潤濕性的表面活性劑優(yōu)選

為了研究不同表面活性劑對煤塵潤濕性能的影響,本文選取了十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、壬基酚聚氧乙烯醚-6(TX-6)和烷基多糖苷(APG-0810)4種表面活性劑作為試劑。其中,APG是一種綠色的新型表面活性劑,它既有非離子表面活性劑的特點(diǎn),又有陰離子表面活性劑的特點(diǎn),能夠和其他表面活性劑很好地復(fù)配,而且容易降解,是一種適合煤塵潤濕的表面活性劑[7]。為了測定APG和其他3種表面活性劑對王莊煤礦3號煤塵的潤濕效果,把它們分別稀釋成不同的濃度,然后用接觸角測定儀來測量它們和煤塵之間的接觸角。接觸角是反映液體與固體之間相互作用的物理量,接觸角越小,說明液體與固體之間的相互吸引力越大,液體對固體的潤濕能力越強(qiáng)[8]。不同濃度4種表面活性劑溶液與3號煤塵作用的接觸角結(jié)果如圖1所示。

圖1 在王莊煤礦煤塵的表面活性劑溶液表面接觸角

根據(jù)圖1中的數(shù)據(jù),隨著表面活性劑溶液濃度的增加,煤塵表面接觸角整體呈現(xiàn)先降低后趨于平穩(wěn)的變化趨勢。加入表面活性劑SDBS、CTAB、TX-6和APG后,溶液與煤塵表面的接觸角在表面活性劑濃度0%～0.3%之間快速下降,說明表面活性劑的加入大大提高了溶液對煤塵的潤濕性。當(dāng)SDBS、CTAB和TX-6溶液的濃度達(dá)到0.3%或0.4%時(shí),接觸角達(dá)到最小值;而APG溶液在濃度為0.15%或0.2%時(shí)接觸角最小。這說明SDBS、CTAB和TX-6的最佳潤濕濃度在0.3%～0.4%之間,APG的最佳潤濕濃度在0.15%～0.2%之間。高濃度表面活性劑的繼續(xù)加入,對煤塵潤濕性的提高幅度很小。表3進(jìn)一步列出了4種表面活性劑的最佳潤濕濃度范圍,為后續(xù)選取最佳表面活性劑和濃度提供了參考。

表3 最佳濃度

王莊煤礦煤塵的潤濕性受不同溶劑的影響而變化。煤塵初始接觸角為69.5°,說明其親水性較差。當(dāng)分別加入4種表面活性劑后,溶液能夠更好地滲透到煤塵表面,使接觸角降低,潤濕性增強(qiáng)。其中,APG的效果最好,接觸角最小為31°,而CTAB的效果最差。這與煤塵的性質(zhì)和表面活性劑的作用機(jī)理有關(guān)[9]。

從上述分析可以看出,煤塵的潤濕性不僅與煤塵本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān),還與表面活性劑的類型和性能有關(guān)。一般來說,非離子表面活性劑比陰離子和陽離子型表面活性劑更能有效地降低煤塵的接觸角,提高其潤濕性。這為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的理論依據(jù)。

4 表面活性劑溶液一體化制備系統(tǒng)的現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)前文研究結(jié)果,基于新型表面活性劑的最佳濃度,選擇APG、SDBS兩種表面活性劑和APAM作為抑塵劑的組成成分,并通過正交試驗(yàn)法,分別考察了3種成分的濃度對煤塵抑塵效果的影響。綜合分析了各成分的影響程度和最佳濃度,得出了最佳濃度分別為APG0.17%、SDBS0.49%、APAM0.05%.噴霧噴嘴采用平扇水霧噴嘴結(jié)構(gòu),噴嘴均勻角6°,壓縮角25°,選擇6個(gè)噴嘴,單個(gè)噴嘴噴射參數(shù)擴(kuò)散角θ為26°,有效噴射長度為1.5 m,噴霧壓力8.0 MPa,噴嘴直徑選用1.5 mm.基于上述參數(shù)分別開展了未噴霧、清水噴霧、新型表面活性劑噴霧三種工況下現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)。

本文根據(jù)《煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范(AQ 1020-2006)》中關(guān)于評價(jià)粉塵防治技術(shù)效果的測塵方法[10],對煤礦井下噴霧降塵用活性劑溶液一體化降塵技術(shù)的防塵效果進(jìn)行評價(jià)。在采煤機(jī)正常割煤條件下,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB5748-85和MT79-84確定了試驗(yàn)工作面的8個(gè)粉塵采樣點(diǎn),具體包括:采煤機(jī)司機(jī)處、采煤機(jī)回風(fēng)側(cè)距離工作面10 m、20 m、30 m、50 m處,以及回風(fēng)巷距離工作面端頭10 m、15 m、20 m處。測點(diǎn)均置于距底板1.5 m處,測點(diǎn)布置示意如圖2所示。

圖2 測塵點(diǎn)布置示意

參照國標(biāo)GBZ/T 192.1-2007《工作場所空氣中粉塵測定》[11],使用CCHG1000型礦用防爆直讀測塵儀(圖3)對每個(gè)采樣點(diǎn)的全塵質(zhì)量濃度和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了3次重復(fù)測量,并取平均值。測得的各測點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度結(jié)果如表4、表5所示。

圖3 CCHG1000礦用防爆直讀測塵儀

表4 不同噴霧降塵技術(shù)條件下全塵質(zhì)量濃度 mg/m3

表5 不同噴霧降塵技術(shù)條件下呼塵質(zhì)量濃度 mg/m3

為了評價(jià)噴霧降塵的效果,按照以下步驟進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn):

1) 在沒有開啟任何噴霧設(shè)備的情況下,測量采煤機(jī)正常工作時(shí)下風(fēng)側(cè)司機(jī)工作地點(diǎn)的粉塵質(zhì)量濃度,作為實(shí)驗(yàn)的對照組。

2) 在開啟采煤機(jī)內(nèi)外清水噴霧設(shè)備的情況下,測量采煤機(jī)工作時(shí)下風(fēng)側(cè)司機(jī)工作地點(diǎn)的粉塵質(zhì)量濃度,作為實(shí)驗(yàn)的水噴霧組。

3) 在開啟采煤機(jī)內(nèi)外活性水噴霧設(shè)備的情況下,使用不同種類的復(fù)配表面活性劑溶液對工作面進(jìn)行噴霧處理,測量采煤機(jī)工作時(shí)下風(fēng)側(cè)司機(jī)工作地點(diǎn)的粉塵質(zhì)量濃度,作為實(shí)驗(yàn)的活性劑組。

為了計(jì)算噴霧降塵的效果,使用以下公式來出噴霧降塵效率:

(1)

式中:η為噴霧降塵效率,%;C1為未采取噴霧降塵技術(shù)所搜集到的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3;C2為采取噴霧降塵技術(shù)后所采集到的粉塵質(zhì)量濃度,mg/m3.

為了便于對比分析水噴霧、活性劑噴霧的降塵效果,進(jìn)而驗(yàn)證活性劑噴霧所具有的優(yōu)越降塵性能,通過公式(1)對以上8個(gè)測點(diǎn)在不同噴霧技術(shù)條件下的降塵效率進(jìn)行計(jì)算,得到各噴霧降塵技術(shù)在各測點(diǎn)的降塵效率,如表6所示。

表6 不同噴霧降塵技術(shù)條件下降塵效率 %

應(yīng)用新型表面活性劑的噴霧降塵技術(shù)后,采煤機(jī)司機(jī)處、采煤機(jī)回風(fēng)側(cè)10～50 m處和回風(fēng)巷距工作面端頭10～20 m處的平均降塵效率如圖4所示。

圖4 不同噴霧降塵技術(shù)條件

由表4、表5、表6和圖4可以看出:

1) 未采取噴霧降塵措施時(shí),7107綜采工作面粉塵質(zhì)量濃度較高,采煤機(jī)司機(jī)處全塵質(zhì)量濃度和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別高達(dá)256.40 mg/m3和100.20 mg/m3.應(yīng)用新型表面活性劑噴霧降塵技術(shù)后,工作面粉塵質(zhì)量濃度得到明顯抑制,尤其是呼吸性粉塵質(zhì)量濃度大幅下降。

2) 在相同水壓和噴霧條件下,含新型表面活性劑的噴霧降塵效果明顯優(yōu)于清水噴霧。在采煤機(jī)司機(jī)處、距工作面10～50 m采煤機(jī)回風(fēng)側(cè)和距工作面端頭10～20 m回風(fēng)巷等處,添加新型表面活性劑的平均全塵噴霧降塵效率分別達(dá)到80.77%、85.21%和81.91%,滿足相關(guān)規(guī)范要求;添加新型表面活性劑的平均呼吸性粉塵噴霧降塵效率分別達(dá)到76.15%、79.98%和74.03%;而清水噴霧的平均全塵降塵效率僅為62.97%、53.18%和52.28%,平均呼吸性粉塵降塵效率為59.93%、61.11%和56.05%.

3) 相比清水噴霧,添加新型表面活性劑的平均全塵噴霧降塵效率分別提高了17.8%、32.0%和29.6%,平均呼吸性粉塵噴霧降塵效率分別提高了16.2%、18.9%和18.0%.

5 結(jié) 語

本文以王莊煤礦7107工作面為研究對象,通過對煤樣工業(yè)分析和元素分析,研究不同類型表面活性劑的最佳用量和配比,并在7107工作面對不同噴霧技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)對比。結(jié)果表明:新型表面活性劑噴霧可使全塵和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別降低80%以上和70%以上,優(yōu)于清水噴霧。

研究驗(yàn)證了新型表面活性劑噴霧技術(shù)能顯著降低井下粉塵質(zhì)量濃度,保護(hù)了職工健康,具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。