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新型降尘材料在综掘工作面防尘中的应用刘承宇1，刘键2，姬玉成3（1.冀中能源峰峰集团有限公司，河北邯郸056011；2.川南煤业泸州古叙煤电有限公司，四川泸州646522；3.西南科技大学，四川绵阳621010）摘要针对综掘工作面高浓度粉尘治理现状，在分析综掘工作面运移规律前提下，结合新型降尘材料功能特点，提出综掘工作面新型降尘材料的应用工艺。在多地煤矿井下应用结果表明，新型降尘材料能够显著提高喷雾降尘效果，可将清水喷雾状态粉尘浓度最高降低90%，有效控制和降低割煤过程中产生的粉尘，极大地改善生产作业条件。关键词：综掘面；粉尘；喷雾；新型降尘材料ApplicationofthenewdustsuppressionmaterialindustcontrolofmechanizedexcavationFaceLIUCheng-yu1,2,LIUJian2,JIYu-cheng2(1.JizhongEnergyFengfengGroupCo.,Ltd,Handan05601,China;2.SouthSichuanCoalLuzhouGuxuCoal＆ElectricCo.,Ltd,Luzhou646522,China;3.SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)Abstract：Accordingtohighconcentrationsofdustcontrolsituationinmechanizedexcavationface,thispaperproposestheNewDustSuppressionMaterialapplicationprocessintheMechanizedexcavationfacewiththefunctionfeaturesofthenewdust-depressorafteranalyzingdustmigrationrules.Applicationresultsinseveralcoalminesindicatethatthenewdust-depressorcansignificantlyenhancetheeffectofsprayingtoreducedustconcentrationswithatmost90%dustconcentrationreducedthanthatinwaterspraycondition,effectivelycontrolthedustgeneratedintheproductionprocessandgreatlyimprovetheproductionandoperatingconditions.Keywords:mechanizedexcavationface;dust;spray;thenewdustsuppressionmaterial引言目前，随着综合机械化掘进机在煤矿掘进的普遍应用，掘进速度和效率大幅提高，单位时间内工作面产生的粉尘量也急剧增加。煤矿井下高浓度粉尘不仅易发生煤尘爆炸，若与瓦斯爆炸，还可发生瓦斯与煤尘爆炸，造成更为严重的人员伤亡和经济损失。过高浓度的粉尘严重威胁了井下作业人员的职业健康，井下掘进、采煤工作面是煤矿职工尘肺病发病率高发区。同时，井下高浓度粉尘还降低了井下精密设备的使用寿命，影响了作业人员可视距离和掘进速度[1]，增加了操作事故发生概率，降低了职工劳动效率和矿井生产效益。因此，综掘工作面粉尘危害状况更加迫切需要改进降尘技术，加强降尘措施。在现有生产条件下，大多数煤矿掘进工作面采用的防尘技术手段有以下几种：通过煤层注水等方式减少原始粉尘的产生；依靠通风、除尘器、喷雾、湿式作业等物理控尘方式降低和除去悬浮在空气中的粉尘；通过在防尘系统添加降尘材料如湿润剂、泡沫剂等化学降尘方式增强防尘系统整体降尘效果，尤其是喷雾降尘效率。这些防尘技术措施在粉尘防治中发挥了重要作用，但仍存在一定不足[2~3]。化学降尘材料是现有防尘技术体系的重要组成部分，也是解决井下粉尘问题的潜在发展方向。新型降尘材料作为新型多功能降尘材料能够部分弥补和解决现有技术措施的不足，提高现有喷雾降尘效率，尤其对在巷道空间中悬浮能力较强的呼吸性粉尘具有显著作用。因此，新型降尘材料的应用研究对于降低煤矿井下粉尘浓度和改善作业条件具有重要意义。1影响综掘工作面粉尘运动状态的主要粉尘性质综掘工作面粉尘主要来自于综掘机割煤、装载机转载、皮带机运煤及打钻支护作业等作业工序。掘进巷道作为独头巷道，难以形成循环风流，增大了通风降尘难度，粉尘依靠风流动力自工作面扬起扩散后弥漫在工作面后部整个作业空间，这是掘进工作面风流和粉尘扬散、移动状态过程的特点[4]。巷道中悬浮的粉尘70%左右源自综掘机截割头破煤碎煤，因此割煤过程及截割头附近的粉尘控制及降尘对于实现就地控尘和降低整体巷道空间的粉尘浓度具有关键作用。目前我国煤矿井下除尘主要采用以水为主的综合防尘措施，包括煤层注水，湿式作业及各种喷雾系统，其中对于逸散在空间中的粉尘主要通过喷雾进行降尘。喷雾降尘效果的关键在于水雾颗粒与粉尘颗粒之间接触机会和结合能力。这主要受到粉尘粒径、荷电性及润湿性等多因素影响[5]。1.1粒径粉尘粒径是粉尘的重要属性，粒径大小是划分呼吸性粉尘与非呼吸性粉尘的依据。粒径越小，对人体的危害越大，越容易导致尘肺病发生。不同粒径的粉尘微粒具有不同的运动形态。在巷道大部分呈层流状态的巷道空间中，粗颗粒几乎成直线地落到平板上；细颗粒(粒径Dp=5～10um)不成直线而是成抛物线落到平板上；亚微粒(粒径Dp≤0.5um)将继续在层流气流中漂移，同时由于同气体分子碰撞而显示出了随机的布朗运动的特性[6]。因此，粒径与运动形态不同的粉尘颗粒降尘机理不同，降尘方式也应不同。1.2荷电性粉尘粒子可以带有电荷，其来源是煤岩在粉碎中因摩擦而带电，或与空气中的离子碰撞而带电。经测定和超显微观察。飘浮在空气中的尘粒有90％~95％带正电或负电，5％~10％的尘粒不带电[7]。荷电的粉尘粒子、水雾颗粒相互之间因静电相斥作用，导致微小粉尘粒子难以快速沉降，水雾颗粒难以与粉尘微粒结合，是粉尘长时间悬浮在作业空间的重要原因。这也直接增大了作业人员吸入粉尘的可能性。1.3粉尘润湿性粉尘（固体）能否与液体相互附着或附着的难易的性质称为粉尘的湿润性。通常用湿润界角进行衡量。湿润边角愈大，表面能愈大，粉尘与颗粒愈难以结合。绝大部分煤尘均属于疏水性粉尘，一般水的表面张力较大，在70dyn/cm2以上，导致喷雾水颗粒难以与粉尘颗粒结合，影响了喷雾降尘的宏观效果[8]。粉尘微粒岩性与粒径影响其湿润性。同时，不同煤尘因化学组分差异与水颗粒湿润性不同。2新型降尘材料功能特点清水喷雾的实际降尘效果受多个因素限制，尤其是粉尘的粒径、湿润性、荷电性等，致使清水喷雾对呼吸性粉尘的降尘效果更低，降尘效率常不足30%。为提高喷雾降尘效果，研究人员认为添加降尘剂提高水雾颗粒与粉尘微粒结合能力是有效手段之一，先后研制出湿润剂、起泡剂、粘结剂等降尘材料，取得了一定效果[9]。现有降尘材料仍然需要解决添加量大、成本高、适用于多种喷雾系统等问题。本文所介绍新型降尘材料具有抗静电性、润湿性、发泡性等多种功能性组分，在喷雾降尘过程其多功能性组分中能够发挥协同配合的综合作用，增强喷雾降尘效果。2.1表面活性功能组分新型降尘材料所含表面活性组分能够有效降低水溶液的表面张力。对粉尘微粒而言水表面张力下降，降低流体与固体之间的润湿角和界面自由能，使微小水雾颗粒与粉尘颗粒结合能力增强，从而改善了固体粉尘微粒的表面润湿性能，提高了整体水雾降尘效果。试验表明，万分之一水量的新型降尘材料即可将水的表面张力有效降低至30~40dyn/cm2之间。相关研究还表明，水体雾化过程中因界面表面张力降低，水雾颗粒粒径减少，数目增加；同时粉尘颗粒更易穿过小的雾滴表面，进入水雾滴，从而使水雾滴表面和内部均可吸附融合粉尘微粒[8]。这些因素的综合作用均有利于提高水喷雾的降尘效率。2.2抗静电功能组分新型降尘材料中的抗静电成分，通过改善水体破碎过程，减少水雾微粒荷电，同时有效改变粉尘颗粒表面电位，从而极大降低水雾颗粒和粉尘颗粒所带电荷的相斥作用，减弱其相互碰撞凝聚难度，使水雾颗粒与粉尘更易吸附结合，快速沉降，能有效解决清水喷雾因静电相斥问题难以结合粉尘颗粒而降尘效果不明显的问题；2.3发泡功能组分新型降尘材料的发泡性成分，能够使喷出的微小水雾颗粒泡沫化，大大增加与粉尘颗粒之间的接触面积，增加捕捉粉尘颗粒的机率。泡沫除尘在国外起步早，应用技术更成熟，国内研究人员对此进行了深入研究[10]。泡沫化水雾与粉尘之间可通过截留、惯性碰撞、扩散、黏附等作用提高降尘效率。2.4其他功能组分新型降尘材料中还包括一些其他功能成分，如微量的阻垢成分，可以管路中的结垢物质发生缓慢反应，可改善和缓解矿井防尘管路及喷雾设备结垢状况等问题。3.5无毒无害性此新材料配方中物质均采自FDA美国食品药物管理局认证原料，材新料经国家疾病预防控制中心鉴定，对人体无毒无害。3应用工艺及结果分析3.1设备安装与材料使用新型降尘材料添加量低，与防尘水的添加比例在0.8‰以下，配套设备安装简便，如图-1所示。首先，将降尘材料灌入新型材料添加控制模块的加液箱，新型降尘材料喷雾设备即可自动恒定比例添加。设备安装简单，将矿井自身防尘供水系统（或以综掘机喷雾系统为水源）与压风系统，通过矿用高压软管与喷雾降尘设备预留安装位置连接，风、水管路在作业人员附近预留开关，如此即可完成安装。作业人员可根据作业情况通过身边开关方便控制设备开、停。在水路中添加新型降尘材料，新型降尘材料与防尘水在液液混合模块内预混合后，混合液与风路通过流量控制模块进入气液混合模块。混合模块内降尘剂、防尘水与风流三者充分混合、破碎、泡沫化和初次雾化后，进入喷雾模块。经过喷雾模块二次破碎和雾化，形成细微气泡化水雾，以一定射程和角度喷出覆盖截割头产尘部位和工作面粉尘逸散部位，从而控制和降低粉尘浓度。3.2应用结果分析新型降尘材料在河北、山东、四川等地煤矿井下综掘工作面应用，取得了良好降尘效果。应用过程中，采用直读式粉尘测试仪测量清水喷雾降尘在添加新型降尘材料前后两种状态粉尘浓度变化，结果如下：河北某矿综掘工作面布置在煤层中，煤层结构复杂，倾角2°~6°，硬度系水质过滤模块新材料添加控制模块液液混合模块气液流量控制模块气液混合模块喷雾模块风路水路图-1新型降尘材料喷雾设备结构示意图Fig.-1Thestructuraldiagramofsprayingdeviceofthenewdustsuppressionmaterial数为3~5，含2~3层夹矸，最厚一层夹矸厚度筽5~0.2m，工作进度快。结果如图-2所示，应用新型降尘材料前后，综掘机司机位置处全尘浓度由389mg/m³降至105mg/m³，比清水喷雾又降低了73%。山东某矿综掘工作面属于半煤岩巷道，倾角25°，煤层厚约1.5m，含夹矸1~2层，其中部夹一稳定的粘土岩夹矸，厚约0.1m。应用中，对综掘机操作司机后10米左右处粉尘全尘浓度与呼吸性粉尘浓度两个指标进行了测定，结果如图-3所示，添加新型降尘材料后，全尘浓度与呼吸性粉尘浓度分别降至88.7mg/m³和26.5mg/m³，比清水喷雾又分别降低了74%和90%。四川某矿22405综掘工作面属于半煤岩巷道，岩石硬度系数2～8，倾角9°～26°，掘进作业中，粉尘产尘量高，严重影响作业进度。应用过程中对综掘机操作司机位置处粉尘全尘浓度进行了测定。结果如图-4所示，添加新型降尘材料后，粉尘全尘浓度又比清水喷雾时降低了58%，降尘效果明显。4影响应用工艺效果的因素分析喷雾降尘本质上是通过固-液-气（粉尘微粒、水雾颗粒与风流）三相的运动389105050100150200250300350400粉尘浓度/mg/m3粉尘全尘浓度添加前添加后图-2河北煤矿综掘面粉尘全尘浓度变化Fig.-2Wholedustconcen