姜進(jìn)鋒

(中鼎國際工程有限責(zé)任公司礦建分公司第三工程處，陜西 咸陽 713504)

前言

隨著煤礦資源需求量的不斷增多，這類產(chǎn)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的過程中普遍應(yīng)用大型機(jī)械設(shè)備，以此提高煤礦產(chǎn)量，加快煤礦資源挖掘速度，與此同時，粉塵的大量產(chǎn)生還會降低空氣能見度，危害員工身體健康，不利于增加煤礦產(chǎn)業(yè)長期經(jīng)濟(jì)效益。因此，務(wù)必采取有效措施治理綜掘面粉塵，將防治行為落實(shí)到實(shí)際行動中去，獲得良好的降塵效果，由此可見，本文探究該論題具有一定現(xiàn)實(shí)意義，同時，論題分析的必要性十分顯著。

1 降塵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

煤礦泡沫降塵技術(shù)研究于二十世紀(jì)五十年代，最早對這一技術(shù)研究的國家為英國，隨后其他國家相繼展開研究活動，均取得了良好的研究成果。煤礦掘進(jìn)面粉塵處理的過程中，常用傳統(tǒng)的除塵方法，如除塵器設(shè)備降塵法、噴霧降塵法、煤層注水法、防護(hù)法等，但上述方法應(yīng)用期間存在一定問題，并且方法適用性相對較差，這在一定程度上會延長降塵時間，降塵效率也得不到提高。如果煤礦粉塵未能及時防治，那么煤礦生產(chǎn)進(jìn)度會受到制約，員工的工作狀態(tài)也會愈加消極，大部分煤礦企業(yè)沿用上述傳統(tǒng)的除塵方法，現(xiàn)已不能滿足綜掘面除塵需要，反而還會降低生產(chǎn)安全性，影響生產(chǎn)進(jìn)程。從中能夠看出，傳統(tǒng)降塵技術(shù)的應(yīng)用效果不是十分明顯，并且市場空間會越來越小，根據(jù)煤礦綜掘面降塵需要適當(dāng)改進(jìn)除塵技術(shù)、引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)勢在必行，以此打破當(dāng)前不容樂觀的除塵現(xiàn)狀，為煤礦生產(chǎn)營造良好的舒適的、安全的工作環(huán)境，進(jìn)而員工參與煤礦生產(chǎn)活動的熱情會空前高漲，煤礦生產(chǎn)也能順利進(jìn)行。應(yīng)用先進(jìn)降塵技術(shù)之前，應(yīng)首先了解粉塵產(chǎn)生過程以及運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)而能夠有依據(jù)的選用除塵技術(shù)，達(dá)到煤礦綜掘面降塵的良好效果[1]。

2 煤礦綜掘面粉塵產(chǎn)生過程

煤礦綜掘面粉塵主要產(chǎn)生于綜掘機(jī)作用下的巖石切割活動，所產(chǎn)生粉塵量占總粉塵量的86%以上，在了解綜掘面粉塵來源的基礎(chǔ)上，應(yīng)主要從這一方面入手，即根據(jù)粉塵生產(chǎn)過程有效治理，大致生產(chǎn)過程介紹如下：

巖石在接觸應(yīng)力的作用下會逐漸發(fā)生形狀變化，隨著應(yīng)力的不斷增加，接觸綜掘機(jī)的巖石會在最大應(yīng)力值的作用下破壞完整性，即巖石破碎的過程即粉塵產(chǎn)生的過程。體積較小的破碎巖石離開主體后，會在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生粉塵，未脫離綜掘機(jī)的主體巖石會在高強(qiáng)度接觸應(yīng)力作用下分散巖石體積，巖粉核形成的同時，綜掘機(jī)截齒能量會大范圍傳遞，被能量影響的破碎巖石會發(fā)生位置移動，并且?guī)r石穩(wěn)固性會大大降低，巖石碎裂程度會再次增加，導(dǎo)致綜掘面粉塵大量增加，施工員工所在環(huán)境的空氣質(zhì)量隨之降低，粉塵飛揚(yáng)現(xiàn)象十分明顯[2]。

從上述粉塵產(chǎn)生過程中能夠看出，機(jī)械挖掘機(jī)工作強(qiáng)度與粉塵量成正比，所產(chǎn)生的綜掘面粉塵具有以下三方面特點(diǎn)。特點(diǎn)一，粉塵分散范圍較大，粉塵質(zhì)量較輕、濃度較高，進(jìn)而會在截齒能量的振動下改變運(yùn)動路徑，降低環(huán)境能見度，同時，掘進(jìn)速度、掘進(jìn)效率會大大降低；特點(diǎn)二，粉塵量相對較多，綜掘面粉塵濃度達(dá)到1050～3010mg/m3，受低速掘進(jìn)影響，導(dǎo)致單位空間內(nèi)的粉塵量大量聚集；特點(diǎn)三，游離二氧化硅量超過24%，一旦這類物質(zhì)吸進(jìn)人體，那么極易引發(fā)肺病，與此同時，大型機(jī)械設(shè)備會在二氧化硅的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，大大弱化機(jī)械的工作性能，阻礙煤礦生產(chǎn)進(jìn)程[3]。

3 煤礦綜掘面粉塵運(yùn)動規(guī)律

以某煤礦綜掘面為分析案例，通過模型構(gòu)建、數(shù)值分析等形式分析粉塵運(yùn)動規(guī)律，借助CFD數(shù)值模擬軟件進(jìn)行粉塵濃度計算及其位置變化情況記錄。首先，針對粉塵計算區(qū)域通過物理模型建立的方式予以分析，其中，巷道矩形長為4.5m，高為1.5m，模擬長度為0.1km，上方圓拱半徑為2.3m；風(fēng)筒直徑為0.7m，長94m，距離巷道底板1.5m，出風(fēng)口距離掘進(jìn)面為4.5m。模型擬建完成后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所劃分網(wǎng)格尺寸為0.15m，根據(jù)該煤礦綜掘面具體情況選用適合的模擬方法，最終準(zhǔn)確確定數(shù)值參數(shù)。粉塵源參數(shù)：粒徑分布指數(shù)為1.92、質(zhì)量流率為0.02kg/s、顆粒流數(shù)量為4、跟蹤次數(shù)為985、積分尺度為0.14；離散相參數(shù)：時間步長為0.02、計算步長為1089、相間耦合頻數(shù)為零；邊界條件：入口速度為8.2m/s、湍流強(qiáng)度為3.1%、水力直徑為0.7m[4]。

上述基本參數(shù)設(shè)置完成后，具體分析數(shù)值模擬結(jié)果，以此得知粉塵運(yùn)動規(guī)律。綜掘面粉塵運(yùn)動方向不固定，既能逆風(fēng)流動，又能順風(fēng)流動，既能縱向擴(kuò)散，又能橫向擴(kuò)散，但受掘進(jìn)機(jī)風(fēng)流影響，粉塵聚集在掘進(jìn)面回風(fēng)側(cè)。粉塵濃度呈規(guī)律性分布，即距離掘進(jìn)面越近，濃度越大，反之，距離掘進(jìn)面越遠(yuǎn)，濃度越小。這主要是因?yàn)榉蹓m受截齒能量、摩擦阻力影響較大，體積較大粉塵最先沉落，體積較小、質(zhì)量較輕的粉塵會穩(wěn)定運(yùn)動。粉塵運(yùn)動的過程中，回風(fēng)側(cè)粉塵量大于塵源，主要是因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)截齒動力導(dǎo)致其運(yùn)動于下風(fēng)向，再加上掘進(jìn)機(jī)縮短了巷道截面，進(jìn)而導(dǎo)致粉塵大量堆積，粉塵濃度隨之升高[5]。

4 泡沫降塵技術(shù)具體分析

由于煤礦內(nèi)部結(jié)構(gòu)、井下條件存在差異，傳統(tǒng)除塵技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的過程中存在各種限制，不利于擴(kuò)大傳統(tǒng)除塵技術(shù)的應(yīng)用空間，同時，還會提高技術(shù)應(yīng)用成本。泡沫降塵技術(shù)適時應(yīng)用，能夠彌補(bǔ)化學(xué)除塵技術(shù)在設(shè)備性能低下、設(shè)備腐蝕等方面存在的不足，能夠避免呼吸性粉塵除塵期間出現(xiàn)噴頭堵塞問題，大大提高除塵效率。

4.1 基本介紹

泡沫降塵主要應(yīng)用三種物質(zhì)達(dá)到除塵目標(biāo)，這三種物質(zhì)分別為自然空氣、發(fā)泡劑和水，使其在物理作用下豐富除塵功能，制作完成的泡沫具有良好的粘附性，即針對粉塵對象有效隔除。將其對比于上述傳統(tǒng)的除塵技術(shù)，具備不可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：綜掘面粉塵遇到泡沫后，能夠被全面包圍，含于泡沫內(nèi)部避免大范圍擴(kuò)散；泡沫噴散于粉塵空間內(nèi)部，泡沫體積會迅速膨脹，運(yùn)動范圍也會隨之?dāng)U大，同時，運(yùn)動速度相對加快，進(jìn)而能夠增大與粉塵的接觸面積，與之接觸的粉塵最終會被泡沫吸附；由于泡沫組成物質(zhì)包括發(fā)泡劑，該物質(zhì)具有張力削弱作用，與泡沫接觸的粉塵會增加水分，并且水分增加速度會逐漸加快；泡沫吸附粉塵后，不會出現(xiàn)粉塵外泄現(xiàn)象，同時，不會降低已完成吸附任務(wù)泡沫的黏附效果。泡沫降塵技術(shù)能否發(fā)揮吸附作用，主要受泡沫覆蓋影響，如果泡沫能夠全面覆蓋粉塵，那么粉塵能被有效吸附，該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢也會相應(yīng)彰顯。某煤礦應(yīng)用縱軸式掘進(jìn)機(jī)參與碎石工作時，會產(chǎn)生大量粉塵，粉塵運(yùn)動范圍逐漸擴(kuò)大，此時，泡沫降塵技術(shù)在掌握粉塵運(yùn)動軌跡的基礎(chǔ)上，有效抑制粉塵，即在粉塵源釋放泡沫，并根據(jù)粉塵運(yùn)動路徑、多次堆積處釋放泡沫，進(jìn)而粉塵會被泡沫及時吸附，粉塵擴(kuò)散現(xiàn)象能夠得到有效處理[6]。

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

泡沫降塵技術(shù)的應(yīng)用時間相對較短，但應(yīng)用效果十分顯著，其中，發(fā)泡劑作為有效的吸塵物質(zhì)，需要按照配比要求調(diào)制發(fā)泡劑，實(shí)際調(diào)配的過程中應(yīng)注意環(huán)境的清潔性，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室完成比例分配、混合物制作這項(xiàng)工作任務(wù)。發(fā)泡裝置作為粉塵處理的關(guān)鍵部分，它又有發(fā)泡器之稱，以往這一裝置有兩種類型，第一種類型即壓氣發(fā)泡器，第二種類型即水利引射發(fā)泡器。本文所選用的發(fā)泡器兼具上述兩種不同類型裝置的優(yōu)勢，如圖1所示。由于煤礦掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)不相一致，因此泡沫降塵系統(tǒng)實(shí)際安裝的過程中應(yīng)具體分析，既要保證系統(tǒng)安裝的合理性，又要便于后續(xù)操作，充分發(fā)揮該系統(tǒng)在粉塵吸附方面的作用。

圖1 發(fā)泡裝置

泡沫降塵系統(tǒng)主要包括水管、發(fā)泡裝置、風(fēng)管等裝置，系統(tǒng)正常應(yīng)用主要通過水管進(jìn)行水流釋放，并借助水流推動力運(yùn)送發(fā)泡劑，由于水源運(yùn)動需要流量推動和壓力支持，設(shè)置流量為0.8m3/h，壓力為0.3～0.8MPa。接下來進(jìn)行壓風(fēng)管連接工作，其中，壓風(fēng)管路流量為41～85m3/h，壓力同上述水源一樣，即0.3～0.8MPa，連接對象為發(fā)泡器。其中，高壓膠管直徑中為18mm，它主要在管路連接中發(fā)揮重要作用，在這一過程中，應(yīng)用負(fù)壓引射法進(jìn)行混合操作，并合理控制混合物比例，穩(wěn)定添加比例為0.5%～1.1%。最后掘進(jìn)機(jī)設(shè)備上方有序放置發(fā)泡劑箱、發(fā)泡器，以及添加裝置，運(yùn)輸裝置直徑為48m，借助這一裝置傳輸泡沫至不同端口，連接端口的噴頭具有調(diào)節(jié)性能，即根據(jù)粉塵消除需要調(diào)整泡沫大小，以此抑制粉塵。應(yīng)用該技術(shù)的同時，還應(yīng)合理設(shè)置通風(fēng)方式，其中，長壓短抽式具有良好的使用效果，二者協(xié)作配合，能夠?qū)崿F(xiàn)粉塵的有效吸附[7]。

4.3 應(yīng)用效果

要想發(fā)揮泡沫降塵技術(shù)的應(yīng)用效果，應(yīng)首先掌握泡沫產(chǎn)生條件，促進(jìn)泡沫降塵系統(tǒng)有序運(yùn)行，具體條件包括：發(fā)泡倍數(shù)應(yīng)等于或者高于19倍；水管路和風(fēng)管路合理鋪設(shè)，前者管路流量大于等于0.83/h，后者氣體流量大于等于163/h，前者壓力在0.3～0.8MPa之間，后者氣體壓力也應(yīng)控制在0.3～0.8MPa之間；每60分鐘的清水耗量為0.9m3；發(fā)泡劑的濃度為0.75%～0.85%；每60分鐘產(chǎn)生的泡沫總量大于等于16m3。

應(yīng)用該技術(shù)于某煤礦綜掘面，煤礦巷道寬4.6m，高3.6m，掘進(jìn)作業(yè)方式主要為縱軸式掘進(jìn)機(jī)，由于技術(shù)應(yīng)用場地空間較小，并且需要處理的工序較復(fù)雜，但技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的過程中仍要配合工人工作，促進(jìn)系統(tǒng)性能平穩(wěn)發(fā)揮。其中，系統(tǒng)所用水和空氣來源于工作面相應(yīng)管路，技術(shù)應(yīng)用的過程中應(yīng)確保裝置結(jié)構(gòu)的合理性，避免泡沫無序裝置，進(jìn)而影響除塵效果。此外，還應(yīng)具體確定粉塵測量位置，并逐一記錄粉塵濃度，通過數(shù)據(jù)計算得知除塵效率，其中，粉塵測量儀器選用CCGZ-1000，該類型儀器具有直讀式優(yōu)勢，針對不同條件下的粉塵進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)分析，具體對比結(jié)果如表1所示[8]。

表1 不同條件下降塵效率對比(mg/m3)

對比表格數(shù)據(jù)可知，無任何防塵措施的全塵濃度高于噴霧沉降技術(shù)，但泡沫沉降技術(shù)下的全塵濃度最低，低至274.9；針對呼吸性粉塵進(jìn)行除塵效率對比，無防塵措施的濃度平均值為484，噴霧沉降技術(shù)的平均值為563.0，泡沫降塵技術(shù)的平均值為122.5，從中能夠看出，泡沫降塵技術(shù)具有良好的除塵效果。對比噴霧降塵技術(shù)與泡沫降塵技術(shù)的全塵除塵率，前者為49.8%，后者為75.3%；對比兩種技術(shù)在呼吸性粉塵濃度方面的除塵率，前者為58.1%，后者為74.6%，由此可見，泡沫降塵技術(shù)對比于噴霧降塵技術(shù)，具有良好的除塵效果，值得被推廣。根據(jù)目前的掘進(jìn)速度來看，共需發(fā)泡劑兩桶左右，每掘進(jìn)100cm投入成本約8000～9500元，泡沫降塵技術(shù)所花費(fèi)成本約占總成本的1.9%～2.3%，經(jīng)濟(jì)效果十分明顯。此外，該技術(shù)還能營造安全的工作環(huán)境，以免造成員工的肺部感染[9]。

5 結(jié)論

綜上所述，煤礦綜掘面粉塵量增加的過程中，應(yīng)用泡沫降塵技術(shù)予以處理，這不僅能夠提高粉塵吸附效率，而且還能抑制粉塵擴(kuò)散，該技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)性和安全性。增加適量發(fā)泡劑，能夠優(yōu)化泡沫性能，強(qiáng)化泡沫吸附性，此外，安裝適量噴頭還能全面包裹粉塵，以免粉塵自由擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)降塵目標(biāo)。泡沫降塵技術(shù)應(yīng)用后，能夠大大提高降塵技術(shù)水平，為降塵技術(shù)研究積累經(jīng)驗(yàn)，與此同時，有利于促進(jìn)煤礦掘進(jìn)工作按期完工，煤礦產(chǎn)品質(zhì)量也能得到保證，這對煤礦開采工作持續(xù)推進(jìn)有積極的促進(jìn)作用。