喬寧寧

(霍州煤電集團(tuán) 三交河煤礦，山西 臨汾 041600)

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，在綜采工作面粉塵防治方面，我國(guó)已發(fā)展了煤層注水、噴霧灑水、通風(fēng)除塵等多種措施，在所有措施中，噴霧除塵是最為傳統(tǒng)有效的措施，尤其液壓支架?chē)婌F對(duì)采煤機(jī)截割產(chǎn)塵及液壓支架移架產(chǎn)塵均起著至關(guān)重要的作用，是綜采工作面所有防塵措施中最為重要的措施。但是，現(xiàn)有的綜采工作面液壓支架?chē)婌F存在明顯的缺陷，主要體現(xiàn)在液壓支架人行道處一直未設(shè)置除塵措施，是綜采工作面的防塵盲區(qū)。清水的表面張力較大，煤塵是疏水性物質(zhì)，很難與清水直接凝結(jié)、沉降，致使工作面的粉塵濃度一直居高不下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人的身體健康造成了嚴(yán)重危害[1-2]。因此研究三交河煤礦采煤工作面高效抑塵技術(shù)及裝備，尋求針對(duì)高效抑塵的關(guān)鍵技術(shù)，是礦井目前急需解決的重要課題，可為其他礦區(qū)采煤工作面的粉塵防治起到示范和借鑒作用，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

三交河煤礦2-2-602工作面2-2煤層總厚度為1.03～2.76 m，平均厚度2.06 m，硬度f(wàn)值為2.0，煤層層理中等發(fā)育，煤層節(jié)理中等發(fā)育，煤層傾角1～3°，平均2°.工作面設(shè)計(jì)為一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，2-2-6022巷道斷面11.2 m2，巷道斷面采用矩形斷面。三交河煤礦十分重視煤礦粉塵的防治工作，通過(guò)長(zhǎng)期不懈的努力和創(chuàng)新，已經(jīng)形成了具有自己特色的礦井綜合防塵技術(shù)和工藝，取得了一定的效果，使采煤工作面的粉塵濃度得到了較好的控制，保證了礦井的高效生產(chǎn)和礦工的身體健康。但在礦井的粉塵綜合治理方面，仍存在以下幾方面的問(wèn)題：①綜采工作面采煤、移架產(chǎn)生的總粉塵濃度高，在采煤機(jī)內(nèi)外噴霧都開(kāi)啟時(shí)呼吸性粉塵也在300 mg/m3甚至更高，且呈上升趨勢(shì)，粉塵濃度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于《煤礦安全規(guī)程》和國(guó)家勞動(dòng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限度；②原有的綜采面采煤機(jī)割煤的外噴霧器及支架?chē)婌F器降塵的結(jié)構(gòu)不理想，霧化效果不好，降塵效果不佳，且影響工人工作； 清水的抑塵效果不佳，致使工作面在消耗大量清水的情況下仍然未能有效降低粉塵濃度。因此，解決現(xiàn)實(shí)礦井綜合控塵存在的種種問(wèn)題，提出合理的噴霧器和噴霧降塵工藝改進(jìn)措施，提高降塵效率，具有十分重要的意義。

2 降塵用抑塵劑優(yōu)選

大多數(shù)礦井粉塵均具有疏水性，在水中加入表面活性劑，可提高潤(rùn)濕效果，由于煤塵通常帶有負(fù)電荷，因此表面活性劑通常選用陰離子，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果[3-4]，初步選擇以下9種活性劑：①十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)；②十二烷基硫酸鈉(SLS)；③脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)；④二丁基萘磺酸鈉(BX)；⑤磺化琥珀酸二辛酯鈉鹽(T)；⑥脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)；⑦脂肪酸烷醇酰胺(NOS)；⑧脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)；⑨烷基糖苷(APG)；溶液表面張力是由于液體分子間的相互吸引力，添加表面活性劑可減小溶液的表面張力，從而提高溶液潤(rùn)濕固體的能力，提高噴霧的捕塵能力，在實(shí)驗(yàn)室采用鉑金環(huán)法測(cè)定不同濃度溶液的表面張力，其原理如圖1所示，鉑金環(huán)脫離液體形成的薄膜破裂時(shí)的最大拉力即為表面張力的初測(cè)值，所用純水的表面張力值為69.09 mN/m.

圖1 活性劑溶液表面張力測(cè)試原理及結(jié)果

根據(jù)圖2所示結(jié)果可以看出，各種活性劑溶液的表面張力均小于純水，表明初選的表面活性劑均有增強(qiáng)溶液潤(rùn)濕性的效果。隨著各種表面活性劑溶液濃度的增大，表面張力值呈逐漸減小趨勢(shì)，當(dāng)溶液濃度上升到一定水平后，表面張力值減小程度明顯下降，此時(shí)溶液的濃度為臨界膠束濃度(CMC)，此時(shí)溶液具有較好的捕塵效果，所選表面活性劑的CMC質(zhì)量濃度約0.05%.BX、NOS溶液的表面張力值減小不明顯，而AES、AEO、FMEE溶液表面張力值減小最為顯著，因此優(yōu)選出AEO、FMEE、AES進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)，設(shè)計(jì)本次復(fù)配試驗(yàn)的溶液質(zhì)量濃度為0.04%，按照3∶1的比例對(duì)3種材料進(jìn)行組合，各種溶液的表面張力值及煤塵沉降時(shí)間的測(cè)定數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)復(fù)配溶液的張力值和煤塵沉降時(shí)間可知，質(zhì)量濃度0.03%AES與質(zhì)量濃度0.01% FMEE溶液的表面張力值最小，且煤塵的沉降時(shí)間最短，因此確定三交河煤礦降塵用潤(rùn)濕劑采用此配比。

圖2 WGSCW-1型新型外噴霧除塵裝置

3 綜采面采煤機(jī)及支架?chē)婌F裝置優(yōu)化

3.1 采煤機(jī)噴霧高效噴霧裝置

當(dāng)采煤機(jī)逆風(fēng)割煤時(shí)，傳統(tǒng)式外噴霧不能取得良好的降塵效果，造成此問(wèn)題的關(guān)鍵是工作面通風(fēng)風(fēng)流、滾筒旋轉(zhuǎn)、噴霧逆風(fēng)等因素在采煤機(jī)前部形成渦流，導(dǎo)致割煤產(chǎn)生的粉塵彌散至整改作業(yè)面，為了克服三交河煤礦綜采面采煤機(jī)噴霧存在的弊端，以有效控制采煤機(jī)產(chǎn)塵，擬引進(jìn)山東科技大學(xué)研制的WGSCW-1型新型外噴霧除塵裝置，該裝置如圖2所示，負(fù)壓吸塵能力強(qiáng)，水幕扇角固定，具有一定的負(fù)壓二次除塵功能。

表1 復(fù)配表面活性劑溶液表面張力值和煤塵沉降時(shí)間

3.2 架間噴霧裝置

因煤體酥松，綜采液壓支架移動(dòng)時(shí)，能產(chǎn)生大量的粉塵。為了有效地抑制移架時(shí)的產(chǎn)塵，針對(duì)三交河煤礦綜采面液壓支撐掩護(hù)式支架的現(xiàn)狀，現(xiàn)將原有的噴霧降塵裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)采用SC型噴霧降塵裝置解決移落架期間降塵問(wèn)題。該裝置由固定、噴霧和吸塵除塵三部分組成，水平方向上可360°旋轉(zhuǎn)調(diào)整角度，噴嘴后方負(fù)壓場(chǎng)可將攜帶粉塵的風(fēng)流由后方及側(cè)方吸入噴霧場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了采煤工作面全斷面除塵，其形式原理如圖3所示。

4 采區(qū)抑塵劑自動(dòng)添加裝置

添加裝置是抑塵劑在煤礦現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用的重要因素，但是現(xiàn)有的抑塵劑添加裝置均不能具備連續(xù)定量添加、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高和添加量大等特點(diǎn)，不能真正適用于井下的復(fù)雜環(huán)境。可適用于2-2-602綜采工作面的抑塵劑自動(dòng)添加裝置，抑塵劑直接添加至采區(qū)的防塵管路中，使采區(qū)的的采煤工作面、掘進(jìn)工作面等主要用水地點(diǎn)均用上帶有抑塵劑的防塵用水，以有效降低采煤工作面等的粉塵濃度。擬研制的采區(qū)抑塵劑自動(dòng)添加裝置采用電動(dòng)模式，由智能電磁流量計(jì)、PLC控制器、柱塞式計(jì)量泵等組成，智能電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)到采區(qū)防塵管路中的水流速度后，將信號(hào)傳輸至PLC控制器，PLC控制器再控制柱塞式計(jì)量泵將一定數(shù)量的降塵劑自動(dòng)添加到水管中，實(shí)現(xiàn)防塵水管中降塵劑的自動(dòng)連續(xù)定量添加。井下工人可通過(guò)操作顯示器在量程范圍內(nèi)自由控制抑塵劑的添加量，其原理如圖4所示。

圖3 SC型風(fēng)水噴霧除塵器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果示意

圖4 擬研制添加裝置工作示意

5 噴霧降塵系統(tǒng)效果的考察與分析

為驗(yàn)證優(yōu)化后綜合噴霧技術(shù)的降塵效果，三交河煤礦2-2-602綜采工作面生產(chǎn)期間進(jìn)行割煤、移架工序粉塵濃度的測(cè)定，得到原噴霧方案與優(yōu)化后噴霧方案條件下全塵及呼塵濃度的變化規(guī)律如圖5所示，由圖5(a)所示結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的噴霧降塵條件下，采煤機(jī)附近的全塵和呼塵濃度均顯著降低，全塵濃度的峰值由559.5 mg/m3減小為371.8 mg/m3，全塵的降塵效率提高約33.5%；呼吸性粉塵降塵效率提高約44.0%，割煤工序降塵效率顯著提高；移架工序全塵、呼塵降塵效率分別提高34.7%、40.3%，綜上可知，采用優(yōu)化后的噴霧降塵方案，顯著降低了工作面的粉塵濃度。

圖5 粉塵濃度前后對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)各種初選抑塵劑材料溶液表面張力值試驗(yàn)測(cè)試，優(yōu)選出非離子表面活性劑AEO、FMEE及陰離子表面活性劑AES3種材料進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)，根據(jù)復(fù)配溶液的表面張力值和煤塵沉降時(shí)間，確定噴霧降塵溶液為質(zhì)量濃度0.03%AES與質(zhì)量濃度0.01% FMEE溶液，結(jié)合采煤機(jī)外噴霧的缺陷，設(shè)計(jì)WGSCW-1型新型外噴霧除塵裝置，液壓支架間引進(jìn)SC型風(fēng)水噴霧除塵器，設(shè)計(jì)抑塵劑自動(dòng)添加裝置，2-2-602綜采工作面采用優(yōu)化后的噴霧系統(tǒng)生產(chǎn)期間，采煤機(jī)割煤工序和液壓支架移架工序粉塵降塵效率提高30%以上，優(yōu)化后的噴霧降塵取得了更好的降塵效果。