黃陵一號煤礦采煤工作面煤塵防治技術應用

武光富

（陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307）

1 工程概況

黃陵礦業公司一號煤礦624 工作面對應上覆地表為低山林區，溝壑縱橫，上覆巖層厚度在314～439 m 左右，平均巖層厚度為376 m 左右。624工作面位于六盤區西北部，東接北二進風巷，南鄰620 采空區，所采2#煤厚2.24～2.61 m，回采范圍內煤層結構簡單，屬于穩定煤層。2#煤層煤塵有爆炸危險性，煤層爆炸指數為35.59%。黃陵一號煤礦一直非常重視煤礦粉塵的防治工作，通過長期的經驗積累和不斷的技術創新，已經形成了具有自己特色的礦井綜合防塵技術和工藝，取得了階段性的效果，采煤工作面、掘進工作面的粉塵濃度治理效果良好，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）綜采工作面割煤工序附近粉塵濃度超標，采煤機司機附近呼吸性粉塵達到300 mg/m3甚至更高；（2）噴霧降塵效果不佳，降塵工作耗水量巨大，但降塵效率不高。為進一步降低井下作業現場的粉塵濃度，提高降塵效率，需開展相關研究應用。

2 降塵用抑塵劑優選

煤的潤濕性通常用來衡量煤塵顆粒與液體相互附著的難易程度。為進一步提高礦井噴霧降塵的效果，應采取一定措施提高噴霧溶液對煤塵的潤濕效果。煤塵潤濕性的測量方法有許多種，較為常用的有沉降法、毛細管上向滲透法、動力試驗法等。不同方法的測定步驟、時間成本、難易程度均存在明顯差異，經過廣泛的對比分析[1-2]，確定采用上向毛細管滲透法進行黃陵一號煤礦粉塵潤濕性測定。上向毛細管滲透法測定步驟為：（1）將礦井下采集的粉塵裝入一端有滲透膜封閉的毛細試管中；（2）試管有滲透膜封閉的一端與溶液接觸；（3）與溶液接觸一段時間后稱量粉塵的重量。根據粉塵增重的差異衡量粉塵對該溶液的潤濕性，其原理如圖1（a）。黃陵一號煤礦煤塵潤濕性測試實驗采用內徑7 mm 的細管，在624 綜采工作面進行粉塵取樣，將制備好的粉塵0.4 g 放入細管內并稱重，將細管放入盛有20 mL 溶液的50 mL 燒杯中，10 min 后再稱量煤塵吸濕后的總重，增重量越大說明該溶液的潤濕能力愈強。

大多數礦井粉塵均具有疏水性，通過在水中加入一定量的表面活性劑可提高溶液的潤濕性、滲透性。溶液中的表面活性劑粒子間相互吸附形成膠團，膠團匯集在溶液表面，降低溶液表面張力值，進而提高溶液對煤塵的潤濕效果。結合國內相關研究成果[3-4]，初步選取烷基酸鹽系列（WJY）、烷基酚聚氧乙烯醚系列（WJF）表面活性劑作為降塵噴霧溶液的添加劑。在實驗室進行毛細管上向滲透法測定不同濃度表面活性劑溶液的潤濕性，整理得到圖1（b）所示結果。可以看出，添加兩種表面活性劑后溶液對粉塵的潤濕性均比自來水有顯著增加。溶液濃度增大，對粉塵樣本的潤濕性隨之增加。隨溶液內表面活性劑密度的增大，溶液內膠團數量、密度增大，溶液表面張力值明顯減小，使得潤濕性增強。溶液濃度在0.01%～0.1%之間變化時，粉塵吸濕量平穩緩慢增大；當溶液濃度在0.1%～1.0%間變化時，粉塵吸濕量明顯增大；溶液濃度大于1.0%繼續增大時，溶液濃度對吸濕量的影響減弱。說明當膠團濃度達到一定限度時，溶液表面已布滿膠團，繼續增加的膠團只能分布于溶液內部，不能降低溶液表面的張力值。對比發現WJY 溶液的吸濕量顯著大于WJF 溶液。因此，初步選擇1.0%質量濃度的烷基酸鹽系列溶液為黃陵一號煤礦降塵噴霧溶液。

圖1 活性劑溶液對粉塵樣本潤濕性測試原理及結果

在表面活性劑溶液中添加一定量的無機鹽可提高溶液的潤濕能力。參考相關研究成果可知，表面活性劑在溶液中解離出的活性離子形成擴散雙電層，無機鹽溶解后作為電解質能夠使雙電層進一步壓縮，減弱活性離子間的排斥作用，表面活性劑聚集形成的膠團增大，繼而提高潤濕能力。本次實驗選取NaCl、CaCl2、Na2SO4、Na2SiO3四種常見的無機鹽作為添加劑，與WJY、WJF 溶液進行復配，仍通過上向毛細管滲透法測量粉塵的潤濕性，整理結果如圖2。

圖2 添加不同濃度無機鹽對粉塵吸濕量影響

圖 2（a）、（b）分別為質量濃度為1.0%和0.5%的WJY 溶液在添加不同質量無機鹽條件下吸濕性的測試結果。加入各種無機鹽后，煤樣的吸濕量明顯增大，當無機鹽加入量達到一定程度后，粉塵樣本的吸濕量不增反降，因此添加的無機鹽應適量。兩種溶液條件下粉塵樣本的吸濕量變化曲線說明，無機鹽的質量占比不應大于0.5%，其中加入Na2SO4對溶液潤濕能力的增強最為明顯。因此，確定黃陵一號煤礦噴霧溶液抑塵劑采用質量濃度1.0%的烷基酸鹽系列溶液（WJY），并添加質量占比0.5%的Na2SiO3無機鹽。

3 抑塵劑添加系統設計

黃陵一號煤礦為向井下噴霧系統內加入表面活性劑，引進抑塵劑添加系統（LDJY-200/SL）設備。該裝置采用文丘里效應，通過收縮管增大流動液體的速度，減小其靜水壓力，通過壓力差提供外在吸力，將配置好的較高濃度表面活性劑溶液自動加注在降塵噴霧管路中，其原理如圖3（a）。對綜采工作面噴霧降塵系統的改造如圖3（b）。將工作面進水管路分為進風巷和回風巷兩路，進風巷管路主要對采煤機內外噴霧、液壓支架噴霧系統進行供水，回風巷管路主要對降塵水幕進行供水，在供水管路支管上裝設 LDJY-200/SL 型添加設備，達到使抑塵劑噴灑至各降塵噴霧位置的效果。

圖3 添加設備原理及工作面噴霧管路示意圖

4 降塵效果的考察與分析

624 工作面采煤機內外噴霧、液壓支架架間噴霧、回風巷全斷面噴霧、轉載點噴霧均采用添加表面活性劑的自來水溶液，為驗證優化后綜合噴霧的降塵效果，在工作面采煤機司機附近采用AKFC-92A 型礦用煤塵采樣器進行粉塵監測。結果表明，噴霧系統內加入抑塵劑后全塵和呼塵的降塵效率分別由原來的64.6%、59.8%提高為83.7%、84.2%，降塵效率顯著提升。采用發射掃描電場得到全塵、呼塵的FESEM 圖像如圖4。結合X-射線能譜（EDX）分析結果，圖4（a）、（b）中顆粒物較多，主要組成元素為C、O、Si、Al 等，表明粉塵中存在較多的SiO2、Al2O3礦物顆粒，這些顆粒是引發礦工矽肺病和塵肺病等職業病的重要因素；圖4（c）、（d）中顆粒物明顯減少，且EDX 圖譜中Si、Al 顆粒基本消失，主要組成元素為C、O 及少量的Al、Si，表明添加抑塵劑后，噴霧對SiO2、Al2O3、CaO等礦物顆粒的去除效果良好，可顯著改善井下作業環境，有利于預防矽肺病、塵肺病等職業病。

圖4 回采面粉塵FESEM 圖像

5 結論

以黃陵一號煤礦624 工作面為背景，通過上向毛細管滲透法測量各類溶液對粉塵的潤濕性，得到噴霧系統應采用質量濃度1.0%的烷基酸鹽系列溶液，并添加質量占比0.5%的Na2SiO3無機鹽，結合工作面供水管路設計抑塵劑自動添加系統。井下粉塵濃度監測結果對比發現，加入抑塵劑后采煤機司機處全塵和呼塵的降塵效率分別由原來的64.6%、59.8%提高為83.7%、84.2%，抑塵劑能夠顯著降低粉塵中SiO2、Al2O3等礦物顆粒的含量，顯著降低了采煤工作面的粉塵濃度，改善了現場的生產環境。