水幕降塵技術在金屬礦井作業中的應用與改進

黃 強

（深圳市中金嶺南股份有限公司凡口鉛鋅礦，廣東 深圳 512325）

0 引言

水幕降塵技術[1]的本質為濕式除塵，也就是說水幕降塵技術的原理和單一液滴的捕集原理存在相通之處。研究發現，通過分析液滴噴射霧化、塵粒的流動情況以及二者之間的交互作業，可獲得極為關鍵的降塵除塵原理。簡單來講，其可以被劃分為兩種：一是塵粒主動和霧滴接觸發生沉降，二是塵粒非主動和霧滴形成碰撞而發生沉降。以上兩種均可體現出顯著的降塵效果。

1 水幕降塵技術分析

1.1 水幕降塵裝置結構

水幕除塵裝置[2-3]的結構主要是門式結構，由鋼架門框、紗網、噴液管以及流水槽組成。鋼架門框的形態為矩形框架。紗網的形態也為矩形，且四邊均被固定至鋼架門框上，如此便形成了紗窗式架構，紗網緊繃，雙層設計，層間有一定的間距。在紗窗的右下角部位，還配置了一扇可供人出入的門，該門的架構呈現依舊是紗窗結構，且門的右側邊框和門框通過合頁可以旋轉，紗窗的邊框和門框的制造原料都是鋁合金材質。水幕降塵裝置架構見圖1。

圖1 水幕降塵裝置架構示意

1.2 降塵劑

水幕降塵裝置中噴液管應用的降塵液是煤炭生產期間通過污水處理廠凈化處理完成后的中水，并在中水內添加適量的降塵劑。降塵劑屬于新型多性能的高分子聚合物，可以對礦井作業面生成的粉塵起到瞬間且高效的濕潤效果，明顯加大粉塵自身的重量，進而使粉塵呈下降狀態，降低空氣中的粉塵濃度。該方法和清水噴霧除塵存在差異性，由于體積較小的粉塵顆粒具備的靜電荷和水霧顆粒具備的電荷性質存在差異性，二者便會產生相互排斥反應。水霧和粉塵的質量均較輕，沉降效果不佳。粉塵自身具有疏水性能，難以與水融合，導致水霧自身的降塵效果較弱。而降塵劑內含有的聚合物，具備交聯度分子，并且呈網狀架構，電荷密度大，離子間有著極強的親和力，能夠顯著消除水霧和粉塵之間的排斥感，使水霧顆粒迅速濕潤粉塵顆粒表層，減少水的表層張力，促進水霧和粉塵的急速吸附以及融合，提升水霧對粉塵的吸附捕捉效率，促進其凝并，增加重力沉降速度，提高降塵效果。

選定降塵劑濃度時，需要針對礦井下的粉塵實際情況予以選擇，其質量濃度范圍可從0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%和1.2%中選定，不同濃度的降塵效果見表1，不同濃度的降塵劑對水表面張力的影響見表2。

表1 不同降塵劑濃度的降塵效果

表2 降塵劑濃度和水表面張力間的關系

分析表1 數據可知，當降塵劑的質量濃度處于0.6%時，其降塵效果明顯高于質量濃度為0.5%的降塵劑，超出部分占比約為15%。隨著降塵劑濃度的逐漸增加，降塵效果也更加顯著。分析表2 內容可知，隨著降塵劑濃度的增加，水表面張力的變化趨勢逐漸趨于平穩。因此，為有效實現降塵目標，可選擇質量濃度為0.8%、0.9%和1.0%的降塵劑。

2 水幕降塵技術在金屬礦井作業中的應用與改進

2.1 水幕降塵技術的應用——提高降塵效率

基于對水幕啟動前后的全沉濃度以及呼塵濃度變化的檢測結果，能夠計算出水幕降塵效率，對降塵效果進行預測[4]。以某金屬礦作業面為例，分別對某兩條水平掘進巷道內的粉塵濃度予以檢測，檢測裝置可應用CCZ-1000 直讀式粉塵濃度檢測儀。在正式檢測的準備階段，務必確保粉塵濃度在某段時間內的自然沉降變化程度不強烈，且粉塵檢測位置也應該設定于1.5 m 的人類呼吸帶高度。當水幕裝置啟動10 min后，便可進行粉塵濃度檢測。為防止檢測位置出現結果誤差，要隨機選擇粉塵檢測位置，并考慮水幕噴嘴設備間距的差異，噴霧蔓延規模要較為均衡，還要對全部檢測位置進行檢測，取全部檢測結果的均值，以此有效降低檢測結果的偏差值。某金屬礦掘進工作面粉塵濃度檢測設置如圖2 所示，核心檢測位置與水幕系統的距離分別是3 m、8 m。取得檢測結果后，對全部參數予以整合處理，再把井下實測獲得的全塵、呼塵濃度參數繪制成表，詳見表3。

表3 粉塵檢測結果

圖2 粉塵檢測現場示意圖

對自然通風條件下的粉塵濃度與應用水幕降塵技術后的粉塵濃度予以對比，其詳細的對比情況如圖3 所示。

圖3 應用水幕降塵技術的前后粉塵濃度對比

由圖3 可知，在水幕系統未啟動階段，分別對礦井中距離掘進面25 m 以及30 m 位置的巷道側予以粉塵采樣，檢測結果為，全塵質量濃度分別是341.6 mg/m3和270.5 mg/m3，呼吸性粉塵的質量濃度分別是131.2 mg/m3和98.3 mg/m3。對應用水幕降塵技術之后的粉塵予以采樣檢測，其全塵質量濃度檢測結果分別是120.2 mg/m3以及98.8 mg/m3，呼吸性粉塵質量濃度檢測結果分別是78.3 mg/m3以及54.5 mg/m3，計算可得，水幕降塵技術的全塵降塵效率為64%，針對呼塵的降塵效率為44%，水幕降塵技術在金屬礦的粉塵處理中效果顯著。

2.2 水幕降塵技術的改進——水幕用水的凈化處理

水幕降塵技術的應用，極易造成水資源浪費以及金屬礦井內環境條件惡化，如巷道積水將影響作業器械穩定運行，甚至會發生水中觸電事故。因此，為了有效解決和規避此類問題，可將水幕降塵裝置噴射出的含有粉塵以及其他雜質且降落至巷道底板的霧滴，收集到過濾池并進行高效凈化。該凈化方法的原理是基于過濾網對水幕降落的粉塵進行過濾，但過濾網很容易被各類雜質阻塞，需要清潔和替換，導致后期的維修管理難度顯著增加。基于此，可研發能夠顯著實現水幕凈水目標的凈水設備，提升凈水效果，使水質更加潔凈，確保凈化水幕高效應用，實現安全和效益的最大化目標。

傳統的水幕凈水方法是在凈水管道內的全斷面安裝過濾網，其凈水效果不佳。如圖4 所示的凈水裝置可以在出水管內安裝較小斷面的過濾網，不僅可節約過濾網的使用面積，還可以有效防止底部污水層雜質的混入。當水體通過進水管進入凈水裝置后，管徑變大，水流壓力也隨之降低，在凈化裝置中可以達到沉淀的效果，且多數雜質沉積于裝置的最下層，此時，凈水裝置內部便可分成下方污水層和上方凈水層。污水層內雜質較多的水體會從特定通道流出，而凈水層內的水體便會從過濾網排進出水管，再由出水管把凈化完成的水體引進水幕系統。水體在該裝置的沉淀以及過濾兩道工序的處理下，所含的雜質可被清除，達到水資源的節約使用。同時，也可保證金屬礦井下的作業安全。

3 結語

針對金屬礦井下粉塵嚴重的問題，可采用水幕降塵技術，在降塵劑的輔助下，高效發揮其降塵效果。基于水幕降塵技術的礦下全塵降塵效率為64%，呼塵降塵效率為44%。此外，還可通過研發凈水裝置實現水資源的循環利用，進一步提升降塵效果，且降塵的水霧不會對人類健康造成危害，確保礦井下作業設備的穩定運行和作業人員的人身安全。