畢建乙

(山西臨汾西山生輝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000)

近些年來受到新冠疫情和國際局勢的影響，作為中國基礎(chǔ)性能源的煤炭在國內(nèi)的能源消費(fèi)比重越來越大。從2018年開始，我國煤炭產(chǎn)量逐年升高，2019年、2020年、2021年原煤產(chǎn)量分別高達(dá)38.5億t、39.0億t、41.3億t[1-2].隨著科技的迅猛發(fā)展，近年來國內(nèi)礦井的主要采煤工藝為一次采全高或綜合機(jī)械化放頂煤采煤方式，隨著工作面機(jī)械化程度的不斷提高，極大加強(qiáng)了開采強(qiáng)度以及生產(chǎn)集中度，但同時(shí)工作面粉塵量也明顯升高，使得工作面作業(yè)環(huán)境明顯變差。很多煤塵隨著進(jìn)風(fēng)流進(jìn)入作業(yè)地點(diǎn)，懸浮在其中，工作面能見度嚴(yán)重下降，影響采掘機(jī)司機(jī)的視線，對(duì)安全生產(chǎn)造成一定的影響[3-5]?，F(xiàn)階段國內(nèi)每年由于塵肺病死亡的職工已超過同期礦井其他各類安全生產(chǎn)事故死亡的總?cè)藬?shù)。同時(shí)，工作面含有高濃度煤塵，存在煤塵爆炸的安全隱患。十八大之后，中國越來越重視職業(yè)衛(wèi)生防護(hù)工作，相繼在《煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理體系基本要求及評(píng)分方法(試行)》(2020年版本，自2020年7月1日?qǐng)?zhí)行)、《綜采工作面綜合防塵技術(shù)規(guī)范》(MT/T 1188—2020，自2021年1月1日?qǐng)?zhí)行)、《綜掘工作面綜合防塵技術(shù)規(guī)范》(MT/T 1189—2020，自2021年1月1日?qǐng)?zhí)行)、《煤礦安全規(guī)程》(2022版，自2022年4月1日?qǐng)?zhí)行)中，強(qiáng)調(diào)采掘面的粉塵傳感器的懸掛位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面粉塵濃度，保障職工的身心健康；尤其是在《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》中高度強(qiáng)調(diào)了必須嚴(yán)格加強(qiáng)職業(yè)病危害源頭治理工作，有效降低塵肺病發(fā)生率[6-7]。為充分?jǐn)r截工作面粉塵，研發(fā)出一種粉塵高效治理技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。

當(dāng)前礦井工作面所采用防塵技術(shù)主要包括：煤層注水[8]、噴霧降塵[9]、泡沫除塵[10]等，特別是噴霧除塵，因使用簡單方便、價(jià)格低，在礦井綜采面回采時(shí)得到了廣泛應(yīng)用。其雖然具有一定的防塵效果，但是因煤塵自身疏水性較強(qiáng)，使用普通水的噴霧很難較快潤濕煤塵，特別是那些對(duì)職工影響嚴(yán)重的呼塵。另外，因礦井工作面回采深度逐年增加，且生產(chǎn)規(guī)模也在擴(kuò)大，使得工作面配風(fēng)量也在增加，在空氣流場的作用下，常規(guī)噴霧很難形成封閉霧場對(duì)采煤機(jī)割煤、移架等環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行有效攔截，難以充分隔斷煤塵從機(jī)道擴(kuò)散至人行道，無法達(dá)到工作面粉塵治理的標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)工作面降塵用水濕潤能力差、滲透系數(shù)小等問題，科研工作者做了大量的試驗(yàn)研究，并取得了一定的成果。秦波濤等[11]在平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦24130智能綜采工作面現(xiàn)場實(shí)踐證明：活性磁化水霧化封閉塵源降塵技術(shù)可明顯降低綜采面粉塵濃度，其全塵和呼塵降塵效率分別高達(dá)90.8%、85.3%，有效改善了工作面人員的作業(yè)條件，也增強(qiáng)了智能工作面監(jiān)控視頻清晰度，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控人員正常調(diào)控智能化設(shè)備的目的。劉金璐等[12]通過測試陰離子和非離子單體活性劑溶液，進(jìn)行溶液表面張力和霧化效率的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)磁化復(fù)配表面活性劑結(jié)合壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴，霧化效果明顯提高，達(dá)到74.8%，耦合協(xié)同霧化增效效果顯著，改善霧化降塵能力，有效降低煤塵對(duì)作業(yè)人員的影響。李新龍等[13]在首山一礦開展綜采面活性磁化水噴霧降塵技術(shù)試驗(yàn)，結(jié)果證明：此技術(shù)降塵效果明顯，各測點(diǎn)全塵、呼塵降塵效率分別高達(dá)88.52%、84.67%.

因此，為保證職工的健康、高效治理工作面煤塵，本文通過分析20100綜放面煤樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)，結(jié)合研究強(qiáng)濕潤性活性磁化水降塵機(jī)理[14-16]，研發(fā)了適用于生輝煤業(yè)綜放面高效噴霧抑塵技術(shù)。

1 生輝煤業(yè)20100綜放面粉塵治理現(xiàn)狀

山西焦煤集團(tuán)西山煤電公司生輝煤業(yè)20100工作面屬于綜放面，所采煤層為9+10+11號(hào)煤層，聯(lián)合開采，煤層平均厚度6.5 m，直接頂為K2石灰?guī)r，厚度為12.46 m；采用綜采放頂煤采煤方法，采高為2.6 m，放頂煤為3.9 m，采放比為1∶1.5.

可采走向長度為206 m，開切眼長146 m，運(yùn)輸巷長490 m，回風(fēng)巷長350 m.該煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)單一，煤層傾角約為14°，回采速度較快。

通過現(xiàn)場粉塵測試發(fā)現(xiàn)，20100綜放面回采時(shí)粉塵濃度較大，全塵平均瞬時(shí)濃度超過1 100 mg/m3、呼吸性粉塵平均瞬時(shí)濃度超過700 mg/m3，對(duì)礦井的安全、高效生產(chǎn)以及工作人員的身心健康均造成巨大的威脅。該工作面粉塵濃度較大，難以治理的原因有：①煤種為肥煤，煤體屬于碎裂煤，導(dǎo)致回采期間粉塵量較大，難以沉降和潤濕；②工作面配風(fēng)量較大，使得回采期間形成大量的粉塵，可在很短的時(shí)間內(nèi)順著風(fēng)流擴(kuò)散，無法有效除塵[17-18]。

2 煤塵理化試驗(yàn)研究

礦井粉塵防治的重點(diǎn)為綜放面浮塵治理，通過研究生輝煤業(yè)20100綜放面粉塵的化學(xué)結(jié)構(gòu)及粒徑分布規(guī)律，對(duì)粉塵危害程度進(jìn)行評(píng)估，獲得粉塵治理重點(diǎn)位置，進(jìn)而科學(xué)地指導(dǎo)粉塵治理，采取有針對(duì)性的防治技術(shù)。

2.1 定量分析粉塵化學(xué)結(jié)構(gòu)

為研究影響生輝煤業(yè)粉塵治理困難的因素，采取定量分析煤樣的主要官能團(tuán)結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)煤塵內(nèi)部存在無數(shù)的疏水性基團(tuán)，主要官能團(tuán)結(jié)構(gòu)是取代苯類、C=C、C-H、—CH3/—CH2—等，占比高達(dá)57.42%，具體如圖1所示，再次表明生輝煤業(yè)煤塵疏水能力較強(qiáng)，所以開展噴霧降塵時(shí)，需要增強(qiáng)噴霧用水的濕潤能力，提高霧滴結(jié)合煤塵的能力。

圖1 主要官能團(tuán)占比情況

2.2 分散度研究

為掌握生輝煤業(yè)綜放面粉塵危害特征，在生輝煤業(yè)20100綜放面設(shè)計(jì)7個(gè)粉塵監(jiān)測采樣點(diǎn)。借助激光粒度分析儀(型號(hào)為BETTERSIZE2600)，對(duì)7個(gè)采樣點(diǎn)開展粒徑分析，測試結(jié)果見表1，工作面粉塵測試示意如圖2所示，其中有6個(gè)測點(diǎn)監(jiān)測中間巷采煤司機(jī)位置、采煤機(jī)回風(fēng)側(cè)15 m處、移架工位置，1、2、3分別為中間巷上風(fēng)側(cè)，5、6、7分別為中間巷下風(fēng)側(cè)；測點(diǎn)4為回風(fēng)巷距工作面端頭15 m處。

表1 測試結(jié)果

圖2 工作面粉塵測試示意

測點(diǎn)1和測點(diǎn)5為采煤機(jī)司機(jī)作業(yè)地點(diǎn)，因采煤機(jī)割煤的影響，此處分布著大量的小粒徑浮塵，占比很大，D50粉塵粒徑分別為10.53 μm、7.36 μm，嚴(yán)重影響采煤司機(jī)的身心健康。通過對(duì)工作面不同地點(diǎn)粉塵粒度的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，粉塵擴(kuò)散階段，較大粒徑的粉塵開始下沉，使得處于采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)較遠(yuǎn)的區(qū)域存在較小粒徑的粉塵；將上、下風(fēng)側(cè)的粉塵粒徑進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)增加風(fēng)量會(huì)影響大粒徑粉塵的下降，致使粉塵難以下沉。所以在割煤、移架時(shí)重點(diǎn)加強(qiáng)粉塵治理，將會(huì)有助于改善工作面的作業(yè)環(huán)境。

3 制備活性磁化水工藝

3.1 濕潤粉塵特征

為提高綜放面降塵用水的濕潤能力，利用磁化、表面活性劑具有提高降塵用水濕潤能力的特點(diǎn)，聯(lián)合太原理工大學(xué)開發(fā)一種具有強(qiáng)濕潤能力的降塵劑——活性磁化水。制備方法為將濃度為0.03%活性添加劑按照4 m/s的速度通過300～350 mT磁場。為研究活性磁化水降塵特征，對(duì)接觸角、降塵效率及粉塵沉降時(shí)間開展試驗(yàn)研究，憑借接觸角測定儀(型號(hào)為JGW-360B)測試獲得接觸角，借助太原理工大學(xué)研發(fā)的降塵系統(tǒng)獲得降塵效率，通過測定降塵措施前后的粉塵濃度計(jì)算除塵效率，具體方法見公式(1)。在生輝煤業(yè)20100綜放面取試驗(yàn)煤樣，借助球磨機(jī)獲得試驗(yàn)所需要的粉塵(粒徑D50小于10 μm)，主要用途為制備接觸角測試煤片和開展降塵特征測試試驗(yàn)。

(1)

式中：η為降塵效率，%；c為實(shí)施降塵措施前的粉塵濃度，mg/m3；c1為實(shí)施降塵措施后的粉塵濃度，mg/m3.

圖3為活性磁化水的降塵特征，依靠表面活性劑和磁化的協(xié)同增效作用產(chǎn)生的活性磁化水可產(chǎn)生較佳的濕潤粉塵特征。與純水相比，活性磁化水接觸角由71.12°減小到27.38°，降低了62%；另外因煤塵中存在一定量的疏水性基團(tuán)，例如芳香烴、脂肪烴等，導(dǎo)致煤粉放置到純水中24 h依然難以沉降下去，但是在活性磁化水溶液中粉塵卻可以很快完全沉降下去，只需60.23 s即可，證明溶液濕潤粉塵的能力較強(qiáng)。為發(fā)揮活性磁化水的降塵能力，此次試驗(yàn)通過降塵試驗(yàn)裝置研究活性磁化水降塵特征。由圖3可知發(fā)現(xiàn)，與純水對(duì)比，活性磁化水的降塵效率明顯提高，由43.49%升高至80.27%.試驗(yàn)結(jié)果表明，在表面活性劑與磁化的雙重影響下，活性磁化水顯著提高了濕潤粉塵能力，發(fā)揮出了較好的降塵效果。

圖3 降塵特征

3.2 高效制備活性磁化水工藝

為了安全高效制備綜放面的活性磁化水，設(shè)計(jì)高效制備活性磁化水工藝，如圖4所示，主要由4個(gè)系統(tǒng)組成，分別為添加系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、噴霧加壓系統(tǒng)以及磁化系統(tǒng)。

圖4 活性磁化水配備流程

因在制備活性磁化水過程中，需要濃度為0.03%的活性劑溶液，所以活性磁化水安全高效制備的核心問題是小劑量添加活性劑的工藝研究。如果直接采用加入純活性劑以配置濃度為0.03%活性劑溶液，因添加的藥劑量體積小，通過負(fù)壓抽吸或風(fēng)動(dòng)添加難以實(shí)現(xiàn)。因此，通過二次稀釋的手段來獲取濃度0.03%的活性劑溶液，首先配置濃度5%的濃活性劑溶液，接著通過改變定量添加泵的轉(zhuǎn)速，同時(shí)根據(jù)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確得到濃度為5%的濃活性劑溶液所要添加的體積，借助靜態(tài)混合器平均混合濃度為5%的濃活性劑溶液和降塵用水，最終配置成濃度為0.03%的活性劑溶液。另外，此降塵工藝的降塵原理為通過水霧捕捉采煤工作面粉塵，所以活性磁化水需要達(dá)到一定的壓力。然而因?yàn)椴煌鳂I(yè)地點(diǎn)生產(chǎn)用水的影響，防塵用水的水壓相當(dāng)不平穩(wěn)，想取得恒定的噴霧壓力達(dá)到最佳的霧化效果高效降塵，就要求配置濃度為0.03%的活性劑溶液必須借助噴霧加壓裝置得到足夠的壓力，最后利用磁化裝置獲得活性磁化水。

4 現(xiàn)場實(shí)踐

活性磁化水噴霧降塵技術(shù)的試驗(yàn)地點(diǎn)選在生輝煤業(yè)20100綜放面，此工作面主要以采煤機(jī)噴霧與架間噴霧配合進(jìn)行除塵。根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，噴霧用水量基本穩(wěn)定在200 L/min，計(jì)算得到濃度為5%活性劑添加量約是72 L/h.利用磁化裝置以及加壓系統(tǒng)獲得噴霧壓力為6 MPa的活性磁化水，對(duì)工作面的噴霧裝置進(jìn)行優(yōu)化，形成高效的霧化效果，達(dá)到對(duì)采煤機(jī)割煤期間的塵源全覆蓋，采煤機(jī)濕式除塵器具體霧化效果如圖5所示。

圖5 采煤機(jī)濕式除塵器霧化效果

根據(jù)生輝煤業(yè)20100綜放面的現(xiàn)場實(shí)踐效果，發(fā)現(xiàn)工作面生產(chǎn)期間的粉塵濃度明顯下降，尤其是呼吸性粉塵。通過對(duì)7個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場粉塵采樣實(shí)測發(fā)現(xiàn)，全塵降塵效率均大于85%，呼吸性粉塵降塵效率均大于80%，如圖6所示。

圖6 各測點(diǎn)降塵情況

呼吸性粉塵平均降塵率為84.71%，與純水降塵效率對(duì)比增加了44.53%；全塵平均降塵率為88.49%，與純水降塵效率對(duì)比增加了41.82%；工作面回風(fēng)巷距端頭10～15 m處的呼吸性粉塵濃度由785.2 mg/m3減小到98.6 mg/m3，工作面的作業(yè)環(huán)境得到明顯改善。采取措施前后工作面情況如圖7和圖8所示。

圖7 未采取降塵措施時(shí)工作面情況

圖8 采取活性磁化水降塵后工作面情況

5 結(jié) 語

1) 綜放面采煤機(jī)割煤期間，產(chǎn)生大量的小粒徑浮塵。煤樣具有較強(qiáng)的疏水性，其中取代苯類、C=C、C—H、—CH3/—CH2—官能團(tuán)占比高達(dá)57.42%.

2) 試驗(yàn)表明，活性磁化水降塵能力較強(qiáng)，與純水相比，其接觸角減小了62%，沉降時(shí)間只需要60.23 s，降塵效率增加了36.88%，升至80.27%.研發(fā)了高效制造活性磁化水工藝。

3) 活性磁化水噴霧降塵技術(shù)能有效治理生輝煤業(yè)20100綜放面粉塵?，F(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果表明：全塵平均降塵效率為88.49%、呼吸性粉塵平均降塵效率為84.71%，顯著改善了工作面的作業(yè)環(huán)境，為工作面的安全高效采煤提供了有力保障。