李家壕煤礦粉塵特性及音爆霧化降塵系統應用

陳 凱，宋亞新，王卓龑，于明生，葛少成，劉 龍，王 浩，張子龍

(1.神華包頭能源有限責任公司 李家壕煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024)

煤炭是日常生活中不可或缺的能源之一，隨著時代的進步，綜采技術也在不斷地更新，煤炭的產量逐步增加，與此同時，我國礦井的粉塵污染也日益加重[1-2]。目前，我國煤炭開采形式以地下開采為主，由于煤炭需求日益增加，其機械化開采程度越來越高，大部分煤礦已從原有的炮采炮掘發展成為綜采綜掘的機械化開采方式。但是機械化水平的提高，煤體破碎的程度也大幅增加，綜采(掘)機切割煤體時所產生的粉塵量也將明顯增多，其采掘過程中粉塵量往往達到300 mg/m3以上，特別是對人體危害最大的呼吸性粉塵，在機械破碎增強的情況下呼吸性粉塵也隨之大幅增多。當粉塵濃度達到一定數值時會造成粉塵爆炸。根據不完全統計，我國大約有90%的煤礦中的煤塵存在爆炸風險[3]。

此外，在加速布局海外業務的過程中，探索適應國際化發展戰略的海外稅務管理體系迫在眉睫且意義深遠。我們應對挑戰、化解難題的思路是合理優化公司控股架構、管控稅務風險、降低海外所得稅成本。但是，通盤管控就需要全局判斷和全球視野。也是這個時候，我切身感受到“厚積薄發”四個字的魅力。此前在德勤為制造業、金融業、能源業等不同領域企業提供審計和稅務咨詢服務的專業經驗、職業敏感度以及全球性的廣闊視野等積累集中釋放，于無形中對我當時全情投入的海外稅務管理形成了強有力的支持。

礦井煤塵對工人也會產生巨大的職業危害，其中以塵肺病最為嚴重。塵肺病發病周期長，前期不能準確診斷，一旦發病很難治愈，其患者需要忍受極大的身心痛苦，也給企業帶來很大的經濟損失，企業不僅每年支付患病工人巨額醫療費用，也影響企業的正常生產。2018年，我國統計發布職業病共97.5萬例，其中塵肺病占90%[4]。因此，針對煤礦井下粉塵問題，探索適用于采掘面高效防治粉塵的技術方法，從而有效減少粉塵對井下職工身心健康的影響，對于遏制煤礦井下塵肺病問題具有十分重要的研究價值[5-9]。除此之外，隨著煤礦井下粉塵濃度的大幅增加，井下工作環境能見度也大幅降低，一定程度上影響了井下生產效率。盡管我國煤炭開發利用產業大力開展粉塵治理，但到目前為止，粉塵危害仍然是煤礦的重大災害之一[10-15]。國內外成功經驗表明：煤礦粉塵污染防治需要改變側重于污染末端治理的思路，轉變為控制粉塵源。因此當前相關企業和科研單位仍在大力研發各種具體方法措施來有效防控粉塵的形成和傳播，除塵方案和系統應向經濟型、節能型、綜合化、高效型方向發展[16-21]。

研究針對包頭能源李家壕煤礦井下粉塵污染現狀，對井下各生產環節的粉塵形成機理與擴散機制開展研究，并研發一套適合于李家壕煤礦的音爆霧化高效降塵技術，旨在開辟一條高效除塵的新思路，有效解決各生產環節微米級粉塵污染問題。

1 煤礦粉塵特性研究

在粉塵治理技術研究過程中，既考慮了粉塵的控制與治理，又對粉塵濃度、煤塵的親水性、煤的分散度等參數進行測試分析，本文以包頭能源李家壕煤礦為例來具體分析該礦粉塵特性。

1.1 包頭能源李家壕煤礦粉塵特性測定線路

(3)51108掘進工作面輔運。51108掘進面輔運巷掘進機機頭→51108掘進面輔運巷掘進機轉載點→51108掘進面輔運巷掘進機司機處→51108掘進面輔運巷水霧前→51108掘進面輔運巷水霧后。

(2)51108掘進工作面主運。51108掘進面主運巷掘進機機頭→51108掘進面主運巷掘進機轉載點→51108掘進面主運巷掘進機司機處→51108掘進機主運巷水霧前→51108掘進機主運巷水霧后。

現場實測選用AQF-1礦用粉塵采樣器對井下各產塵環節浮塵濃度、可呼吸性粉塵濃度進行測量，并對采樣設備進行防潮、防靜電等的處理；測定使用濾膜取樣法在工作面現場進行測塵點粉塵的采樣。在開機采樣之前，在儀器預捕集器內放入已稱重且干凈、干燥的濾膜，設備內抽氣泵會將周圍含塵空氣抽入儀器，然后測點附近浮游在空氣中的粉塵進入設備后被捕捉進預捕集器，并被附著在預捕集器的濾膜上，以此達到粉塵采樣的目的。

(1)31115綜采工作面。31115進風巷轉載點→31115綜采面液壓支架20號→31115綜采面液壓支架70號→31115綜采面液壓支架120號(測時為刀口)→31115綜采面液壓支架170號→311115回風巷支撐點→311115回風巷水霧前→311115回風巷水霧后。

(4)5-1轉載點。5-1轉載點下料處→5-1轉載點距下料50 m處。

(5)3-1轉載點。3-1轉載點下料處→3-1轉載點距下料50 m處。

1.2 煤礦粉塵濃度測試

根據圖10所示恢復力模型滯回規則，并結合骨架曲線模型各階段的回歸方程和正反向加載各階段卸載剛度退化規律回歸方程，可得到節點的計算滯回曲線，圖14為節點計算滯回曲線與試驗滯回曲線的比較。由圖14可知，節點計算滯回曲線與試驗滯回曲線整體走勢一致，吻合較好，這表明所建立的四折線恢復力模型能夠較好地反映型鋼再生混凝土柱-鋼梁組合框架節點在低周反復荷載作用下的滯回特性和恢復力特征。

為了保證現場實測的可靠性，得到測點有效的粉塵樣品，避免采集到的粉塵稀少，在綜采工作面、掘進工作面各工序開始作業30 min后再開始粉塵采樣，并在各個測點處采集2組樣品，最終通過計算同一測點的2組數據的算數平均值作為該測點的最終數據。采集粉塵樣本時，先將濾膜對折兩次使其形成漏斗狀，再放置于全塵預捕集器中以便收集樣本，保持濾膜有絨的一面朝著進氣口方向。在現場用三角支架將粉塵采樣器固定在測點位置，調整采樣儀進氣口高度至1.5 m。由于不同工作時間工作面粉塵濃度有所差異，待工作面回采開始后，工作面粉塵較多且穩定運移時，打開采樣儀并保持預捕集器的抽氣泵進風口正對含塵氣流的流動方向抽取測點附近空氣，采樣流量設定為20 L/min，保持采樣儀穩定。設定好抽取時間以后，粉塵采樣儀抽取一定體積的含塵空氣，粉塵顆粒隨風流進入采集儀后，經過捕集板被阻隔在濾膜上。濾膜在放入采集儀之前已稱量得到每張濾膜質量，在采樣結束后通過稱量濾膜的質量，計算出濾膜的質量增量，就可得到捕捉的粉塵顆粒質量。根據儀器的單位時間內抽氣流量及提前設定好的取樣時間，便可計算得到單位體積空氣中的粉塵質量濃度量。包頭能源李家壕煤礦不同地點粉塵濃度匯總見表1。

圖6所示為蘇打焙燒溫度對浸出產物TiO2含量的影響。由圖6可見,焙燒溫度從500℃ 升高到900℃時,產品中TiO2含量也隨之增加；蘇打焙燒溫度繼續升高,酸浸產物的TiO2含量反而開始降低,這可能是蘇打焙燒溫度過高導致焙燒產物出現燒結現象有關[15]。由此可見, 900℃為適宜的蘇打焙燒溫度。

表1 不同地點粉塵濃度匯總Tab.1 Summary of dust concentration in different locations

1.3 粉塵分散度測試

從圖3b中進一步可以看出，礦化床的處理效果與日進水量有較大關系。由于礦化床的水力負荷較小，當日進水量過多時，礦化床對于COD、氨氮和總氮的去除效果明顯下降。因此，應保證每日進水量不超過其負荷值才能保證礦化床的處理效果。

Pni=(ni/∑ni)×100%

(1)

式中，Pni為分散度；ni為某一級顆粒的顆粒數；∑ni為粉塵整體顆粒數。

探究組（n＝50），泌尿系統感染1例、切口感染0例、呼吸道感染2例，總人數3例，占比6.00%；參照組（n＝45），泌尿系統感染3例、切口感染5例、呼吸道感染3例，總人數 11 例，占比 24.44%；（χ2＝6.413，P＝0.011）經組間比較顯示探究組并發癥率顯著低于參照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。

本次采用以粒子分散度來描述粉塵的分散性，將在電子顯微鏡下所看到的徑向投影作為粉塵顆粒的當量直徑。

在相應的測點取得粉塵樣品后，將捕捉到粉塵的濾膜取出密封好帶回實驗室，檢測粉塵分散度采用液相分散粉塵樣品的方法。在燒杯中放入已采樣過的濾膜，并將約 2 mL的醋酸丁酯滴入燒杯中，以制成采樣的粉塵顆粒懸浮的溶液，用滴管吸取燒杯中粉塵顆粒懸浮液并滴1滴在載玻片上，將載玻片上的粉塵顆粒溶液涂抹均勻，待懸浮液上的醋酸丁酯揮發后，得到粉塵顆粒標本，再把各個測點制作好的標本編號并放在顯微鏡下觀測。

對于李家壕煤礦煤塵試樣進行了其接觸角測試，測試系統如圖2所示。測試過程中對選取的煤樣接觸角大小進行測試，通過測試得到李家壕粉塵與礦用水的接觸角。

粉塵分散度測試原理為：將樣品制作成樣片在顯微鏡下觀察，從而進一步計算各種粒徑在總粉塵顆粒中的百分比。計算公式為：

綜上所述，Survivin基因表達與喉癌病情進展存在一定聯系，可作為喉癌預后指標。Survivin基因表達與bcl-2、p53表達呈正相關，與caspase-3表達呈負相關，可通過調節凋亡相關因子，促進腫瘤發展。

圖1 粉塵顆粒圖像及顆粒分布Fig.1 Dust particle image and particle distribution

1.4 粉塵濕潤性測試

粉塵的潤濕性通過粉塵的接觸角來衡量，接觸角是從固體的粉塵粒子表面經過液相到達液體表面所經過的角度，通常用θ表示。當θ<60°時，表示濕潤性好，為親水性；濕潤性強的粉塵有利于濕式除塵。測試儀器設備為XG-CAMC表面接觸角測量儀；壓片機及磨具為FW-4A型；蒸餾水；微量注射器；容量瓶；鑷子；玻璃載片。

將顆粒標本對放在電子顯微鏡下觀察，通過粉塵顆粒圖像分析儀分析綜采工作面各個測點采樣的粉塵顆粒樣品的粒徑大小分布。通過電子顯微鏡下觀察到采樣所得粉塵顆粒圖像以及粉塵粒徑分布如圖1所示。包頭能源李家壕煤礦不同地點粉塵分散度匯總見表2。

圖2 接觸角示意Fig.2 Schematic diagram of contact angle

從實驗室潤濕實驗結果來看，李家壕煤礦井下水潤濕角平均值為55.924°，故小于60°，表示該煤礦粉塵為潤濕粉塵。

2 音爆活性霧幕智能監測降塵系統

2.1 31115回風巷降塵系統

根據現場實際觀測，31115回風巷原有降塵系統采用高壓噴霧，該系統產生霧滴粒徑較大，霧化程度較低，捕塵效果差，無法滿足現場降塵需求。基于現場問題和實際需要，現提出31115回風巷音爆活性霧幕智能監測降塵系統，該系統由水源處理控制柜、氣源處理控制柜、智能監測系統及多噴嘴霧幕箱組成。31115回風巷音爆活性霧幕智能監測降塵系統如圖3所示。

圖3 31115回風巷音爆活性霧幕智能監測降塵系統示意Fig.3 Schematic diagram of intelligent monitoring and dust reduction system of 31115 return air chute sonic explosion active fog curtain

在水源和氣源處理控制柜中包括水過濾器、水壓穩壓閥、空氣過濾器及空氣穩壓閥等部件；水源處理控制柜、氣源處理控制柜與31115回風巷水源、氣源相連，水、氣過濾器可以過濾水、氣中存在的雜質，降低濁度，水、氣穩壓閥可保證噴霧所需穩定的水壓、氣壓。智能監測系統包括紅外傳感器、智能控制箱、水路電磁閥、氣路電磁閥；其中智能控制箱負責接收、處理、判斷信號，紅外傳感器將監測人員過往，水路、氣路電磁閥可以啟停噴霧所需水源、氣源；多噴嘴霧幕箱包括音爆霧化噴嘴，水氣一體霧幕箱；水氣一體霧幕箱可為多個音爆霧化噴嘴提供霧化所需氣流量、水流量。

智能控制箱與31115回風巷照明燈處線路連接，當人員通過紅外傳感器時，該傳感器接收信號并將此信號傳輸至智能控制箱，此時控制箱處理所接收信號并做出判斷，之后通過水路、氣路電磁閥阻斷水源、氣源與噴霧箱的連接。經過多次現場實際測量，人員從通過紅外傳感器到噴霧箱所需平均時間為20 s。為保證人員完全通過，設置阻斷時間為30 s，當30 s過后水路、氣路電磁閥將重新開啟水源、氣源與噴霧箱的連接。

空氣中存在不同粒徑大小的粉塵顆粒成分被稱作粉塵的分散性，不同粒徑大小的粉塵顆粒在一定范圍內空氣中所占的百分比被稱為粉塵的分散度。目前粉塵分散度的表示方法主要有2種：①質量分散度，按不同粒徑大小粉塵顆粒所占總質量百分比定義；②粒子分散度，以不同粒徑大小粉塵顆粒數量所占總粉塵顆粒比例定義。

2.2 掘進工作面降塵系統

根據現場實際觀測，掘進工作面粉塵濃度較大，工作面環境較差，現存降塵系統采用高壓噴霧降塵，霧滴捕塵能力差，仍抑制不住粉塵擴散，無法解決粉塵濃度超限問題。基于上述情況，現提出掘進面音爆霧化活性霧幕智能監測降塵系統，該系統組成模塊與31115回風巷音爆活性霧幕智能監測降塵系統相同。掘進工作面音爆活性霧幕智能監測降塵系統如圖4所示。

工作扭矩：額定扭矩8.65 kN·m，極限扭矩10 kN·m；角向補償能力：持續1°，瞬時3°；徑向補償能力：持續±9 mm，瞬時±26 mm；軸向補償能力：持續±7 mm，瞬時±20 mm；動平衡：G6.3(2 000 r/min，按ISO1940標準)；扭矩限制：15 kN·m(1±5%)，打滑1 000次后降低不超過15%；工作轉速：額定轉速1 800 r/min，極限轉速2 300 r/min；絕緣電阻：≥10 MΩ(10K VDC)；環境溫度：-40 ℃～+50 ℃；濕度：95%；防腐保護等級：C3H。

圖4 掘進工作面音爆活性霧幕智能監測降塵系統示意Fig.4 Schematic of intelligent monitoring and dust reduction system of sonic explosive active fog curtain in heading face

掘進工作面中水源、氣源處理控制柜構成以及作用均與31115回風巷水源、氣源控制柜作用相同；智能監測系統由智能控制箱、粉塵濃度傳感器以及水路、氣路電磁閥構成，其中粉塵濃度傳感器負責監測掘進工作面粉塵濃度，水路、氣路電磁閥負責啟停噴霧所需水源、氣源；多噴嘴霧幕箱仍由音爆霧化噴嘴、水氣一體霧幕箱構成，該多噴嘴霧幕箱通過螺母、不銹鋼板安裝在掘進機頭橡膠皮兩側處，多噴嘴霧幕箱實際安裝如圖5所示。

圖5 多噴嘴霧幕箱實際安裝示意Fig.5 Actual installation diagram of multi nozzle fog curtain box

智能控制箱與掘進工作面司機處線路連接，掘進機工作時會產生大量粉塵，當粉塵濃度達到設定值時，智能控制箱接收粉塵濃度傳感器傳遞信號并做出判斷，之后仍通過水路、氣路電磁閥開啟水源、氣源與噴霧箱的連接。當粉塵濃度低于設定值時，智能控制箱做出判斷通過水路、氣路電磁閥阻斷水源、氣源與噴霧箱的連接，從而關閉噴霧。

3 結論

(1)根據現場實測結果顯示，李家壕煤礦多個產塵環節粉塵濃度高，且小于5 μm的呼吸性粉塵占總粉塵數的60%以上，嚴重影響工作場所職工的身體健康。

藥師應注意加強醫師處方的監控，嚴格審核每張處方，不可失職。同時注意提高醫師的重視程度，做到處方合理。藥師監管喹諾酮類藥物處方的力度提升，有利于及時發現不合理的用藥情況，并聯系醫師給予及時正確的處理，避免發生藥物不良反應。

(2)針對包頭能源李家壕煤礦井下粉塵污染現狀，對井下各生產環節的粉塵形成機理與粉塵性質參數開展研究，并研發設計1套適合于李家壕煤礦的音爆霧化高效降塵裝置，經過現場安裝實測后，降塵效果顯著。