劉杰

(同煤集團煤峪口礦，山西 大同037041)

1 引言

由于我國煤炭生產(chǎn)機械化程度的提高，各種大型機械設備投入使用，雖然提高了煤礦生產(chǎn)效率，但是也導致了煤塵濃度的大幅提升。煤塵濃度太大不但會產(chǎn)生煤礦安全生產(chǎn)隱患，還會造成作業(yè)人員身體健康危害和煤塵進入機械設備內部造成磨損失效，甚至引發(fā)煤塵爆炸事故。因此，研究煤礦噴霧降塵技術具有重要的意義。

目前，國內的煤礦降塵技術主要有除塵器降塵、噴霧降塵、通風除塵以及煤層注水等方式。除塵器降塵存在體積大、移動困難、環(huán)境適應性差等缺點。廣泛應用的噴霧降塵技術，主要有內噴霧降塵系統(tǒng)和外噴霧降塵系統(tǒng)兩大類。就煤礦井下掘進機為例，內噴霧降塵系統(tǒng)由于密封裝置易發(fā)生磨損、堵塞等使得壽命短，更換困難，增加了作業(yè)人員的勞動強度。外噴霧降塵系統(tǒng)除塵效果差，而且容易造成生產(chǎn)作業(yè)面環(huán)境出現(xiàn)積水惡化。

2 煤塵產(chǎn)生過程及粉塵的運動規(guī)律

研究新型的煤塵降塵技術之前，首先應該了解煤塵產(chǎn)生的過程及煤塵的運動規(guī)律，進而選擇合理有效的降塵技術方案。

大數(shù)據(jù)顯示，煤礦井下的粉塵85%以上是由于采掘設備切割煤巖所造成。采掘機的截齒破碎煤巖，煤巖分散成粉末狀，由于體積小、質量輕，通過采掘機的能量傳遞，粉塵發(fā)生移動，同時也發(fā)生二次破碎，從而形成大規(guī)模的粉塵彌漫。

通過模型的數(shù)值分析可知粉塵的運動規(guī)律。煤礦井下采掘工作面的粉塵運動方向不固定，可以順風擴散、逆風擴散、橫向擴散、縱向擴散，呈現(xiàn)無規(guī)則擴散運動。粉塵的擴散受到采掘機的風流的影響。距采掘機越近，粉塵的濃度越大。

3 噴霧泡沫降塵技術

噴霧泡沫降塵裝備，通過噴霧泡沫作用于煤塵，使得煤塵被全面包裹，有效地阻礙了煤塵的產(chǎn)生、擴散，從而實現(xiàn)了“兩低一高”，即降低了煤塵的濃度、降低了除塵成本以及提高了除塵效率。大大改善了井下生產(chǎn)工作面的環(huán)境，提高了生產(chǎn)效率，保障了生產(chǎn)安全，同時也降低了煤礦生產(chǎn)作業(yè)人員塵肺病的發(fā)病率。

3.1 噴霧泡沫降塵的機理與特點

噴霧泡沫降塵機理與特點：(1)泡沫噴射到塵源處，形成緊密無隙的泡沫體包圍覆蓋和阻斷塵源，濕潤和抑制粉塵，阻止粉塵向外界擴散。(2)泡沫液噴射到含有粉塵的空氣中，由于泡沫體積迅速膨脹，泡沫群的總體積和總面積增大，這樣可以大大增加與塵粒的碰撞概率。(3)泡沫的液膜中含有發(fā)泡劑，由于發(fā)泡劑具有張力削弱作用，同時發(fā)泡劑分子在泡沫表面上的粉塵顆粒接觸吸附，能快速改變粉塵的濕潤性能，大幅度增加粉塵被濕潤的速度。(4)泡沫具粘性，只要粉塵和泡沫一接觸就會將粉塵迅速粘附在泡沫上，不會出現(xiàn)粉塵外泄現(xiàn)象，進而增加了泡沫和粉塵的粘附效率。據(jù)多次仿真實驗及煤礦井下現(xiàn)場調試，確定發(fā)泡劑添加量按體積分數(shù)為0.5%添加時效果最佳。

通過發(fā)泡器裝置產(chǎn)生大體積高倍數(shù)的液、氣兩相泡沫，由噴霧泡沫系統(tǒng)的噴嘴向掘進機切割煤巖部位噴射。噴出的泡沫通過截留、碰撞、擴散、粘附等方式作用在擴散的粉塵上，有效降低了粉塵的濃度。泡沫除塵與傳統(tǒng)的除塵技術相比，具有用水量少、除塵效率高等顯著特點。

3.2 噴霧泡沫降塵系統(tǒng)結構

噴霧泡沫降塵用的泡沫是由空氣、水、發(fā)泡劑以及助劑經(jīng)過物理發(fā)泡而成。將發(fā)泡劑加到水中降低了水的表面張力，再通過發(fā)泡器發(fā)泡產(chǎn)生大量的細膩均勻泡沫，通過壓縮空氣或者水力引射的作用噴灑到塵源上或空氣中。

噴霧泡沫降塵系統(tǒng)主要有發(fā)泡裝置和風水管路等系統(tǒng)組成。水流管路中的流量為0.8 m3/h，壓力為0.5～0.8 MPa，水流注于發(fā)泡器內。然后設置流量為45～85 m3/h，壓力為0.5～0.8 MPa的氣流管路，連接于發(fā)泡器。應用負壓引射進行混合操作，最后在掘進機設備上方有序地設置發(fā)泡劑箱體、發(fā)泡器以及添加裝置，借助這一裝置將泡沫運輸?shù)讲煌陌l(fā)射口，發(fā)射口設有調節(jié)裝置，可以根據(jù)作業(yè)要求、粉塵大小，進行調節(jié)，有效地抑制粉塵擴散。

4 應用效果

發(fā)泡倍數(shù)≥19 倍，水管流量≥0.8 m3/h，氣管流量≥16 m3/h，水管壓力和氣管壓力控制在0.5～0.8 MPa，每小時的耗水量1 m3，發(fā)泡劑濃度為0.75%～0.85%，每小時產(chǎn)生的泡沫量≥18 m3。

該技術應用于某煤礦，在掘進工作面巷道寬4.6 m，高3.5 m，掘進方式為縱軸式掘進機，系統(tǒng)所用的風水管路采用工作面相應的管路。采用粉塵測量儀，不同條件下的粉塵分析結果見表1。

通過表格數(shù)據(jù)對比，無任何防塵措施的粉塵濃度高，傳統(tǒng)噴霧降塵時粉塵濃度中等，噴霧泡沫降塵時粉塵濃度最低。說明噴霧泡沫降塵技術的除塵效果明顯，值得推廣應用。

表1 不同條件下降塵效率對比（mg/m3）

結束語

綜上所述，煤礦井下巷道采掘作業(yè)面粉塵彌漫，采用噴霧泡沫降塵技術提高了粉塵的吸附效率，抑制了粉塵的擴散。采用噴霧泡沫降塵技術大幅地降低了粉塵深度，一方面為降塵技術研究積累經(jīng)驗，更重要的是促進了采掘作業(yè)的工作效率，保障了作業(yè)人員的身體健康，有效地促進了煤礦事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。