高性能降塵泡沫的制備及應(yīng)用研究

王和堂，王德明，陳 貴,，任萬興

(1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.淮北礦業(yè)股份有限公司朱仙莊煤礦，安徽 宿州 234111)

礦塵是煤礦生產(chǎn)中面臨的主要自然災(zāi)害和職業(yè)危害之一,其危害主要表現(xiàn)為引發(fā)煤塵爆炸和礦工塵肺病。目前，煤礦普遍采用的水噴霧方法對(duì)呼吸性粉塵的降塵率低、耗水量大且噴嘴容易堵塞、故障率高，導(dǎo)致煤礦井下粉塵防治效果較差，作業(yè)場(chǎng)所的粉塵濃度頻繁超標(biāo)[1-3]。因此，研發(fā)并應(yīng)用高效防塵材料具有十分重要的意義。

泡沫降塵作為一種新興防塵技術(shù)，兼具水噴霧和化學(xué)抑塵的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有攔截、濕潤、黏附、沉降粉塵的優(yōu)良作用，尤其是對(duì)呼吸性粉塵具有很強(qiáng)的捕獲能力，降塵效率高且耗水量小[1,4-5]。但由于缺乏操作簡便、安全可靠的泡沫制備方法與應(yīng)用工藝，致使該技術(shù)的發(fā)展受到較大制約[6]。基于此，本文在課題組研制出降塵用發(fā)泡劑、發(fā)泡器和泡沫噴頭的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了泡沫制備試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了降塵泡沫的制備試驗(yàn)與測(cè)試，并在煤礦井下掘進(jìn)工作面進(jìn)行了應(yīng)用。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，降塵泡沫制備試驗(yàn)系統(tǒng)由儲(chǔ)水池、螺桿泵(提供壓力水，流量0～5m3/h、壓力1.2MPa)電磁流量計(jì)(實(shí)時(shí)測(cè)試水量，測(cè)量范圍0.5～12m3/h)、螺桿式空壓機(jī)(提供高純壓縮空氣，排氣量150m3/h、壓力0.5MPa)、氣體渦街流量計(jì)(實(shí)時(shí)測(cè)試氣體流量，測(cè)量范圍35～300m3/h)、發(fā)泡劑容器、微型質(zhì)量流量計(jì)(實(shí)時(shí)測(cè)試發(fā)泡劑的質(zhì)量流量，測(cè)量范圍0～40kg/h)、發(fā)泡劑自動(dòng)添加裝置、泡沫發(fā)生器(發(fā)泡器)、泡沫噴頭及噴頭架、壓力表、調(diào)節(jié)閥和若干連接管件組成，其中發(fā)泡劑添加裝置、泡沫發(fā)生器、泡沫噴頭和噴頭架均為中國礦業(yè)大學(xué)通風(fēng)與防滅火研究所礦塵防治課題組自行研制。通過精密流量計(jì)和壓力表，可實(shí)時(shí)獲取試驗(yàn)系統(tǒng)中水、氣的流動(dòng)參數(shù)；該試驗(yàn)系統(tǒng)可較大范圍地調(diào)節(jié)壓力水與壓縮空氣的流量和壓力，較好地模擬煤礦現(xiàn)場(chǎng)使用條件。

2 制備試驗(yàn)

2.1 制備原理與流程

首先將儲(chǔ)水池中的清水抽入試驗(yàn)管路中，當(dāng)管路中的水流經(jīng)發(fā)泡劑添加裝置時(shí)，添加裝置依靠流水流自身的流動(dòng)功將發(fā)泡劑自動(dòng)、連續(xù)地添加至水管路中，發(fā)泡劑與壓力水混合后，形成均勻的泡沫液，泡沫液流入發(fā)泡器后，經(jīng)過發(fā)泡器內(nèi)文丘里管喉部時(shí)流速增大，形成射流、卷吸而將空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣由文丘里管擴(kuò)散段的小孔均勻進(jìn)入，泡沫液-壓縮空氣經(jīng)過發(fā)泡器內(nèi)的擾流器和多個(gè)障礙板時(shí)發(fā)生強(qiáng)紊流而充分混合，迅速發(fā)泡生成降塵泡沫，降塵泡沫在壓力驅(qū)動(dòng)下由高壓膠管輸送至噴頭架，經(jīng)安裝于噴頭架上的若干個(gè)專用泡沫噴頭噴出。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用上述試驗(yàn)系統(tǒng)，通過螺桿泵和調(diào)節(jié)閥1改變供水流量，通過調(diào)節(jié)閥2改變供氣量，通過發(fā)泡劑添加裝置的針型閥調(diào)節(jié)發(fā)泡劑的吸入量，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終制備出高質(zhì)量降塵泡沫。

在制備出高性能泡沫的前提下，多次測(cè)量制備過程所需的壓力水和壓縮空氣的體積流量、發(fā)泡劑質(zhì)量流量等數(shù)據(jù)，并計(jì)算發(fā)泡劑的添加比例和泡沫的發(fā)泡倍數(shù)，如表1所列。

表1 降塵泡沫制備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算值

結(jié)合表1中數(shù)據(jù)，并進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，得到降塵泡沫制備的主要技術(shù)參數(shù)如下：①供水流量(耗水量)1.5～3.0m3/h，壓力0.4MPa以上；②供氣流量(耗氣量)50～130m3/h，壓力0.35MPa以上；③發(fā)泡劑添加比例0.5%～1%(質(zhì)量比)；④發(fā)泡倍數(shù)40～50倍。

3 應(yīng)用實(shí)例

朱仙莊煤礦目前設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力245萬t/a，是淮北礦區(qū)的主力生產(chǎn)礦井之一。該礦正在掘進(jìn)的北翼皮帶機(jī)運(yùn)輸大巷和810采區(qū)總回風(fēng)下山均為全巖巷道，凈斷面積均為15.84m2，屬典型的大斷面巖石巷道，大功率綜掘機(jī)在截割巖石過程中產(chǎn)生大量高濃度粉塵，初始產(chǎn)塵濃度最高達(dá)1200mg/m3以上，且粉塵分散度高(5μm以下的呼吸性巖塵所占比重大)，實(shí)施掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧降塵效果較差，降塵效率僅為25%左右，大量呼吸性巖塵彌散于工作面，對(duì)工人的身體健康構(gòu)成嚴(yán)重危害。為了高效防治掘進(jìn)工作面粉塵，朱仙莊礦應(yīng)用了泡沫降塵新技術(shù)，通過在掘進(jìn)機(jī)上安裝構(gòu)建結(jié)構(gòu)緊湊的泡沫制備系統(tǒng)(由工作面壓風(fēng)管路、壓水管路、發(fā)泡劑箱及發(fā)泡劑添加裝置、泡沫發(fā)生器、泡沫輸送及分配管路、泡沫噴頭及其固定架組成)，制備出的大流量高黏性泡沫經(jīng)布設(shè)于掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)周圍的若干只專用泡沫噴頭噴射而出，有效包裹、覆蓋綜掘機(jī)截割部塵源并快速黏附、沉降塵源附近空氣中的浮塵。

該制備方法與工藝以掘進(jìn)工作面現(xiàn)有的壓風(fēng)、壓水為動(dòng)力，無需外加動(dòng)力設(shè)備添加發(fā)泡劑和產(chǎn)生泡沫，在煤礦井下應(yīng)用時(shí)只需將壓風(fēng)、壓水管路進(jìn)入泡沫制備系統(tǒng)即可，操作簡單、穩(wěn)定可靠、本質(zhì)安全，且充分利用了泡沫自身的壓縮與膨脹特性，制備出的降塵泡沫既不易破裂，也不會(huì)霧化，噴射距離遠(yuǎn)、擴(kuò)散范圍大，可實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割產(chǎn)塵的高效捕捉，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

應(yīng)用結(jié)果表明，在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位和機(jī)組后回風(fēng)側(cè)5m處，泡沫對(duì)總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率達(dá)到85%和80%以上，約為掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧降塵的3～4倍，大幅度降低了掘進(jìn)迎頭的粉塵濃度，能見度顯著提升，明顯改善了掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境；此外，井下制備降塵泡沫所需水量為2.0～2.5m3/h，僅相當(dāng)于掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧耗水量的30%～40%，大大節(jié)約了防塵用水量，解決了因積水過多而導(dǎo)致的環(huán)境惡化和綜掘機(jī)下陷問題，保障了巷道的正常乃至快速掘進(jìn)。

4 結(jié)論

以實(shí)驗(yàn)室自主建設(shè)的降塵泡沫制備試驗(yàn)系統(tǒng)為研發(fā)平臺(tái)，提出了一種操作簡單、本質(zhì)安全、高效可靠的泡沫制備方法與應(yīng)用工藝，非常適用于煤礦井下復(fù)雜環(huán)境條件下的粉塵治理；通過反復(fù)試驗(yàn)與測(cè)試，制備出了高性能降塵泡沫，并得到了泡沫制備的主要技術(shù)參數(shù)；在朱仙莊礦綜掘工作面的應(yīng)用實(shí)踐表明，高性能降塵泡沫對(duì)粉塵具有很強(qiáng)的攔截、包裹、濕潤、黏附能力，克服了噴霧降塵技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)工作面總粉塵和呼吸性粉塵的的高效防治，顯著提升了作業(yè)場(chǎng)所的能見度，為保障工人的身體健康和巷道的快速掘進(jìn)提供了一項(xiàng)新的關(guān)鍵技術(shù)手段。

[1]中國煤炭工業(yè)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì).礦井粉塵防治技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[2]李德文,馬駿,劉何清.煤礦粉塵及職業(yè)病防治技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[3]李曉豁.截割粉塵成因與控制方法研究[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[4]Kissell F N.Handbook for Dust Control in Mining[M].Washington D.C:U.S.Department of Human Health Services,2003.

[5]F.W.Parrett.Foam suppressants-an alternative for dust control[J].Industrial Minerals,1986(2):52-53.

[6]王和堂,王德明,任萬興,等.煤礦泡沫除塵技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].金屬礦山,2009,402(12):131-134.