基于泡沫降塵技術(shù)的盤江精煤礦井通風(fēng)試驗研究

摘" 要：針對盤江精煤公司礦井通風(fēng)降塵難的問題，提出以泡沫降塵技術(shù)治理粉塵。分析泡沫降塵的原理和工藝流程，在山腳樹礦、金佳礦和土城礦進(jìn)行現(xiàn)場試驗，證明泡沫降塵是一種非常有效的降塵措施，并且得出降塵工藝的最佳供風(fēng)壓力為0.4～0.5 MPa、泡沫液濃度為2.5%～3.5%且發(fā)泡劑用量以噸煤不超過100 g為宜。

關(guān)鍵詞：綜采面；泡沫降塵；發(fā)泡劑；盤江精煤；礦井通風(fēng)

中圖分類號：TD714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-0058-05

Abstract： In view of the difficulty of mine ventilation and dust reduction in Panjiang Fine Coal Company， foam dust reduction technology is proposed to control dust. The principle and technological process of foam dust reduction are analyzed， and field tests are carried out in Shanjiaoshu Mine， Jinjia Mine and Tucheng Mine. It is proved that foam dust reduction is a very effective dust reduction measure， and it is concluded that the best air supply pressure of the dust reduction process is 0.4～0.5 MPa， the foam liquid concentration is 2.5%～3.5% and the amount of foaming agent is no more than 100 g per ton of coal.

Keywords： fully mechanized mining face; foam dust reduction; foaming agent; Panjiang clean coal; mine ventilation

《中國礦產(chǎn)資源報告2022》顯示，2021年中國能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，占比達(dá)到56%，雖然煤炭所占比例有所減少，煤炭在能源消費總量的地位在未來很長一段時間內(nèi)不會改變，煤炭開采活動不會消失。在煤礦生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的包括煤塵、巖塵及其他有毒有害的粉塵，礦井粉塵的存在對生產(chǎn)活動和人的危害越發(fā)引起人們的注意[1]。

1" 煤礦粉塵的危害

隨著采煤機、掘進(jìn)機及液壓支架等現(xiàn)代化裝備被廣泛應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)中，礦井生產(chǎn)能力越來越大，繼而產(chǎn)生的粉塵越來越多，如不采用降塵措施，粉塵飄蕩在巷道及回風(fēng)系統(tǒng)中，輕則危害職工健康，重則發(fā)生粉塵爆炸等生產(chǎn)事故，危害性極大。煤礦粉塵的危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1" 危害職工身體健康

職工在井下進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)期間吸入大量的粉塵，大量粉塵沉積在肺部難以自行排出，積累到一定的程度會導(dǎo)致肺組織彌漫纖維化，久而久之形成塵肺病[2]。我國塵肺病病人數(shù)量居世界首位，塵肺病已經(jīng)是國內(nèi)最為嚴(yán)重的職業(yè)病。

1.2" 引起粉塵爆炸

粉塵中細(xì)小的煤塵漂浮在空氣中，隨著巷道風(fēng)流到處飄散，當(dāng)粉塵累積到一定程度（30～50 g/m3）且遇到明火時極易發(fā)生爆炸事故，爆炸往往引起范圍爆炸和二次災(zāi)害，最終釀成重大生產(chǎn)事故。

1.3" 危害設(shè)備及環(huán)境

粉塵濃度過高會導(dǎo)致井下可見度下降，對工人視力和生產(chǎn)活動產(chǎn)生影響；粉塵附著在電子儀器上，會降低電子儀器的靈敏度，造成測量數(shù)據(jù)偏差；大的粉塵顆粒落到設(shè)備上引起設(shè)備磨損，會縮短設(shè)備的使用壽命。

2" 泡沫降塵系統(tǒng)及工藝流程

傳統(tǒng)的降塵方式多以注水和噴霧為主，泡沫降塵是通過產(chǎn)生離散泡沫降低粉塵的方法[3-4]。

2.1" 泡沫降塵原理

泡沫降塵是在傳統(tǒng)的水霧降塵中加入特殊的起泡劑，發(fā)泡劑水溶后形成發(fā)泡液，發(fā)泡液通過壓縮空氣噴灑到粉塵產(chǎn)生的區(qū)域，以達(dá)到降塵的效果。泡沫降塵的基本原理是：裝置產(chǎn)生的泡沫被噴灑到塵源處，一方面粉塵擴散的路徑被阻斷；另一方面，泡沫顆粒具有極強的粘附性，可以捕獲接觸到的粉塵；第三，泡沫液與水結(jié)合降低了水的表面張力，加大了水與粉塵的接觸面積，泡沫與粉塵結(jié)合形成泡沫顆粒團(tuán)，隨著顆粒團(tuán)的壯大，當(dāng)重力超過浮力時，便會沉降下來，大大提高粉塵的沉降效率。

2.2" 泡沫降塵工藝流程

泡沫降塵裝置需要借助井下的供水系統(tǒng)和壓風(fēng)系統(tǒng)，將供水管道和壓縮空氣管道接到對應(yīng)的接口上。發(fā)泡劑水溶后泵入除塵裝置的發(fā)泡系統(tǒng)，發(fā)泡后的液體與水管清水混合形成發(fā)泡液，發(fā)泡液與壓縮空氣攪拌混合形成泡沫群，后經(jīng)噴頭噴灑至塵源處，形成無間隙的泡沫體覆蓋粉塵。工藝流程如圖1所示。

3" 泡沫降塵計算在盤江精煤公司的應(yīng)用

貴州盤江精煤股份有限公司（簡稱精煤公司）坐落于貴州省六盤水盤州市。公司現(xiàn)有5對生產(chǎn)礦井，2對托管礦井，2對在建礦井，5座選煤廠，1個發(fā)電公司，1個礦機公司。為了降低井下工作面的煤塵，精煤公司在山腳樹煤礦、土城煤礦和金佳煤礦綜采工作面進(jìn)行了泡沫降塵裝置現(xiàn)場試驗，對其除塵效果進(jìn)行了測試，取得了顯著的成效。

3.1" 山腳煤樹煤礦降塵試驗

山腳樹煤礦為公司旗下180萬t在生產(chǎn)礦井，泡沫降塵試驗應(yīng)用在井下22186工作面。22186工作面為綜采工作面，煤層厚約2.5 m，傾角為緩傾斜，采煤機型號為MXG-350型，以往采煤時采用傳統(tǒng)的噴水降塵措施，效果不佳，工作面粉塵較多且煤塵具有爆炸性危險，因此根據(jù)現(xiàn)場實際情況，進(jìn)行了泡沫降塵的現(xiàn)場試驗[5]。

根據(jù)分析，工作面的粉塵主要來自采煤機機械破煤、液壓支架遷移和礦井通風(fēng)進(jìn)風(fēng)流3個方面，粉塵來源比例如圖2所示。針對采煤機機械破煤產(chǎn)生的粉塵，采取機身上安裝泡沫降塵裝置的方式。泡沫降塵裝置由主機、聯(lián)合閥門、過濾器、泡沫分配器、支架和噴頭等組成，如圖3所示。主機內(nèi)部由混合器和發(fā)泡機組成，水和發(fā)泡劑混合后經(jīng)霧化噴頭噴至粉塵區(qū)域以達(dá)到降塵的目的。降塵所需高壓水和高壓空氣引自22186工作面水管路和壓風(fēng)管路，礦用發(fā)泡劑預(yù)先水溶后由泵送至混合器內(nèi)，在混合器內(nèi)與水充分混合后形成發(fā)泡液，發(fā)泡液和壓縮空氣在泡沫發(fā)泡器中相遇，產(chǎn)生大量的泡沫經(jīng)泡沫分配器后到達(dá)霧化噴頭，噴灑在粉塵產(chǎn)生的區(qū)域，以達(dá)到降塵的效果。采煤機破煤割煤粉塵主要集中在前后滾筒與煤的接觸點，因此，將霧化噴頭放置在滾筒周圍，支架固定在采煤機搖臂上，為達(dá)到全覆蓋的效果，設(shè)計使用5個霧化噴頭，降塵裝置在采煤機上的安裝位置如圖4所示。針對液壓機移架粉塵采用每隔15 m架設(shè)自動噴霧裝置，對進(jìn)風(fēng)巷粉塵采用增加2道自動化噴霧水幕的措施。

為了驗證泡沫降塵裝置的應(yīng)用效果，對3種狀態(tài)不同降塵措施下上出口10～15 m處的粉塵濃度和整體降塵效率進(jìn)行了對比分析，結(jié)果如圖5所示。圖中顯示，利用泡沫降塵的措施對全塵和呼吸性粉塵的去除效果比較好，對全塵的降低效果高達(dá)75%，是水霧除塵的1.7倍；呼吸性粉塵降塵效果達(dá)到64%，為水霧除塵的1.6倍，效果顯著。此外，試驗發(fā)現(xiàn)泡沫降塵可顯著減少除塵的耗水量。

3.2" 金佳煤礦降塵試驗

金佳煤礦同屬公司旗下在生產(chǎn)礦井，設(shè)計產(chǎn)能為180萬t/年，在開采的18號煤層，自然發(fā)火傾向性屬于Ⅲ類不自燃煤層，但粉塵具有爆炸性。為了降低粉塵的危害性，礦井設(shè)計了專用降塵供水系統(tǒng)，建有一座280 m3蓄水池用于井下粉塵治理，之前采用常規(guī)的采面煤體注水降塵、風(fēng)流噴霧降塵和采煤機霧化噴水等方式降塵，效果不佳。后對11181綜采工作面降塵系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用了噴灑泡沫的方式進(jìn)行了降塵試驗。

11181綜采工作面采用MG300/700 WD型采煤機進(jìn)行作業(yè)，工作面的粉塵也主要來自采煤機機械破煤、液壓支架遷移和礦井通風(fēng)進(jìn)風(fēng)流。對于液壓支架遷移和進(jìn)風(fēng)煤巷粉塵同樣采取每隔15 m架設(shè)自動噴霧裝置和增加2道自動化噴霧水幕的措施。對于采煤機粉塵治理，將泡沫降塵的裝置安裝在MG300/700 WD型采煤機上，水源由原有噴水降塵系統(tǒng)管路提供，壓縮空氣由井下供風(fēng)系統(tǒng)提供，使用了5個霧化噴頭以達(dá)到全覆蓋的效果。為了更好地優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，對泡沫量、用水量和風(fēng)壓的關(guān)系進(jìn)行了測定，同時測試了工作面上隅角和回風(fēng)側(cè)5 m和10 m的粉塵濃度[6]。

3.2.1" 泡沫量與風(fēng)壓的關(guān)系

從圖6可以看出，在發(fā)泡劑供應(yīng)量不變的情況下，泡沫量隨著風(fēng)壓的增大而增大，當(dāng)風(fēng)壓超過0.5 MPa后，泡沫量反而減小，分析原因得出，風(fēng)壓過大的情形下，霧化噴頭處噴出的液體明顯增加，因此得出裝置的最佳風(fēng)壓在0.4～0.5 MPa。

3.2.2" 泡沫量與供水量關(guān)系

控制發(fā)泡液濃度不變，隨著供水量的增加泡沫量迅速增加，達(dá)到一定值后增幅變緩，最終不再增加，過多的水殘留在發(fā)泡器中，如圖7所示。

3.2.3" 泡沫量與發(fā)泡劑濃度關(guān)系

風(fēng)壓取0.4 MPa，供液量取20、25、40 L/h，改變發(fā)泡劑的濃度，測量泡沫量，泡沫量與發(fā)泡劑濃度的關(guān)系如圖8所示，當(dāng)發(fā)泡劑濃度較低時（小于2%），泡沫量隨著發(fā)泡劑濃度的增大迅速增加，發(fā)泡劑濃度達(dá)到3%時泡沫量達(dá)到最大值，繼續(xù)增加發(fā)泡劑濃度，泡沫量反而逐漸減少，由此推斷發(fā)泡液濃度控制在2.5%～3.5%最佳。

3.2.4" 綜采面降塵試驗

按照上述測試結(jié)果，采用0.4 MPa風(fēng)壓，25 L/h供液量，3%濃度發(fā)泡液對11181綜采工作面進(jìn)行降塵試驗，測量上隅角、回風(fēng)側(cè)5 m、回風(fēng)側(cè)10 m全塵和可吸入粉塵濃度，得到的測試結(jié)果如圖9所示。結(jié)果顯示，在上隅角全塵和可吸入粉塵降塵效果分別為62%和33%，回風(fēng)側(cè)5 m全塵和可吸入粉塵降塵效果分別為33%和14%，回風(fēng)側(cè)10 m全塵和可吸入粉塵降塵效果分別為40%和21%，在上隅角的除塵效果最明顯。

3.3" 土城礦泡沫降塵效果

土城煤礦同屬公司旗下在生產(chǎn)礦井，其1312綜采工作面采用上行通風(fēng)方式，煤層煤塵爆炸指數(shù)為24%，煤層爆炸性較強，1312綜采工作面進(jìn)行了泡沫降塵試驗[7]。

3.3.1" 降塵效果

工作面采用MG80/200-BW型液壓無鏈牽引采煤機，采用同樣的方式安裝了泡沫降塵裝置，生產(chǎn)過程中在測量了回風(fēng)隅角處、回風(fēng)隅角側(cè)5 m處、回風(fēng)隅角回風(fēng)側(cè)10 m處的降塵效果，測量全塵和呼吸性粉塵濃度，測量結(jié)果如圖10所示。結(jié)果顯示，泡沫降塵裝置對于全塵最大降塵效果高達(dá)77%，對呼吸性粉塵降塵效果高達(dá)79%，泡沫降塵裝置降塵效果最好。

3.3.2" 發(fā)泡劑噸煤用量

發(fā)泡劑用量直接關(guān)系到降塵效果和生產(chǎn)成本，在土城礦1312綜采工作面測試了發(fā)泡劑噸煤用量和回風(fēng)巷粉塵平均濃度的關(guān)系，結(jié)果如圖11所示，從圖中可以得出，該類發(fā)泡劑在100 g/t時粉塵平均濃度下降趨勢變緩，因此發(fā)泡劑用量以噸煤不超過100 g為宜。

4" 結(jié)論

1）泡沫降塵裝置應(yīng)用在綜采面中可以有效降低工作面的全塵和呼吸性粉塵的濃度，在精煤公司的幾個煤礦中試驗效果都較好，值得全公司推廣。

2）供風(fēng)壓力、供液量和發(fā)泡液濃度是泡沫產(chǎn)量的主要影響因素。研究結(jié)果顯示，當(dāng)供風(fēng)壓力取0.4～0.5 MPa、泡沫液濃度取2.5%～3.5%、保持供液量充足，在此參數(shù)條件下泡沫降塵效果最佳。

3）為了合理的降低成本，發(fā)泡劑用量以噸煤不超過100 g為宜。

參考文獻(xiàn)：

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