三交河煤礦綜采工作面噴霧降塵技術優化研究與應用

喬寧寧

(霍州煤電集團 三交河煤礦，山西 臨汾 041600)

經過數十年的發展，在綜采工作面粉塵防治方面，我國已發展了煤層注水、噴霧灑水、通風除塵等多種措施，在所有措施中，噴霧除塵是最為傳統有效的措施，尤其液壓支架噴霧對采煤機截割產塵及液壓支架移架產塵均起著至關重要的作用，是綜采工作面所有防塵措施中最為重要的措施。但是，現有的綜采工作面液壓支架噴霧存在明顯的缺陷，主要體現在液壓支架人行道處一直未設置除塵措施，是綜采工作面的防塵盲區。清水的表面張力較大，煤塵是疏水性物質，很難與清水直接凝結、沉降，致使工作面的粉塵濃度一直居高不下，對現場工人的身體健康造成了嚴重危害[1-2]。因此研究三交河煤礦采煤工作面高效抑塵技術及裝備，尋求針對高效抑塵的關鍵技術，是礦井目前急需解決的重要課題，可為其他礦區采煤工作面的粉塵防治起到示范和借鑒作用，具有重要的理論與現實意義。

1 工程概況

三交河煤礦2-2-602工作面2-2煤層總厚度為1.03～2.76 m，平均厚度2.06 m，硬度f值為2.0，煤層層理中等發育，煤層節理中等發育，煤層傾角1～3°，平均2°.工作面設計為一進一回“U”型通風系統，2-2-6022巷道斷面11.2 m2，巷道斷面采用矩形斷面。三交河煤礦十分重視煤礦粉塵的防治工作，通過長期不懈的努力和創新，已經形成了具有自己特色的礦井綜合防塵技術和工藝，取得了一定的效果，使采煤工作面的粉塵濃度得到了較好的控制，保證了礦井的高效生產和礦工的身體健康。但在礦井的粉塵綜合治理方面，仍存在以下幾方面的問題：①綜采工作面采煤、移架產生的總粉塵濃度高，在采煤機內外噴霧都開啟時呼吸性粉塵也在300 mg/m3甚至更高，且呈上升趨勢，粉塵濃度仍遠遠高于《煤礦安全規程》和國家勞動衛生標準規定的限度；②原有的綜采面采煤機割煤的外噴霧器及支架噴霧器降塵的結構不理想，霧化效果不好，降塵效果不佳，且影響工人工作； 清水的抑塵效果不佳，致使工作面在消耗大量清水的情況下仍然未能有效降低粉塵濃度。因此，解決現實礦井綜合控塵存在的種種問題，提出合理的噴霧器和噴霧降塵工藝改進措施，提高降塵效率，具有十分重要的意義。

2 降塵用抑塵劑優選

大多數礦井粉塵均具有疏水性，在水中加入表面活性劑，可提高潤濕效果，由于煤塵通常帶有負電荷，因此表面活性劑通常選用陰離子，結合國內外相關研究成果[3-4]，初步選擇以下9種活性劑：①十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)；②十二烷基硫酸鈉(SLS)；③脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)；④二丁基萘磺酸鈉(BX)；⑤磺化琥珀酸二辛酯鈉鹽(T)；⑥脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)；⑦脂肪酸烷醇酰胺(NOS)；⑧脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)；⑨烷基糖苷(APG)；溶液表面張力是由于液體分子間的相互吸引力，添加表面活性劑可減小溶液的表面張力，從而提高溶液潤濕固體的能力，提高噴霧的捕塵能力，在實驗室采用鉑金環法測定不同濃度溶液的表面張力，其原理如圖1所示，鉑金環脫離液體形成的薄膜破裂時的最大拉力即為表面張力的初測值，所用純水的表面張力值為69.09 mN/m.

圖1 活性劑溶液表面張力測試原理及結果

根據圖2所示結果可以看出，各種活性劑溶液的表面張力均小于純水，表明初選的表面活性劑均有增強溶液潤濕性的效果。隨著各種表面活性劑溶液濃度的增大，表面張力值呈逐漸減小趨勢，當溶液濃度上升到一定水平后，表面張力值減小程度明顯下降，此時溶液的濃度為臨界膠束濃度(CMC)，此時溶液具有較好的捕塵效果，所選表面活性劑的CMC質量濃度約0.05%.BX、NOS溶液的表面張力值減小不明顯，而AES、AEO、FMEE溶液表面張力值減小最為顯著，因此優選出AEO、FMEE、AES進行復配試驗，設計本次復配試驗的溶液質量濃度為0.04%，按照3∶1的比例對3種材料進行組合，各種溶液的表面張力值及煤塵沉降時間的測定數據如表1所示。根據復配溶液的張力值和煤塵沉降時間可知，質量濃度0.03%AES與質量濃度0.01% FMEE溶液的表面張力值最小，且煤塵的沉降時間最短，因此確定三交河煤礦降塵用潤濕劑采用此配比。

圖2 WGSCW-1型新型外噴霧除塵裝置

3 綜采面采煤機及支架噴霧裝置優化

3.1 采煤機噴霧高效噴霧裝置

當采煤機逆風割煤時，傳統式外噴霧不能取得良好的降塵效果，造成此問題的關鍵是工作面通風風流、滾筒旋轉、噴霧逆風等因素在采煤機前部形成渦流，導致割煤產生的粉塵彌散至整改作業面，為了克服三交河煤礦綜采面采煤機噴霧存在的弊端，以有效控制采煤機產塵，擬引進山東科技大學研制的WGSCW-1型新型外噴霧除塵裝置，該裝置如圖2所示，負壓吸塵能力強，水幕扇角固定，具有一定的負壓二次除塵功能。

表1 復配表面活性劑溶液表面張力值和煤塵沉降時間

3.2 架間噴霧裝置

因煤體酥松，綜采液壓支架移動時，能產生大量的粉塵。為了有效地抑制移架時的產塵，針對三交河煤礦綜采面液壓支撐掩護式支架的現狀，現將原有的噴霧降塵裝置進行改進，設計采用SC型噴霧降塵裝置解決移落架期間降塵問題。該裝置由固定、噴霧和吸塵除塵三部分組成，水平方向上可360°旋轉調整角度，噴嘴后方負壓場可將攜帶粉塵的風流由后方及側方吸入噴霧場，實現了采煤工作面全斷面除塵，其形式原理如圖3所示。

4 采區抑塵劑自動添加裝置

添加裝置是抑塵劑在煤礦現場成功應用的重要因素，但是現有的抑塵劑添加裝置均不能具備連續定量添加、設備結構簡單、自動化程度高和添加量大等特點，不能真正適用于井下的復雜環境。可適用于2-2-602綜采工作面的抑塵劑自動添加裝置，抑塵劑直接添加至采區的防塵管路中，使采區的的采煤工作面、掘進工作面等主要用水地點均用上帶有抑塵劑的防塵用水，以有效降低采煤工作面等的粉塵濃度。擬研制的采區抑塵劑自動添加裝置采用電動模式，由智能電磁流量計、PLC控制器、柱塞式計量泵等組成，智能電磁流量計監測到采區防塵管路中的水流速度后，將信號傳輸至PLC控制器，PLC控制器再控制柱塞式計量泵將一定數量的降塵劑自動添加到水管中，實現防塵水管中降塵劑的自動連續定量添加。井下工人可通過操作顯示器在量程范圍內自由控制抑塵劑的添加量，其原理如圖4所示。

圖3 SC型風水噴霧除塵器現場應用效果示意

圖4 擬研制添加裝置工作示意

5 噴霧降塵系統效果的考察與分析

為驗證優化后綜合噴霧技術的降塵效果，三交河煤礦2-2-602綜采工作面生產期間進行割煤、移架工序粉塵濃度的測定，得到原噴霧方案與優化后噴霧方案條件下全塵及呼塵濃度的變化規律如圖5所示，由圖5(a)所示結果可以看出，優化后的噴霧降塵條件下，采煤機附近的全塵和呼塵濃度均顯著降低，全塵濃度的峰值由559.5 mg/m3減小為371.8 mg/m3，全塵的降塵效率提高約33.5%；呼吸性粉塵降塵效率提高約44.0%，割煤工序降塵效率顯著提高；移架工序全塵、呼塵降塵效率分別提高34.7%、40.3%，綜上可知，采用優化后的噴霧降塵方案，顯著降低了工作面的粉塵濃度。

圖5 粉塵濃度前后對比

6 結 語

通過對各種初選抑塵劑材料溶液表面張力值試驗測試，優選出非離子表面活性劑AEO、FMEE及陰離子表面活性劑AES3種材料進行復配試驗，根據復配溶液的表面張力值和煤塵沉降時間，確定噴霧降塵溶液為質量濃度0.03%AES與質量濃度0.01% FMEE溶液，結合采煤機外噴霧的缺陷，設計WGSCW-1型新型外噴霧除塵裝置，液壓支架間引進SC型風水噴霧除塵器，設計抑塵劑自動添加裝置，2-2-602綜采工作面采用優化后的噴霧系統生產期間，采煤機割煤工序和液壓支架移架工序粉塵降塵效率提高30%以上，優化后的噴霧降塵取得了更好的降塵效果。