搜索
矿井粉尘防治新技术中国矿业大学二○一二年三月中国矿业大学周福宝教授主要内容一、泡沫抑尘技术二、润湿剂喷雾降尘技术三、柔性附壁风筒辅助降尘技术截留机理认为,粒子有大小而无质量或粒径小于5μm时，不同大小的粒子都跟着气体的流线而流动。如图所示，当流动的气体对着泡沫流动时，气流将在泡沫的上游折转而绕泡沫流过。如果在某一流线上的粒子中心正好使dp/2能接触到泡沫，则该粒子被截留。截留效应惯性碰撞效应在惯性碰撞中，粒子沿流线运动绕流时,由于惯性作用而偏离流线,与泡沫相撞而被捕集,如图中虚线所示。一、泡沫抑尘技术泡沫降尘原理黏附效应泡沫外表面具有黏附粉尘的功能,其捕尘机理如图所示。当具有一定速度的泡沫向粉尘运动,粉尘经过碰撞、截留和扩散等一系列作用后到达泡沫表面,被泡沫所黏附。扩散效应微细尘粒(dp1μm),在气流中受到热运动的气体分子撞击后,并不均衡地跟随流线,而是在气体中作布朗运动。由于这种不规则的热运动,在紧靠泡沫附近,微细尘粒可能与泡沫相碰撞而被捕集,称为扩散效应。随着粉尘颗粒减小,流速减慢,温度增加,尘粒的热运动加速,从而与泡沫的碰撞概率也就增加,扩散效应增强。一、泡沫抑尘技术泡沫抑尘发生器利用矿井掘进工作面的高压风管及水管（或者利用掘进机的冷去水），在设备内部将发泡剂与水定量混合后，加入一定量的压风，通过发泡装置产生大体积高倍数气、液两相泡沫，经喷头喷出后形成实心锥体泡沫流来覆盖掘进机切割煤岩时产尘部位，抑制粉尘的扩散，从而有效的降低粉尘浓度泡沫抑尘发生器实物图泡沫抑尘技术简介一、泡沫抑尘技术储液箱由两个罐体组成，上下均有管路将罐体联通，罐体上方分别有加料口、进气口、排气口和出液口，通过高压胶管和其他设备相连。3.1设备主要部件混合发泡器集混合器与发泡器于一体，是发泡装置的核心部分，气、水、发泡剂在此混合并在出口形成泡沫。一、泡沫抑尘技术泡沫抑尘发生器控制箱用来开关和定量调节风、水、液的装置，外面是两个总控制阀门（分别开关风、水）和各管路的微调阀门（分别调节风、水、液），用来调节发泡效果，内部由高压胶管连接。喷头及喷头支架发泡器发出的泡沫通过喷头喷射并形成锥状，以完全包裹掘进机切割头，从而有效抑尘。喷头架用来将喷头固定在掘进机摇臂上，并能调节喷头角度。一、泡沫抑尘技术泡沫抑尘发生器设备发泡原理图3.2设备发泡原理一、泡沫抑尘技术风管路通过三通分为两路，一路将储液箱中的发泡剂通过管路经液流量计定量压入混合发泡器，另一路风直接进入混合器内，同时高压水通过管路经水流量计定量流入混合发泡器。气和定量的水、发泡剂在混合发泡器中形成了气、液两相流体共同存在的情形，两种流体相互吹击、冲撞、搅拌，从而产生一定体积的泡沫，通过喷头喷出连续的实心锥状泡沫流，覆盖尘源，抑制粉尘。不用电，不必进行防爆处理，工作时安全可靠；用水量小，节约水源50%以上；操作简便，方便井下工人操作和使用；安装在掘进机上，随掘进机行走，减少搬运工作。3.3设备主要特点一、泡沫抑尘技术泡沫抑尘发生器4.1晋城煤业集团寺河矿掘进工作面粉尘治理原状晋城矿区煤质坚硬，硬度系数为2～4，机械化开采程度高，开采强度大，煤尘亲水性差，产尘量极大。概况掘进工作面防尘措施防治粉尘效果掘进工作面粉尘浓度达到600～1000mg/m3。喷雾降尘与除尘风机相结合的除尘方式。一、泡沫抑尘技术现场应用应用泡沫抑尘设备后，寺河矿掘进巷道93226巷、92103巷和92104巷掘进工作面抑尘效率都有明显提高，平均抑尘率达到75%以上。泡沫抑尘较除尘风机（除尘效率约为40%）效果而言也有明显的优势，充分说明泡沫抑尘方法能够有效降低掘进工作面粉尘浓度，保障工人的身心健康。应用效果036912151860%60%～65%65%～70%70%～75%75%～80%80%～85%85%～90%90%～95%95%～100%抑尘效率占总数百分比(%)统计结果多项式(统计结果)8%2%5%13%3%17%23%29%1000mg/m3800～1000mg/m3600～800mg/m3400～600mg/m3300～400mg/m3200～300mg/m3100～200mg/m30～100mg/m3泡沫抑尘效率综合分析图泡沫抑尘后粉尘浓度综合分析图一、泡沫抑尘技术泡沫完全覆盖截割部截割煤岩时泡沫射向尘源，抑尘效果明显司机拥有良好的工作视线应用泡沫抑尘全景应用效果一、泡沫抑尘技术4.2河南神火集团薛湖矿的应用2018机巷掘进工作面粉尘治理原状薛湖矿区煤质较软，硬度系数为1～2，机械化掘进程度高、强度大，煤尘亲水性差，产尘量极大。粉尘概况2018机巷掘进工作面防尘措施防治粉尘效果掘进工作面粉尘浓度极高，可达到600～1200mg/m3。喷雾、洒水降尘一、泡沫抑尘技术现场应用采用喷雾、洒水降尘措施，平均全尘粉尘浓度只能降960.07mg/m3，而采用泡沫抑尘技术平均全尘粉尘浓度可见到206.38mg/m3，抑尘效率提高了78.50%。采用喷雾、洒水降尘措施，平均呼吸性粉尘浓度只能降到267.42mg/m3，而采用泡沫抑尘技术后，平均呼吸性粉尘浓度可降到49.75mg/m3，抑尘效率提高了81.40%。05001000150020003.73.103.133.163.193.223.253.283.314.34.64.94.124.154.184.214.24日期全尘粉尘浓度（mg/m3）采用喷雾、洒水降尘措施后全尘粉尘浓度采用泡沫抑尘技术后全尘粉尘浓度采用不同降尘措施后全尘粉尘浓度01002003004003.73.103.133.163.193.223.253.283.314.34.64.94.124.154.184.214.24日期呼吸性粉尘浓度（mg/m3）采用喷雾、洒水降尘措施后呼吸性粉尘浓度采用泡沫抑尘技术后呼吸性粉尘浓度采用不同降尘措施后呼吸性粉尘浓度应用效果一、泡沫抑尘技术加快掘进速度，提高工作效率与传统湿式除尘相比，耗水量减少50%以上减少工作量，降低工人劳动强度经济效益降低尘肺病发病概率杜绝煤尘爆炸事故的发生降低工作面瓦斯浓度社会效益一、泡沫抑尘技术经济效益和社会效益分析泡沫抑尘技术的成功应用，大大提高机械化掘进工作面的抑尘效率，节约大量水源，为掘进工作面创造良好的工作环境，提高井下作业人员的工作效率；大大降低采掘一线职工患职业病的概率，充分体现企业关爱职工的真谛，对建设社会主义和谐社会具有重大意义。该项技术研究成果填补了我国采掘工作面泡沫抑尘技术的空白，该项技术现已在晋城煤业集团、河南神火集团全面推广使用，受到矿领导和矿工一致好评。一、泡沫抑尘技术市场需求及应用前景润湿剂单体的初选无毒；无臭；降低水表面张力的能力强；储存及运输时溶液性质不变；在矿井水中溶解度大；低温不结晶；无可燃性；无侵蚀性；成本低、运输方便。表面活性剂(试剂)：十二烷基苯磺酸钠；十二烷基硫酸钠；OP-10；JFC助剂：Nacl，Na2SO4二、润湿剂喷雾降尘技术润湿剂单体的优选实验水对煤饼的接触角实验试剂1对煤饼的接触角实验试剂2对煤饼的接触角实验试剂3对煤饼的接触角实验试剂4对煤饼的接触角实验润湿剂单体优选的接触角实验试剂的接触角为：水（92.1°)试剂4(55.7°)试剂1(45.1°)试剂3(39.5°)试剂2(25.4°)。试剂2的接触角最小，实验的润湿性能最好，试剂4的接触角最大，单独使用润湿效果不佳。表面活性剂复配后产生协同效应和增效作用，有时能出现单一表面活性剂所没有的功能。煤尘沉降实验简单易行，并且比较能说明溶液对煤尘润湿能力的强弱，对表面活性剂复配后的溶液进行煤尘沉降实验，煤尘沉降时间越短，除尘效果越好。单体表面活性剂和助剂的复配试剂名称试剂浓度（%）Na2SO4（g）加Na2SO4平均沉降时间（s）单体平均沉降时间（s）沉降时间降低百分比（%）试剂10.40.54658.621.5试剂20.40.510.514.226.1试剂30.40.520.120.62.4试剂40.40.567.3681.1表面活性剂加入助剂Na2SO4后煤尘沉降变化向试剂1和试剂2中分别加入无水Na2SO4后，平均沉降时间比单体平均沉降时间分别下降了21.5%和26.1%，下降幅度比较大，复配效果明显。二、润湿剂喷雾降尘技术润湿剂的复配实验试剂名称试剂浓度（%）NaCl（g）加NaCl平均沉降时间（s）单体平均沉降时间（s）沉降时间降低百分比（%）试剂10.40.55658.64.4试剂20.40.513.614.24.2试剂30.40.520.420.61.0试剂40.40.567.8680.3表面活性剂加入助剂NaCl后煤尘沉降变化表面活性剂两两复配表面活性剂两两复配后，复配协调效果不明显。表面活性剂加入助剂NaCl后，复配协调效果不明显。单体表面活性剂和助剂的复配二、润湿剂喷雾降尘技术注：试验时试剂2做成100ml的溶液，助剂1和助剂2加入溶液中兑成混合溶液配方。水平因素试剂2（g）助剂1（g）助剂2（g）10.10.20.120.30.40.230.50.60.3正交设计因素表试验号因素煤尘平均沉降时间（s）试剂2（g）助剂1(g)助剂2(g)10.10.20.138.620.10.40.222.330.10.60.324.740.30.20.215.650.30.40.39.860.30.60.110.670.50.20.317.180.50.40.113.590.50.60.214.9正交试验数据及试验结果以除尘剂除尘效果为研究对象，采用正交试验设计方法设计试验，通过直观分析和方差分析寻确定影响配方除尘效果的显著因子，最后找到除尘剂的最佳配方的优化设计。选取四个因素三个水平的正交表L9(34)二、润湿剂喷雾降尘技术润湿剂配方的正交实验影响因素直观分析表指标综合平均值因素试剂2（g）助剂1(g)助剂2(g)煤尘平均沉降时间K157.0647.5441.80K224.0030.4033.34K330.3433.4635.86k128.5323.7720.90k212.0015.2016.67k315.1716.7317.93R16.538.574.43通过直观分析方法，利用正交试验所得试验数据，分别计算Ki、ki和R.051015202530试剂20.1g0.3g0.5g助剂10.2g0.4g0.6g助剂20.1g0.2g0.3g煤尘平均沉降时间（s）评价指标与试验因素影响趋势图试验结果：在试剂2为0.3g，助剂1为0.4g，助剂2为0.2g时，煤尘平均沉降时间应为最小，除尘剂配方的除尘效率最好。二、润湿剂喷雾降尘技术试验结果分析葛泉矿掘进工作面粉尘治理原状葛泉矿煤质坚硬，硬度系数为1～3，机械化开采程度高，开采强度大，煤尘亲水性差，产尘量极大。概况11912掘进工作面防尘措施防治粉尘效果产尘量较大，平均全尘粉尘浓度达到600mg/m3以上，工作面10m范围内能见度不到2m。喷雾降尘与除尘风机相结合的除尘方式。二、润湿剂喷雾降尘技术现场应用润湿剂喷雾降尘技术降尘效果示意图使用润湿剂喷雾降尘技术时，平均全尘粉尘浓度由631.2mg/m3降到了88.5mg/m3，全尘平均降尘效率为85.98%。润湿剂喷雾降尘技术在葛泉矿11912综掘工作面现场应用后，有效地治理了11912综掘进工作面粉尘灾害，改善了工人作业环境。二、润湿剂喷雾降尘技术应用效果分析4A3125A76365A-A1-筒体；2-条状导风筒；3-挂钩；4-锥状出风筒；5-出风口；6-筒壁出风口；7-风筒变径。柔性附壁风筒结构示意图柔性附壁风筒包括柔性筒体，挂钩，柔性筒体两侧壁上设有柔性条状导风管，柔性条状导风管沿柔性筒体成螺旋线型布置，一端与柔性筒体的筒壁相连、贯通，另一端则是柔性条状导风管的出风口，沿螺旋线方向向前开启；筒体前端安装锥状风筒。整个柔性附壁风筒由阻燃、抗静电材料制成，结构简单、安装拆卸，可对风流进行自然导向、