武光富

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307）

1 工程概況

黃陵礦業(yè)公司一號煤礦624 工作面對應(yīng)上覆地表為低山林區(qū)，溝壑縱橫，上覆巖層厚度在314～439 m 左右，平均巖層厚度為376 m 左右。624工作面位于六盤區(qū)西北部，東接北二進(jìn)風(fēng)巷，南鄰620 采空區(qū)，所采2#煤厚2.24～2.61 m，回采范圍內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬于穩(wěn)定煤層。2#煤層煤塵有爆炸危險性，煤層爆炸指數(shù)為35.59%。黃陵一號煤礦一直非常重視煤礦粉塵的防治工作，通過長期的經(jīng)驗積累和不斷的技術(shù)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，取得了階段性的效果，采煤工作面、掘進(jìn)工作面的粉塵濃度治理效果良好，但在礦井的粉塵綜合治理方面，仍存在以下幾方面的問題：（1）綜采工作面割煤工序附近粉塵濃度超標(biāo)，采煤機(jī)司機(jī)附近呼吸性粉塵達(dá)到300 mg/m3甚至更高；（2）噴霧降塵效果不佳，降塵工作耗水量巨大，但降塵效率不高。為進(jìn)一步降低井下作業(yè)現(xiàn)場的粉塵濃度，提高降塵效率，需開展相關(guān)研究應(yīng)用。

2 降塵用抑塵劑優(yōu)選

煤的潤濕性通常用來衡量煤塵顆粒與液體相互附著的難易程度。為進(jìn)一步提高礦井噴霧降塵的效果，應(yīng)采取一定措施提高噴霧溶液對煤塵的潤濕效果。煤塵潤濕性的測量方法有許多種，較為常用的有沉降法、毛細(xì)管上向滲透法、動力試驗法等。不同方法的測定步驟、時間成本、難易程度均存在明顯差異，經(jīng)過廣泛的對比分析[1-2]，確定采用上向毛細(xì)管滲透法進(jìn)行黃陵一號煤礦粉塵潤濕性測定。上向毛細(xì)管滲透法測定步驟為：（1）將礦井下采集的粉塵裝入一端有滲透膜封閉的毛細(xì)試管中；（2）試管有滲透膜封閉的一端與溶液接觸；（3）與溶液接觸一段時間后稱量粉塵的重量。根據(jù)粉塵增重的差異衡量粉塵對該溶液的潤濕性，其原理如圖1（a）。黃陵一號煤礦煤塵潤濕性測試實(shí)驗采用內(nèi)徑7 mm 的細(xì)管，在624 綜采工作面進(jìn)行粉塵取樣，將制備好的粉塵0.4 g 放入細(xì)管內(nèi)并稱重，將細(xì)管放入盛有20 mL 溶液的50 mL 燒杯中，10 min 后再稱量煤塵吸濕后的總重，增重量越大說明該溶液的潤濕能力愈強(qiáng)。

大多數(shù)礦井粉塵均具有疏水性，通過在水中加入一定量的表面活性劑可提高溶液的潤濕性、滲透性。溶液中的表面活性劑粒子間相互吸附形成膠團(tuán)，膠團(tuán)匯集在溶液表面，降低溶液表面張力值，進(jìn)而提高溶液對煤塵的潤濕效果。結(jié)合國內(nèi)相關(guān)研究成果[3-4]，初步選取烷基酸鹽系列（WJY）、烷基酚聚氧乙烯醚系列（WJF）表面活性劑作為降塵噴霧溶液的添加劑。在實(shí)驗室進(jìn)行毛細(xì)管上向滲透法測定不同濃度表面活性劑溶液的潤濕性，整理得到圖1（b）所示結(jié)果?？梢钥闯觯砑觾煞N表面活性劑后溶液對粉塵的潤濕性均比自來水有顯著增加。溶液濃度增大，對粉塵樣本的潤濕性隨之增加。隨溶液內(nèi)表面活性劑密度的增大，溶液內(nèi)膠團(tuán)數(shù)量、密度增大，溶液表面張力值明顯減小，使得潤濕性增強(qiáng)。溶液濃度在0.01%～0.1%之間變化時，粉塵吸濕量平穩(wěn)緩慢增大；當(dāng)溶液濃度在0.1%～1.0%間變化時，粉塵吸濕量明顯增大；溶液濃度大于1.0%繼續(xù)增大時，溶液濃度對吸濕量的影響減弱。說明當(dāng)膠團(tuán)濃度達(dá)到一定限度時，溶液表面已布滿膠團(tuán)，繼續(xù)增加的膠團(tuán)只能分布于溶液內(nèi)部，不能降低溶液表面的張力值。對比發(fā)現(xiàn)WJY 溶液的吸濕量顯著大于WJF 溶液。因此，初步選擇1.0%質(zhì)量濃度的烷基酸鹽系列溶液為黃陵一號煤礦降塵噴霧溶液。

圖1 活性劑溶液對粉塵樣本潤濕性測試原理及結(jié)果

在表面活性劑溶液中添加一定量的無機(jī)鹽可提高溶液的潤濕能力。參考相關(guān)研究成果可知，表面活性劑在溶液中解離出的活性離子形成擴(kuò)散雙電層，無機(jī)鹽溶解后作為電解質(zhì)能夠使雙電層進(jìn)一步壓縮，減弱活性離子間的排斥作用，表面活性劑聚集形成的膠團(tuán)增大，繼而提高潤濕能力。本次實(shí)驗選取NaCl、CaCl2、Na2SO4、Na2SiO3四種常見的無機(jī)鹽作為添加劑，與WJY、WJF 溶液進(jìn)行復(fù)配，仍通過上向毛細(xì)管滲透法測量粉塵的潤濕性，整理結(jié)果如圖2。

圖2 添加不同濃度無機(jī)鹽對粉塵吸濕量影響

圖 2（a）、（b）分別為質(zhì)量濃度為1.0%和0.5%的WJY 溶液在添加不同質(zhì)量無機(jī)鹽條件下吸濕性的測試結(jié)果。加入各種無機(jī)鹽后，煤樣的吸濕量明顯增大，當(dāng)無機(jī)鹽加入量達(dá)到一定程度后，粉塵樣本的吸濕量不增反降，因此添加的無機(jī)鹽應(yīng)適量。兩種溶液條件下粉塵樣本的吸濕量變化曲線說明，無機(jī)鹽的質(zhì)量占比不應(yīng)大于0.5%，其中加入Na2SO4對溶液潤濕能力的增強(qiáng)最為明顯。因此，確定黃陵一號煤礦噴霧溶液抑塵劑采用質(zhì)量濃度1.0%的烷基酸鹽系列溶液（WJY），并添加質(zhì)量占比0.5%的Na2SiO3無機(jī)鹽。

3 抑塵劑添加系統(tǒng)設(shè)計

黃陵一號煤礦為向井下噴霧系統(tǒng)內(nèi)加入表面活性劑，引進(jìn)抑塵劑添加系統(tǒng)（LDJY-200/SL）設(shè)備。該裝置采用文丘里效應(yīng)，通過收縮管增大流動液體的速度，減小其靜水壓力，通過壓力差提供外在吸力，將配置好的較高濃度表面活性劑溶液自動加注在降塵噴霧管路中，其原理如圖3（a）。對綜采工作面噴霧降塵系統(tǒng)的改造如圖3（b）。將工作面進(jìn)水管路分為進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷兩路，進(jìn)風(fēng)巷管路主要對采煤機(jī)內(nèi)外噴霧、液壓支架噴霧系統(tǒng)進(jìn)行供水，回風(fēng)巷管路主要對降塵水幕進(jìn)行供水，在供水管路支管上裝設(shè) LDJY-200/SL 型添加設(shè)備，達(dá)到使抑塵劑噴灑至各降塵噴霧位置的效果。

圖3 添加設(shè)備原理及工作面噴霧管路示意圖

4 降塵效果的考察與分析

624 工作面采煤機(jī)內(nèi)外噴霧、液壓支架架間噴霧、回風(fēng)巷全斷面噴霧、轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧均采用添加表面活性劑的自來水溶液，為驗證優(yōu)化后綜合噴霧的降塵效果，在工作面采煤機(jī)司機(jī)附近采用AKFC-92A 型礦用煤塵采樣器進(jìn)行粉塵監(jiān)測。結(jié)果表明，噴霧系統(tǒng)內(nèi)加入抑塵劑后全塵和呼塵的降塵效率分別由原來的64.6%、59.8%提高為83.7%、84.2%，降塵效率顯著提升。采用發(fā)射掃描電場得到全塵、呼塵的FESEM 圖像如圖4。結(jié)合X-射線能譜（EDX）分析結(jié)果，圖4（a）、（b）中顆粒物較多，主要組成元素為C、O、Si、Al 等，表明粉塵中存在較多的SiO2、Al2O3礦物顆粒，這些顆粒是引發(fā)礦工矽肺病和塵肺病等職業(yè)病的重要因素；圖4（c）、（d）中顆粒物明顯減少，且EDX 圖譜中Si、Al 顆粒基本消失，主要組成元素為C、O 及少量的Al、Si，表明添加抑塵劑后，噴霧對SiO2、Al2O3、CaO等礦物顆粒的去除效果良好，可顯著改善井下作業(yè)環(huán)境，有利于預(yù)防矽肺病、塵肺病等職業(yè)病。

圖4 回采面粉塵FESEM 圖像

5 結(jié)論

以黃陵一號煤礦624 工作面為背景，通過上向毛細(xì)管滲透法測量各類溶液對粉塵的潤濕性，得到噴霧系統(tǒng)應(yīng)采用質(zhì)量濃度1.0%的烷基酸鹽系列溶液，并添加質(zhì)量占比0.5%的Na2SiO3無機(jī)鹽，結(jié)合工作面供水管路設(shè)計抑塵劑自動添加系統(tǒng)。井下粉塵濃度監(jiān)測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，加入抑塵劑后采煤機(jī)司機(jī)處全塵和呼塵的降塵效率分別由原來的64.6%、59.8%提高為83.7%、84.2%，抑塵劑能夠顯著降低粉塵中SiO2、Al2O3等礦物顆粒的含量，顯著降低了采煤工作面的粉塵濃度，改善了現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境。