陳建忠 王穩(wěn)飛 張軍偉

（1.中國(guó)平煤神馬控股集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦，河南 平頂山 467000）

開采煤炭的機(jī)械化程度近年來在不斷提高，生產(chǎn)過程中包括采煤和運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的粉塵也隨之顯著增加。若不采取任何處理措施，綜采面的粉塵濃度最高能達(dá)到3000 mg/m3以上[1-4]，綜掘面粉塵濃度可能超過 1000 mg/m3，而呼吸性粉塵濃度可達(dá) 400 mg/m3以上[5-7]。井下粉塵可能導(dǎo)致環(huán)境污染，引發(fā)塵爆，對(duì)工人身體健康和礦用機(jī)械的使用壽命造成危害[8-12]。國(guó)家規(guī)定井下全塵和呼吸性粉塵濃度不得超過4 mg/m3、 2.5 mg/m3。 目前常規(guī)防塵措施無(wú)法滿足規(guī)定要求。因此，研究用于提高煤礦井下粉塵防治能力的技術(shù)方法，具有非常重要的意義。

1 概況

平煤八礦絕對(duì)瓦斯涌出量1.5 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量14.1 m3/t。己15-21050 綜采工作面機(jī)巷位于二水平己一采區(qū)中部，東起二水平己一、一水平己五采區(qū)邊界，西至采區(qū)下山，采用EBZ-200 掘進(jìn)機(jī)按方位角118°11′17″沿己15 煤層頂板施工至切眼位置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)1 606.3 m，井下標(biāo)高-860～ -770 m，煤層平均厚度3.6 m，平均煤層傾角12°。己15-21050 機(jī)巷支護(hù)斷面規(guī)格為寬×高=5.2 m×3.2 m 的斜梯形斷面，采用錨網(wǎng)索＋W 鋼帶支護(hù)。該煤層煤體硬度高，綜掘機(jī)截割過程中粉塵量較大。同時(shí)，該煤層屬于高瓦斯煤層，掘進(jìn)過程中通風(fēng)量比較大，致使現(xiàn)有水霧無(wú)法有效包裹截割頭，造成大量粉塵逸散。逸散的粉塵嚴(yán)重污染了井下環(huán)境，不利于井下工作人員的身心健康。

2 綜掘面產(chǎn)塵特性

1）掘進(jìn)機(jī)截割頭在破煤掘進(jìn)時(shí)，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的截割頭破碎煤層，產(chǎn)生大量粉塵，煤塵在轉(zhuǎn)動(dòng)的截割機(jī)的作用下，不斷漂浮擴(kuò)散，飛揚(yáng)在巷道中。這種產(chǎn)塵方式是造成掘進(jìn)工作面粉塵濃度大的最主要原因，該處產(chǎn)塵量占整個(gè)掘進(jìn)面產(chǎn)塵量的80%以上。

2）在對(duì)掘進(jìn)面進(jìn)行支護(hù)時(shí)，用錨桿鉆機(jī)進(jìn)行打鉆作業(yè)，鉆機(jī)鉆頭高速轉(zhuǎn)動(dòng)截割煤體，使煤體破碎，伴隨煤塵產(chǎn)生。

3）掘進(jìn)機(jī)破碎的煤塊會(huì)通過膠帶運(yùn)輸機(jī)多次轉(zhuǎn)載運(yùn)輸?shù)蕉郊阂黄律?，在運(yùn)輸過程中，因摩擦和振動(dòng)，使得原本相對(duì)靜止的煤塵會(huì)重新飛揚(yáng)起來。尤其是在有高度落差的轉(zhuǎn)載點(diǎn)處，碎煤從高點(diǎn)落下過程中部分煤塵飛揚(yáng)起來，落下后，煤堆受到震蕩，激起煤塵。己15-21050 掘進(jìn)工作面有兩處高度落差的轉(zhuǎn)載點(diǎn)，飛揚(yáng)大量的煤塵，污染掘進(jìn)工作面的空氣。

3 粉塵理化特性研究

現(xiàn)場(chǎng)通過CCZ-20 型粉塵采樣器對(duì)己15-21050機(jī)巷綜掘面粉塵進(jìn)行采樣測(cè)試，通過全自動(dòng)工業(yè)分析儀、接觸角測(cè)試儀和紅外光譜儀分別測(cè)試分析煤塵的工業(yè)指標(biāo)參數(shù)、接觸角和官能團(tuán)，進(jìn)一步對(duì)己15-21050 機(jī)巷綜掘面粉塵的濕潤(rùn)性進(jìn)行分析，研究其理化特性。

煤的工業(yè)分析是在規(guī)定的條件下，基本上可以分成四種組分，包括固定碳、揮發(fā)分、水分以及灰分。固定碳是指在煤中不揮發(fā)的有機(jī)物質(zhì)，揮發(fā)分是指在煤中能夠揮發(fā)的有機(jī)物質(zhì)，水分是指煤中的水分，灰分是指煤中不可燃物質(zhì)。

經(jīng)煤樣工業(yè)分析，己15-21050 機(jī)巷綜掘面采集的塵樣中水分含量?jī)H為1.17%、灰分含量為12.47%、揮發(fā)分含量為18.84%、固定碳含量為67.52%。根據(jù)ASTM 標(biāo)準(zhǔn)（見表1），該煤種屬于低揮發(fā)分煙煤。煤樣中固定碳和揮發(fā)分含量較高，具有較差的濕潤(rùn)性。

表1 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)

固體界面到液體內(nèi)部與空氣交界的切線所形成的夾角叫接觸角。因固體-液體，液體-氣體，固體-氣體三個(gè)界面張力共同作用而達(dá)到平衡，故可推導(dǎo)出以下方程式：

上公式包括了液體與氣體的表面張力γLG、固體與氣體的界面張力γSG，固體與液體的界面張力γSL，以及液體在固體表面的楊氏接觸角θ。楊氏方程被用來解釋固體在液體表面的接觸角θ與固體-液體、液體-氣體、固體-氣體界面張力之間的關(guān)系。接觸角θ常被用來度量礦物表面的親疏水性，還被用來標(biāo)志煤表面的潤(rùn)濕性，而煤表面的潤(rùn)濕性對(duì)煤礦降塵有重要意義。

接觸角測(cè)定采用JGW-360B 型接觸角測(cè)量?jī)x。測(cè)量前，用球磨機(jī)研磨本工作面所采煤樣，得到煤粉樣品；使用壓片機(jī)，壓力設(shè)置為20 MPa，將500 mg 煤粉持續(xù)壓5 min，制成圓盤狀實(shí)驗(yàn)樣品；將待測(cè)樣品放置于飽和食鹽水中，靜置48 h；取出樣品，將樣品靜置于接觸角測(cè)量?jī)x平臺(tái)上；在待測(cè)樣品上滴上指定的潤(rùn)濕液；等待接觸平衡時(shí)保存圖像，并利用液滴法測(cè)得測(cè)試樣品的接觸角。

通過接觸角實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出：己15-21050 機(jī)巷綜掘面所采塵樣接觸角為75.14°，進(jìn)一步驗(yàn)證了該掘進(jìn)面煤質(zhì)的強(qiáng)疏水性。 接觸角測(cè)試圖如圖1。

圖1 接觸角測(cè)試圖

煤塵表面的含氧官能團(tuán)類型和數(shù)量對(duì)煤的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，含氧官能團(tuán)是最為關(guān)鍵的表面基團(tuán)之一。研究指出，以含氧官能團(tuán)形式存在的有機(jī)氧對(duì)煤的性質(zhì)具有最顯著的影響。這些含氧官能團(tuán)主要涵蓋碳氧單鍵、羰基和羧基。煤粉在細(xì)碎過程中不斷暴露新的表面，從而增加了比表面積和表面自由能，同時(shí)也引發(fā)了化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。此外，粉塵表面疏水性官能團(tuán)（芳香烴、脂肪烴等）的含量越大，煤塵越難以被濕潤(rùn)沉降。因此，為探究己15-21050 機(jī)巷綜掘面粉塵濕潤(rùn)性能，本文采用紅外光譜儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取煤樣進(jìn)行了測(cè)試。

利用Nicolet 6700 型紅外光譜測(cè)試系統(tǒng)對(duì)己15-21050 機(jī)巷綜掘面所采煤樣進(jìn)行測(cè)試。首先在反應(yīng)池中取適量KBr 粉末，平鋪在其表面，采集光譜作為基準(zhǔn)背景。然后取出KBr 粉末，將待測(cè)樣品放入漫反射樣品池中并平整，啟動(dòng)光譜采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試范圍設(shè)置為4000～600 cm-1，分辨率為4 cm-1，背景采集為空白KBr 片。對(duì)煤樣掃描次數(shù)為64 次。掃描結(jié)果通過軟件基線校準(zhǔn)、平滑處理后，為了便于分峰擬合及面積計(jì)算更準(zhǔn)確，將譜圖分成4 組，分別為波數(shù)900～650 cm-1、1800～1000 cm-1、3000～2800 cm-1、3700～3000 cm-1。采用二階導(dǎo)數(shù)和傅里葉退卷積的方法擬合分離對(duì)應(yīng)區(qū)間的譜圖，分別對(duì)這四個(gè)區(qū)域的紅外光譜進(jìn)行分峰擬合，如圖2。分別計(jì)算了疏水性官能團(tuán)（芳香環(huán)、脂肪烴等）、親水性官能團(tuán)（羥基、羧基等）的百分比，詳見表2。

圖2 煤塵紅外分峰擬合

表2 煤塵主要官能團(tuán)占比

如圖2 及表2 所示，通過對(duì)各個(gè)區(qū)間的紅外光譜進(jìn)行分峰擬合，得到了己15-21050 機(jī)巷綜掘面粉塵的主要官能團(tuán)的占比情況。其中疏水性官能團(tuán)占比達(dá)到了58.37%，這說明己15-21050 機(jī)巷綜掘面的粉塵具有非常強(qiáng)的疏水性，普通的噴霧難以使粉塵濕潤(rùn)沉降，導(dǎo)致該工作面粉塵污染嚴(yán)重，難以治理。

4 己15-21050 機(jī)巷綜掘面除塵技術(shù)

通過對(duì)己15-21050 機(jī)巷綜掘面產(chǎn)塵源的分析，掘進(jìn)機(jī)截割頭和轉(zhuǎn)載點(diǎn)處產(chǎn)塵量大，針對(duì)現(xiàn)有噴霧噴射距離短、易于受風(fēng)流影響發(fā)生飄散的問題，本文采用氣水噴霧裝置利用壓風(fēng)噴射來提高噴射距離，同時(shí)增強(qiáng)了溶液霧化能力。氣水噴霧是一種新型的噴霧方式，它利用壓力水和壓縮空氣作為雙動(dòng)力，利用特殊設(shè)計(jì)的氣液兩相流噴嘴將水霧化成微細(xì)水滴。具體過程是，先讓氣從噴嘴尾部進(jìn)入，水從噴嘴旁邊進(jìn)入，在混合室內(nèi)氣水碰撞，形成第一次水滴破碎，然后從噴嘴口噴出，進(jìn)入共振腔產(chǎn)生超聲波，再次破碎水滴。氣液兩相流噴霧技術(shù)具有以下特點(diǎn)：1）水霧粒徑小，沉降呼吸性粉塵效果較好；2）相比普通噴霧系統(tǒng)，耗水量大幅降低，節(jié)省成本和資源； 3）氣液兩相流噴霧系統(tǒng)的安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，能充分利用煤礦下氣水管路；4）維護(hù)和保養(yǎng)方便，壽命更長(zhǎng)，所形成的霧場(chǎng)能有效覆蓋截割頭。

同時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)也采取了負(fù)壓抽吸噴霧裝置，增強(qiáng)了溶液霧化性能。針對(duì)現(xiàn)有水噴霧濕潤(rùn)煤塵能力差的問題，與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作研發(fā)了基于磁化與表面活性劑協(xié)同增效作用的活性磁化水降塵溶液?；钚源呕且环N水基降塵介質(zhì)，通過在磁場(chǎng)環(huán)境中使含有少量活性添加劑的溶液以特定速度穿過制備而成。其降塵機(jī)理在于改善水的濕潤(rùn)性能，活性添加劑通過自身攜帶的親水基和親油基，以化學(xué)手段調(diào)整水的濕潤(rùn)性質(zhì)。

活性磁化水降塵技術(shù)具體實(shí)施流程圖如圖3，主要由活性添加劑的供給裝置、溶液混合裝置、磁化裝置及高效霧化裝置等構(gòu)成。

圖3 新型活性磁化水噴霧系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置

首先，活性劑添加系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的進(jìn)水閥門及定量泵轉(zhuǎn)速并結(jié)合玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來調(diào)節(jié)活性添加劑與水的配比，保持活性添加劑的濃度始終維持在0.03%；接著，活性劑溶液經(jīng)過過濾器過濾，通過磁化裝置制備，得到降塵所需的活性磁化水；最后，通過分流器將水一部分輸送到轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧，另一部分與壓風(fēng)一起匯集到氣水噴霧裝置，形成良好的噴霧場(chǎng)對(duì)不同塵源進(jìn)行水霧覆蓋，達(dá)到高效降塵的目的。

5 己15-21050 機(jī)巷綜掘面現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證活性磁化水噴霧降塵技術(shù)對(duì)己15-21050 機(jī)巷綜掘面的降塵效果，在該綜掘工作面布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)（1 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處，2 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于掘進(jìn)機(jī)后方10 m 處，3 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于掘進(jìn)機(jī)后方20 m 處）。通過CCZ-20 型粉塵采樣器對(duì)其進(jìn)行采樣稱重測(cè)量，分別監(jiān)測(cè)無(wú)措施、使用該工作面原有降塵措施和研發(fā)的活性磁化水降塵系統(tǒng)前后的粉塵濃度。通過公式（2）計(jì)算降塵效率。原有措施及新技術(shù)降塵效率對(duì)比如圖4。

圖4 原有措施及新技術(shù)降塵效率對(duì)比

式中：η為降塵效率，%；c、c1分別為降塵前后粉塵濃度，mg/m3。

通過對(duì)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采樣測(cè)試，得出采用新型活性磁化水噴霧降塵效率有了明顯提高的結(jié)論。相對(duì)于原有噴霧，呼吸性粉塵、總粉塵降塵效率分別提高了35%、30%以上，整體平均降塵效率達(dá)到了86.45%、81.39%，顯著改善了井下工作環(huán)境，為綜掘面從業(yè)人員，尤其是掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的身心健康提供了有力的保障。

6 結(jié)論

1）研究了平煤八礦己15-21050 機(jī)巷綜掘面的產(chǎn)塵特性，通過實(shí)地調(diào)查結(jié)合相關(guān)資料得出綜掘面主要產(chǎn)塵點(diǎn)為掘進(jìn)機(jī)截割頭處和轉(zhuǎn)載點(diǎn)處。其中掘進(jìn)機(jī)截割頭處的產(chǎn)塵量占綜掘工作面總產(chǎn)塵量的80%以上。

2）研究了己15-21050 機(jī)巷綜掘面煤塵的理化特性，通過煤的工業(yè)分析、接觸角試驗(yàn)以及紅外光譜測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該煤種揮發(fā)分和固定碳含量較高，同時(shí)疏水性官能團(tuán)占比達(dá)到了58.37%，證明己15-21050 機(jī)巷綜掘面粉塵的濕潤(rùn)性較差，普通的礦用水難以濕潤(rùn)煤塵。

3）針對(duì)己15-21050 機(jī)巷綜掘面的產(chǎn)塵特性以及煤塵的較差的濕潤(rùn)性，構(gòu)建了新型活性磁化水噴霧系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該新型噴霧降塵技術(shù)能顯著改善綜掘面工作環(huán)境，對(duì)總粉塵、呼吸塵降塵效率分別達(dá)到86.45%、81.39%。