煤礦泡泡除塵新技術研究

吳愛軍，唐 銘，楊 苗，南 瑋，褚福延，向 銀，張 樂

(1西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621010；2四川江油新川礦山機械有限公司，四川 江油 621700)

在《BP世界能源展望》(2020版)中提到：到2050年，中國煤炭消費比例仍然占能源總消費的55%～60%[1]。可見這一以煤為主體結構的局面在短時間內難以改變。而在煤炭生產過程中會產生大量的煤塵、巖塵等[2]，嚴重危害著工人健康，同時煤塵具有爆炸性危險，對煤礦安全生產構成了極大的威脅，所以對煤塵進行治理也越來越得以重視。現有的煤塵治理技術有很多種，如通風除塵、噴霧除塵、水幕除塵和除塵器除塵等，其中泡沫除塵是最近幾十年出來的新技術。

泡沫除塵就是在一定風壓下，發泡器發出大量泡沫并完全填滿作業工作面的除塵方式，就是覆蓋式泡沫除塵。1950年后英國開始進行泡沫除塵[3]，后來前蘇聯、日本等國也相繼開展了泡沫除塵工作。前蘇聯一些學者通過研究不同種類不同濃度的表面活性劑，配制了高性能的泡沫液，通過泡沫發生器進行高倍數發泡并在井下產生粉塵的位置進行了現場實驗。結果表明普通除塵的除塵效率為泡沫除塵的1/2～1/5[4]。美國礦業局則利用除塵系統將水、空氣和泡沫配方進行混合后進行噴射。通過現場實驗發現泡沫除塵的效率遠遠大于噴霧除塵且耗水量大大減少[5-6]。1995年以來, 蔣仲安[7-10]等人基于泡沫除塵的理論知識及發泡器的性能等研究了高倍數泡沫，取得了一定的成果。任萬興[11]基于相關理論知識建立了模型并對泡沫除塵的過程進行了詳細的分析，然后利用羅氏泡沫儀等儀器對多種表面活性劑進行了比選從而配制出高效除塵泡沫液。于亮[12]通過實驗發現噴霧除塵的除塵效率是泡沫除塵的1/1.78。張旭峰[13]優化設計了一款泡沫發生器，經過現場應用對比，得出：噴霧除塵遠小于泡沫除塵，并且該泡沫發生器的可行性很高。Wang[14]等人提出利用泡沫——水霧綜合技術進行除塵。基于井下粉塵產生規律，噴嘴被設計成扁風扇型，該形狀可以確保對切割頭的有效覆蓋。通過貴州某煤礦的現場試驗，結果表明利用泡沫——水霧綜合除塵技術的除塵效率較使用單獨兩項技術有了顯著提高。

目前泡沫除塵多采用覆蓋方式[15]，即用大量泡沫將工作面的煤體或巖體覆蓋，以防止粉塵在作業過程溢出飛散。但這種技術的缺陷是在作業過程中妨礙操作人員視線，同時對采掘設備有很大影響，所以煤礦對其應用的積極性不高。同時該技術對空氣中的煤塵無法治理。基于此，本文提出了泡泡除塵新技術，即通過發泡機向空氣中噴出大量單體泡泡，它們能夠在空氣中長時間飛行，在此過程中不斷捕捉空中的粉塵；當泡泡量較多時，就會形成了巨量的泡泡集群，從而阻斷粉塵向周圍擴散，具體如圖1所示。

圖1 泡泡抑塵消煙原理示意

1 泡泡生成機制及除塵機理

泡泡除塵的關鍵之一是針對粉塵的性質而配置出相應的發泡液。發泡液的主要成分——表面活性劑一端為親水基，一端為憎水基。將表面活性劑加入水中后，親水基和憎水基會發生作用，親水基朝向溶液，憎水基朝向空氣，因此會在溶液表面形成一個氣-液界面并進行吸附。當吸附的濃度足夠大時，表面活性劑分子會收縮體積并且緊密地直立排列在界面上，從而形成具有一定發泡能力的發泡液。當用1個圓環去沾發泡液時，就會在圓環上形成一層液膜，且在一定風力吹動下，液膜逐漸鼓起、長大、拉長，直到最后脫離圓環，從而形成一個個單獨的泡泡飛揚在空氣中，具體過程如圖2所示。

圖2 泡泡形成

當泡泡與煤塵在一定時空相遇后，煤塵就會與泡泡發生碰撞而被截留并黏附在泡泡上，具體如圖3所示。隨著泡沫上黏附的煤塵越來越多，受重力作用的煤塵則向泡泡下側匯集，使得泡泡液膜不斷變薄直到破裂，最后以液滴等小碎片(包裹煤塵)的形式降落至地面。

圖3 黏附效應

2 泡泡除塵模擬實驗

在煤礦回采和掘進過程中會產生大量粉塵，且它們在風力作用下向周圍巷道擴散，迅速污染了整個工作環境。針對這種情況，本文利用泡泡進行煤塵除塵模擬實驗，即在巷道粉塵擴散的路徑上布置若干臺發泡機，使其產生的泡泡在風力作用下擴散到整個巷道斷面。具體搭建的實驗平臺示意圖和實物如圖1和圖4所示。首先在自然條件下測試粉塵自由沉降過程中的濃度隨時間變化規律，然后利用配制的發泡溶液進行除塵實驗。

2.1 發泡液

本實驗采用的泡泡液為自行配置的針對煤塵的泡泡液，其配方包括0.7%K12A、0.9%SDS、1%AOS液、0.8%KCL和0.9%甘油，水為自來水。

2.2 除塵實驗平臺

根據幾何相似性原理，在實驗室搭建了1個模擬井下環境的實驗平臺。該實驗平臺主要由粉塵濃度測試儀、發泡裝置、模擬巷道等構成。本實驗所采用的兩臺CCZ1000直讀式粉塵濃度測量儀進行粉塵測量。同時所采用的除塵裝置為自制除塵裝置，此除塵裝置有3個發泡盤，在鼓風機吹動下發泡盤開始轉動，其發泡倍數可以達到100倍左右，節水率達到90%以上。具體見圖4所示，其中圖4(a)為發泡機，圖4(b)為模擬巷道示意圖。

圖4 實驗平臺

實驗采用的粉塵為200目的無煙煤，其中粒徑小于6.68 μm的占10%，粒徑小于31.2 μm的占50%，粒徑小于74.7 μm的占90%。

2.3 實驗方案

1) 自由沉降實驗。通過向模擬巷道中添加10 g、30 g、50 g等不同質量的煤塵來模擬生產時不同粉塵的濃度情況。將粉塵濃度測試儀放在距離粉塵源頭的1 m、2 m、2.5 m處，同時利用風機吹動粉塵使其布滿整個巷道，再利用粉塵測試儀分別讀出0 min、3 min、6 min、9 min…等時刻的粉塵濃度，以此來確定粉塵下降到國標值以下濃度的時間。

2) 定量粉塵泡泡除塵實驗。同樣采用添加10 g、30 g、50 g等不同質量的煤塵來模擬生產時不同粉塵的濃度情況。將粉塵濃度測試儀放在距離粉塵源頭的1 m和2 m處，同時將發泡裝置放在距離粉塵源頭的2.5 m處。利用風機吹動粉塵，使得粉塵布滿整個巷道，然后打開除塵裝置，吹30 s泡泡后測量粉塵濃度1次(因為CCZ1000直讀式粉塵濃度測量儀煤塵測量周期為1 min左右，而不是瞬時讀數)，分別記錄在0 min、0.5 min、1 min、1.5 min等的讀數，以此來確定不同粉塵濃度時下降到國標以下濃度的時間，最后通過對比在自由沉降條件下的粉塵濃度變化規律進行對比。

3 實驗結果分析與討論

3.1 粉塵自然沉降結果分析

模擬不同濃度的煤塵自由沉降隨時間變化的曲線見圖5。

圖5 煤塵濃度隨時間變化曲線

由圖5可以看出，煤塵濃度隨著時間的變化而逐漸變小。當煤塵添加量為10 g時，在1 m處的最高濃度為701.1 mg/m3，在2 m處的最高濃度為615.9 mg/m3，在2.5 m處的最高濃度為504.2 mg/m3，且煤塵降低到10 mg/m3以下所需時間為81 min。當煤塵添加量為30 g時，在1 m處的最高濃度為1 926.2 mg/m3，在2 m處的最高濃度為1 829.6 mg/m3，在2.5 m處的最高濃度為1 577.4 mg/m3，且煤塵降低到10 mg/m3以下所需時間為117 min。當煤塵添加量為50 g時，在1 m處的最高濃度為6 047.2 mg/m3，在2 m處的最高濃度為4 368 mg/m3，在2.5 m處的最高濃度為3 707.8 mg/m3，且煤塵降低到10 mg/m3以下所需時間為174 min。因此，在同一模擬煤塵添加量的情況下，隨著時間的變化煤塵濃度逐漸降低，且降低時間趨于一致；而對于不同煤塵添加量的情況下，模擬煤塵濃度的最高濃度越高，其降低到國家標準值(10 mg/m3)時所需的時間越久，且它們呈線性變化。

3.2 泡泡除塵實驗結果分析

模擬除塵實驗后的場景如圖6所示。圖6(a)是添加量為50 g煤塵的除塵場景，圖6(b)是添加量為10 g煤塵的除塵場景。由圖可以看出，在被控制的范圍內，煤塵被泡泡及破裂后的發泡溶液潤濕，使其不易產生二次飛揚，且煤塵濃度越高，需要的泡泡量就越多。

圖6 實驗現場

具體粉塵沉降與泡泡除塵數據及其擬合曲線見圖7。

圖7記錄的是1 m處煤塵濃度變化及其擬合曲線。可以看出：泡泡除塵其濃度變化與時間呈指數遞減關系；除塵時間與煤塵質量呈正相關，煤塵質量越大，所需時間越久；在利用泡泡除塵后煤塵濃度迅速降低到10 mg/m3以下，10 g煤塵在自然沉降下需81 min才能降低到10 mg/m3以下，而利用泡泡除塵僅僅需要5.5 min；30 g煤塵在自然沉降下需117 min才能降低到10 mg/m3以下，而利用泡泡除塵僅僅需要7 min；50 g煤塵在自然沉降下需174 min才能降低到10 mg/m3以下，而利用泡泡除塵僅僅需要8 min。因此利用泡泡除塵可以大大縮短降塵的時間，從而減少煤塵對人的危害。

圖7 泡泡模擬除塵曲線

圖8是自然沉降與泡泡除塵時間數據及其擬合曲線。自然沉降擬合曲線的R2為0.96，且滿足方程y=2.325x+54.25，通過該方程說明自然沉降的時間與添加煤塵的量相關性很好，即煤塵量越大，所需時間越久；泡泡除塵擬合曲線的R2為0.97，且滿足方程y=0.062 5x+4.96，通過該方程說明泡泡除塵的時間也與添加煤塵的量呈正相關，即煤塵質量越大，所需時間越久。

由圖8可以看出，泡泡除塵的效率非常高，相比較噴霧除塵技術，可以節省大量水資源，同時被泡泡捕捉到的煤塵被潤濕后，降落到地面不易二次揚起。這是因為泡泡含有表面活性劑物質，對煤塵起到粘結作用，因此除塵效果非常明顯。相對于最初濃度的煤塵，降到國標值時所需時間較自由沉降的除塵效率提高了20倍左右。

圖8 自然沉降與泡泡除塵時間擬合曲線

4 結 語

本文首先分析了泡泡形成機理及泡泡除塵機理，然后通過自行設計的實驗平臺進行除塵對比實驗，主要結論如下：

1) 分析了泡泡形成的機理及泡泡除塵的機理，指出泡泡除塵的機理主要截留效應、碰撞效應、潤濕效應、擴散效應、黏附效應，這其中，大體積截留效應占據主要優勢。

2) 基于模擬的實驗平臺，進行了泡泡除塵實驗，通過自然沉降實驗得出，煤塵添加量分別為10 g、30 g和50 g的模擬情況下，其實驗模擬濃度降低到國標以下濃度分別需要81 min、117 min和174 min；通過泡泡除塵得出煤塵添加量分別為10 g、30 g和50 g時，其實驗模擬濃度降低到國標以下濃度僅需5.5 min、7 min和8 min。由此可見泡泡除塵可以大大縮短除塵時間。

3) 泡泡不僅可以捕捉空氣中的揚塵，同時煤塵被泡泡捕捉潤濕后，隨其降落到地面，從而失去了二次飛揚能力，這說明落泡泡液對地面揚塵同樣起到了抑制作用。

4) 相對于噴霧噴水除塵來說，其除塵效果優勢明顯，同時節水效果良好。