梁旺亮

(西山煤電股份公司 西銘礦，山西 太原 030052)

1 疏水性粉塵分析

粉塵在原煤的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)載和運(yùn)輸過程中，產(chǎn)生于各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和工序過程。其中采掘機(jī)械切削煤壁時(shí)產(chǎn)塵率最高，是粉塵治理的核心。采掘作業(yè)中采煤工作面產(chǎn)塵量最大，最高粉塵濃度可達(dá)2 500～3 000 mg/m3,采煤機(jī)切削煤壁產(chǎn)塵量約占60％左右。

機(jī)械化程度越高礦工患?jí)m肺病的機(jī)率也隨之越大，使得粉塵治理日益成為近年來煤礦管理的難題之一。傳統(tǒng)的噴霧降塵技術(shù)在采掘現(xiàn)場(chǎng)使用效果不佳，降塵率僅達(dá)10％～15％，經(jīng)過研究分析，降塵效果差除現(xiàn)有的噴霧設(shè)備設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性外，根源還在于西山煤田賦存的2#、3#、8#、9#煤層在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵均為疏水性粉塵，單純采取“風(fēng)”、“水”、“霧”降塵措施難以達(dá)到理想效果。

水分子表面張力的大小不能準(zhǔn)確衡量其對(duì)粉塵的潤(rùn)濕能力，水溶液對(duì)粉塵的潤(rùn)濕性能還與粉塵表面結(jié)構(gòu)和加入水中的表面活性劑結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。由粉塵的FTIR光譜分析可知，煤是有機(jī)物且結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，表面含有大量脂肪烴和芳香烴等憎水性的非極性基團(tuán)，從而使粉塵表面具有較強(qiáng)的疏水性，因此，水對(duì)粉塵的潤(rùn)濕性能較差。

2 水分子改性機(jī)理

如何將水分子與粉塵的關(guān)系由“疏”改性為“親”，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)50年代開始就對(duì)水分子改性降塵技術(shù)進(jìn)行了研究，但至今對(duì)該技術(shù)的研究還不夠深入，應(yīng)用推廣還不夠廣泛。

當(dāng)向水中添加陰離子或非離子表面活性劑時(shí)，根據(jù)剩余力場(chǎng)理論，粉塵表面將產(chǎn)生吸附作用。在吸附過程中，粉塵的疏水表面與表面活性劑的疏水基團(tuán)相互作用較強(qiáng)，因此，表面活性劑將以尾部朝向粉塵表面，頭部伸向水溶液的方式吸附于粉塵表面，從而降低了水溶液和粉塵的液-固表面張力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室電泳試驗(yàn)結(jié)果證明，粉塵表面是帶負(fù)電的，同結(jié)構(gòu)的表面活性劑在其表面的吸附能力是不同的。陰離子表面活性劑電離出的表面活性離子帶負(fù)電，與帶負(fù)電的粉塵表面同性相排斥，而且吸附于粉塵表面的陰離子表面活性離子之間也會(huì)產(chǎn)生電性排斥，不利于在粉塵表面的吸附，因此，陰離子表面活性劑在粉塵表面的吸附能力小于非離子表面活性劑，導(dǎo)致非離子表面活性劑的固-液界面張力小于陰離子表面活性劑的固-液界面張力。根據(jù)粉塵潤(rùn)濕理論，對(duì)西山礦區(qū)某一特定粉塵而言，影響水溶液對(duì)粉塵濕潤(rùn)能力的因素與水溶液的氣-液表面張力也有關(guān)，氣-液表面張力越小，濕潤(rùn)性越好；與粉塵的液-固表面張力有關(guān)，液-固界面張力越小，濕潤(rùn)性越好。因此，綜合考慮氣-液表面張力和固-液表面張力2個(gè)方面，非離子表面活性劑對(duì)粉塵的潤(rùn)濕性一般好于陰離子表面活性劑。這一機(jī)理較好地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即雖然非離子表面活性劑的氣-液表面張力大于陰離子表面活性劑的氣-液表面張力，但其濕潤(rùn)性能卻好于陰離子表面活性劑。

通過對(duì)煤塵的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)、表面電性和表面潤(rùn)濕性的系統(tǒng)研究，可知非離子表面活性劑溶液對(duì)粉塵的潤(rùn)濕效果好于陰離子表面活性劑溶液。研究表明，溶液對(duì)粉塵的潤(rùn)濕性不僅取決于溶液的氣-液表面張力，而且取決于溶液與粉塵的固-液表面張力，溶液與粉塵的固-液表面張力的大小，又與粉塵的疏水性、電性、溶液添加劑(如表面活性劑)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)密切相關(guān)。

水分子改性技術(shù)經(jīng)多年研發(fā)，目前技術(shù)比較成熟，改性劑的提取生物環(huán)保，取自于天然，是環(huán)境友好型產(chǎn)品。添加比例極少，經(jīng)濟(jì)適用，密度略大于水，pH值7～8，對(duì)皮膚無刺激，不會(huì)因水質(zhì)變化而改變產(chǎn)品性能，區(qū)別于其它制劑類降塵產(chǎn)品，如醇基、油基、化學(xué)基等。

3 水分子改性技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

水分子改性技術(shù)應(yīng)用于西山煤電股份公司西銘礦北五盤區(qū)48504綜采工作面，該工作面井下位于隨老母斷層以南，北為西銘礦礦界，東鄰后西嶺村莊煤柱及48502回采工作面，南鄰305左翼回風(fēng)巷，西為48506采空區(qū)，該面上覆2#、7#煤多為小煤窯所采，2#與8#煤層間距84 m左右，7#與8#煤層間距16 m左右。工作面走向長(zhǎng)1 576 m，采長(zhǎng)192 m, 煤層厚度為3.70～4.30 m，平均厚度3.56 m，屬穩(wěn)定煤層，可采儲(chǔ)量111.7萬t，日產(chǎn)量5 000 t。48504工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，即48504工作面皮帶巷進(jìn)風(fēng)，軌道巷回風(fēng)。該工作面采用均壓通風(fēng)方式預(yù)防工作面自然發(fā)火，采用4臺(tái)2×55 kW局部通風(fēng)機(jī)(兩用兩備)向工作面供風(fēng)，供風(fēng)量1 956 m3/min。工作面防塵技術(shù)采用動(dòng)壓與靜壓注水方式(采用2+22方式)、采煤機(jī)內(nèi)外噴霧、架間噴霧、轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧裝置、風(fēng)流凈化水幕、捕塵網(wǎng)及個(gè)體防護(hù)等防塵措施。

通過試用C&C-1型水分子改性劑，證明改性劑可促使水分子表面張力被最大程度地破壞，極大地提高固體粉塵顆粒物被瞬間濕潤(rùn)的速率，濕潤(rùn)率增強(qiáng)。使水分子的滲透性增強(qiáng)，可以更深入地滲透到粉塵結(jié)核內(nèi)部，延長(zhǎng)水的控制作用。從而改變粉塵電荷間的作用，加大粉塵表面吸附周圍水分子的能力，即將粉塵的疏水性質(zhì)變?yōu)橛H水性質(zhì)。其滲透及吸附、凝聚作用見圖1。

圖1 水分子改性技術(shù)功能表現(xiàn)示意圖

利用改性技術(shù)破壞水分子表面張力，可極大地提高粉塵顆粒等固體被瞬間潤(rùn)濕的速率，水分子可深入滲透到粉塵內(nèi)部區(qū)域，延長(zhǎng)水的控灰時(shí)間，尤其對(duì)呼吸性粉塵的抑制作用尤為明顯，使采掘工作面及回風(fēng)巷道內(nèi)不容易產(chǎn)生二次揚(yáng)塵危害，其工藝流程圖見圖2。

圖2 采煤面制備降塵霧流的流程圖

48504綜采工作面水分子改性技術(shù)核心部件是改性劑添加裝置及中和器，利用CR-2型水力自動(dòng)添加裝置將改性劑C&C-1(濕潤(rùn)型)按照1‰～2‰的設(shè)定比例自動(dòng)注入工作面防塵供水管路中，增設(shè)單獨(dú)的噴霧降塵高效噴嘴或借助工作面原有的采煤機(jī)外噴霧系統(tǒng)，抑制捕捉采煤機(jī)滾筒切削煤壁時(shí)產(chǎn)生的粉塵顆粒，從而實(shí)現(xiàn)高效率降塵的目的。根據(jù)懸浮式氣固兩相流理論和截割粉塵成因理論,通過建立采煤工作面沿程粉塵濃度數(shù)學(xué)離散相模型,根據(jù)采煤機(jī)截割滾筒附近的沿程粉塵分布規(guī)律，結(jié)合噴霧降塵機(jī)理和噴霧降塵效果影響因素,對(duì)噴霧噴嘴安裝數(shù)量、方位、角度、壓力、霧粒大小進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)將有利于粉塵降塵率。整套系統(tǒng)無電自動(dòng)運(yùn)行、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作，通過水分子改性優(yōu)化與粉塵間的電荷作用、破壞水分子表面張力，達(dá)到快速有效的粉塵吸附和沉降。采煤面水分子改性劑添加裝置圖見圖3。

圖3 采煤面水分子改性劑添加裝置圖

48504綜采工作面使用水分子改性技術(shù)前后的降塵參數(shù)對(duì)比情況，見表1。

水分子改性的應(yīng)用范圍極廣，可應(yīng)用于采掘工作面、煤體注水、鉆孔除塵、工業(yè)廣場(chǎng)、地面堆場(chǎng)等。添加比例為微比例，按0.02％～0.1％配比。應(yīng)用效果主要是比普通噴霧降塵效率提高70％～95％，添加裝置水力驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)啟停，能顯著提高水的滲透力，同類型產(chǎn)品噸水費(fèi)用最低，阻燃抑爆，大幅度提高了工作面作業(yè)環(huán)境能見度，對(duì)呼吸性粉塵的治理尤其顯著。另外，還在該礦西十二盤區(qū)42211綜掘面使用了水分子改性技術(shù)，取得了較好的效果。

表1 48504工作面使用水分子改性前后降塵參數(shù)對(duì)比表

綜掘面水分子改性劑添加裝置圖見圖4。

圖4 綜掘面水分子改性劑添加裝置圖

42211綜掘工作面使用水分子改性技術(shù)前后的降塵參數(shù)對(duì)比情況，見表2。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過試用水分子改性新型技術(shù)，采煤工作面每切割1個(gè)循環(huán)用水量約9 m3，每個(gè)循環(huán)生產(chǎn)原煤1 000 t，水分子改性劑消耗量8.8 kg,與水的配比比率約為1‰，噸煤消耗改性劑費(fèi)用約0.44元/t。綜掘工作面每掘進(jìn)1個(gè)米循環(huán)進(jìn)尺用水量約1.4 m3，水分子改性劑消耗量1.7 kg，與水的配比比率約為1.2‰，每米進(jìn)尺消耗改性劑費(fèi)用約85元/m。

表2 42211工作面使用水分子改性前后降塵參數(shù)對(duì)比表

5 結(jié) 語

煤礦粉塵治理工作逐步走向常態(tài)化、規(guī)范化、科學(xué)化，礦井的綠色清潔發(fā)展必將是煤礦企業(yè)的最終發(fā)展方向，水分子改性技術(shù)的研究和應(yīng)用，極大地改善了采掘工作面的工作環(huán)境，且用水量可降低約30％～70％，而降塵效率則提高70％～95％。水分子改性技術(shù)是降塵領(lǐng)域技術(shù)研究的階段性革命，不僅徹底消除了塵肺病產(chǎn)生的根源，而且還為進(jìn)一步發(fā)明創(chuàng)造新的降塵產(chǎn)品提供了理論指導(dǎo)。

參 考 文 獻(xiàn)

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