李家壕煤矿粉尘特性及音爆雾化降尘系统应用

2022-01-05宋亚新王卓龑于明生葛少成张子龙

能源与环保 2021年12期

陈凯，宋亚新，王卓龑，于明生，葛少成，刘龙，王浩，张子龙

(1.神华包头能源有限责任公司李家壕煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017000；2.太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西太原 030024)

煤炭是日常生活中不可或缺的能源之一，随着时代的进步，综采技术也在不断地更新，煤炭的产量逐步增加，与此同时，我国矿井的粉尘污染也日益加重[1-2]。目前，我国煤炭开采形式以地下开采为主，由于煤炭需求日益增加，其机械化开采程度越来越高，大部分煤矿已从原有的炮采炮掘发展成为综采综掘的机械化开采方式。但是机械化水平的提高，煤体破碎的程度也大幅增加，综采(掘)机切割煤体时所产生的粉尘量也将明显增多，其采掘过程中粉尘量往往达到300 mg/m3以上，特别是对人体危害最大的呼吸性粉尘，在机械破碎增强的情况下呼吸性粉尘也随之大幅增多。当粉尘浓度达到一定数值时会造成粉尘爆炸。根据不完全统计，我国大约有90%的煤矿中的煤尘存在爆炸风险[3]。

此外，在加速布局海外业务的过程中，探索适应国际化发展战略的海外税务管理体系迫在眉睫且意义深远。我们应对挑战、化解难题的思路是合理优化公司控股架构、管控税务风险、降低海外所得税成本。但是，通盘管控就需要全局判断和全球视野。也是这个时候，我切身感受到“厚积薄发”四个字的魅力。此前在德勤为制造业、金融业、能源业等不同领域企业提供审计和税务咨询服务的专业经验、职业敏感度以及全球性的广阔视野等积累集中释放，于无形中对我当时全情投入的海外税务管理形成了强有力的支持。

矿井煤尘对工人也会产生巨大的职业危害，其中以尘肺病最为严重。尘肺病发病周期长，前期不能准确诊断，一旦发病很难治愈，其患者需要忍受极大的身心痛苦，也给企业带来很大的经济损失，企业不仅每年支付患病工人巨额医疗费用，也影响企业的正常生产。2018年，我国统计发布职业病共97.5万例，其中尘肺病占90%[4]。因此，针对煤矿井下粉尘问题，探索适用于采掘面高效防治粉尘的技术方法，从而有效减少粉尘对井下职工身心健康的影响，对于遏制煤矿井下尘肺病问题具有十分重要的研究价值[5-9]。除此之外，随着煤矿井下粉尘浓度的大幅增加，井下工作环境能见度也大幅降低，一定程度上影响了井下生产效率。尽管我国煤炭开发利用产业大力开展粉尘治理，但到目前为止，粉尘危害仍然是煤矿的重大灾害之一[10-15]。国内外成功经验表明：煤矿粉尘污染防治需要改变侧重于污染末端治理的思路，转变为控制粉尘源。因此当前相关企业和科研单位仍在大力研发各种具体方法措施来有效防控粉尘的形成和传播，除尘方案和系统应向经济型、节能型、综合化、高效型方向发展[16-21]。

研究针对包头能源李家壕煤矿井下粉尘污染现状，对井下各生产环节的粉尘形成机理与扩散机制开展研究，并研发一套适合于李家壕煤矿的音爆雾化高效降尘技术，旨在开辟一条高效除尘的新思路，有效解决各生产环节微米级粉尘污染问题。

1 煤矿粉尘特性研究

在粉尘治理技术研究过程中，既考虑了粉尘的控制与治理，又对粉尘浓度、煤尘的亲水性、煤的分散度等参数进行测试分析，本文以包头能源李家壕煤矿为例来具体分析该矿粉尘特性。

1.1 包头能源李家壕煤矿粉尘特性测定线路

(3)51108掘进工作面辅运。51108掘进面辅运巷掘进机机头→51108掘进面辅运巷掘进机转载点→51108掘进面辅运巷掘进机司机处→51108掘进面辅运巷水雾前→51108掘进面辅运巷水雾后。

(2)51108掘进工作面主运。51108掘进面主运巷掘进机机头→51108掘进面主运巷掘进机转载点→51108掘进面主运巷掘进机司机处→51108掘进机主运巷水雾前→51108掘进机主运巷水雾后。

现场实测选用AQF-1矿用粉尘采样器对井下各产尘环节浮尘浓度、可呼吸性粉尘浓度进行测量，并对采样设备进行防潮、防静电等的处理；测定使用滤膜取样法在工作面现场进行测尘点粉尘的采样。在开机采样之前，在仪器预捕集器内放入已称重且干净、干燥的滤膜，设备内抽气泵会将周围含尘空气抽入仪器，然后测点附近浮游在空气中的粉尘进入设备后被捕捉进预捕集器，并被附着在预捕集器的滤膜上，以此达到粉尘采样的目的。

(1)31115综采工作面。31115进风巷转载点→31115综采面液压支架20号→31115综采面液压支架70号→31115综采面液压支架120号(测时为刀口)→31115综采面液压支架170号→311115回风巷支撑点→311115回风巷水雾前→311115回风巷水雾后。

(4)5-1转载点。5-1转载点下料处→5-1转载点距下料50 m处。

(5)3-1转载点。3-1转载点下料处→3-1转载点距下料50 m处。

1.2 煤矿粉尘浓度测试

根据图10所示恢复力模型滞回规则，并结合骨架曲线模型各阶段的回归方程和正反向加载各阶段卸载刚度退化规律回归方程，可得到节点的计算滞回曲线，图14为节点计算滞回曲线与试验滞回曲线的比较。由图14可知，节点计算滞回曲线与试验滞回曲线整体走势一致，吻合较好，这表明所建立的四折线恢复力模型能够较好地反映型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点在低周反复荷载作用下的滞回特性和恢复力特征。

为了保证现场实测的可靠性，得到测点有效的粉尘样品，避免采集到的粉尘稀少，在综采工作面、掘进工作面各工序开始作业30 min后再开始粉尘采样，并在各个测点处采集2组样品，最终通过计算同一测点的2组数据的算数平均值作为该测点的最终数据。采集粉尘样本时，先将滤膜对折两次使其形成漏斗状，再放置于全尘预捕集器中以便收集样本，保持滤膜有绒的一面朝着进气口方向。在现场用三角支架将粉尘采样器固定在测点位置，调整采样仪进气口高度至1.5 m。由于不同工作时间工作面粉尘浓度有所差异，待工作面回采开始后，工作面粉尘较多且稳定运移时，打开采样仪并保持预捕集器的抽气泵进风口正对含尘气流的流动方向抽取测点附近空气，采样流量设定为20 L/min，保持采样仪稳定。设定好抽取时间以后，粉尘采样仪抽取一定体积的含尘空气，粉尘颗粒随风流进入采集仪后，经过捕集板被阻隔在滤膜上。滤膜在放入采集仪之前已称量得到每张滤膜质量，在采样结束后通过称量滤膜的质量，计算出滤膜的质量增量，就可得到捕捉的粉尘颗粒质量。根据仪器的单位时间内抽气流量及提前设定好的取样时间，便可计算得到单位体积空气中的粉尘质量浓度量。包头能源李家壕煤矿不同地点粉尘浓度汇总见表1。

图6所示为苏打焙烧温度对浸出产物TiO2含量的影响。由图6可见,焙烧温度从500℃ 升高到900℃时,产品中TiO2含量也随之增加；苏打焙烧温度继续升高,酸浸产物的TiO2含量反而开始降低,这可能是苏打焙烧温度过高导致焙烧产物出现烧结现象有关[15]。由此可见, 900℃为适宜的苏打焙烧温度。

表1 不同地点粉尘浓度汇总Tab.1 Summary of dust concentration in different locations

1.3 粉尘分散度测试

从图3b中进一步可以看出，矿化床的处理效果与日进水量有较大关系。由于矿化床的水力负荷较小，当日进水量过多时，矿化床对于COD、氨氮和总氮的去除效果明显下降。因此，应保证每日进水量不超过其负荷值才能保证矿化床的处理效果。

Pni=(ni/∑ni)×100%

(1)

式中，Pni为分散度；ni为某一级颗粒的颗粒数；∑ni为粉尘整体颗粒数。

探究组（n＝50），泌尿系统感染1例、切口感染0例、呼吸道感染2例，总人数3例，占比6.00%；参照组（n＝45），泌尿系统感染3例、切口感染5例、呼吸道感染3例，总人数 11 例，占比 24.44%；（χ2＝6.413，P＝0.011）经组间比较显示探究组并发症率显著低于参照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

本次采用以粒子分散度来描述粉尘的分散性，将在电子显微镜下所看到的径向投影作为粉尘颗粒的当量直径。

在相应的测点取得粉尘样品后，将捕捉到粉尘的滤膜取出密封好带回实验室，检测粉尘分散度采用液相分散粉尘样品的方法。在烧杯中放入已采样过的滤膜，并将约 2 mL的醋酸丁酯滴入烧杯中，以制成采样的粉尘颗粒悬浮的溶液，用滴管吸取烧杯中粉尘颗粒悬浮液并滴1滴在载玻片上，将载玻片上的粉尘颗粒溶液涂抹均匀，待悬浮液上的醋酸丁酯挥发后，得到粉尘颗粒标本，再把各个测点制作好的标本编号并放在显微镜下观测。

对于李家壕煤矿煤尘试样进行了其接触角测试，测试系统如图2所示。测试过程中对选取的煤样接触角大小进行测试，通过测试得到李家壕粉尘与矿用水的接触角。

粉尘分散度测试原理为：将样品制作成样片在显微镜下观察，从而进一步计算各种粒径在总粉尘颗粒中的百分比。计算公式为：

综上所述，Survivin基因表达与喉癌病情进展存在一定联系，可作为喉癌预后指标。Survivin基因表达与bcl-2、p53表达呈正相关，与caspase-3表达呈负相关，可通过调节凋亡相关因子，促进肿瘤发展。

图1 粉尘颗粒图像及颗粒分布Fig.1 Dust particle image and particle distribution

1.4 粉尘湿润性测试

粉尘的润湿性通过粉尘的接触角来衡量，接触角是从固体的粉尘粒子表面经过液相到达液体表面所经过的角度，通常用θ表示。当θ<60°时，表示湿润性好，为亲水性；湿润性强的粉尘有利于湿式除尘。测试仪器设备为XG-CAMC表面接触角测量仪；压片机及磨具为FW-4A型；蒸馏水；微量注射器；容量瓶；镊子；玻璃载片。

将颗粒标本对放在电子显微镜下观察，通过粉尘颗粒图像分析仪分析综采工作面各个测点采样的粉尘颗粒样品的粒径大小分布。通过电子显微镜下观察到采样所得粉尘颗粒图像以及粉尘粒径分布如图1所示。包头能源李家壕煤矿不同地点粉尘分散度汇总见表2。

图2 接触角示意Fig.2 Schematic diagram of contact angle

从实验室润湿实验结果来看，李家壕煤矿井下水润湿角平均值为55.924°，故小于60°，表示该煤矿粉尘为润湿粉尘。

2 音爆活性雾幕智能监测降尘系统

2.1 31115回风巷降尘系统

根据现场实际观测，31115回风巷原有降尘系统采用高压喷雾，该系统产生雾滴粒径较大，雾化程度较低，捕尘效果差，无法满足现场降尘需求。基于现场问题和实际需要，现提出31115回风巷音爆活性雾幕智能监测降尘系统，该系统由水源处理控制柜、气源处理控制柜、智能监测系统及多喷嘴雾幕箱组成。31115回风巷音爆活性雾幕智能监测降尘系统如图3所示。

图3 31115回风巷音爆活性雾幕智能监测降尘系统示意Fig.3 Schematic diagram of intelligent monitoring and dust reduction system of 31115 return air chute sonic explosion active fog curtain

在水源和气源处理控制柜中包括水过滤器、水压稳压阀、空气过滤器及空气稳压阀等部件；水源处理控制柜、气源处理控制柜与31115回风巷水源、气源相连，水、气过滤器可以过滤水、气中存在的杂质，降低浊度，水、气稳压阀可保证喷雾所需稳定的水压、气压。智能监测系统包括红外传感器、智能控制箱、水路电磁阀、气路电磁阀；其中智能控制箱负责接收、处理、判断信号，红外传感器将监测人员过往，水路、气路电磁阀可以启停喷雾所需水源、气源；多喷嘴雾幕箱包括音爆雾化喷嘴，水气一体雾幕箱；水气一体雾幕箱可为多个音爆雾化喷嘴提供雾化所需气流量、水流量。

智能控制箱与31115回风巷照明灯处线路连接，当人员通过红外传感器时，该传感器接收信号并将此信号传输至智能控制箱，此时控制箱处理所接收信号并做出判断，之后通过水路、气路电磁阀阻断水源、气源与喷雾箱的连接。经过多次现场实际测量，人员从通过红外传感器到喷雾箱所需平均时间为20 s。为保证人员完全通过，设置阻断时间为30 s，当30 s过后水路、气路电磁阀将重新开启水源、气源与喷雾箱的连接。

空气中存在不同粒径大小的粉尘颗粒成分被称作粉尘的分散性，不同粒径大小的粉尘颗粒在一定范围内空气中所占的百分比被称为粉尘的分散度。目前粉尘分散度的表示方法主要有2种：①质量分散度，按不同粒径大小粉尘颗粒所占总质量百分比定义；②粒子分散度，以不同粒径大小粉尘颗粒数量所占总粉尘颗粒比例定义。

2.2 掘进工作面降尘系统

根据现场实际观测，掘进工作面粉尘浓度较大，工作面环境较差，现存降尘系统采用高压喷雾降尘，雾滴捕尘能力差，仍抑制不住粉尘扩散，无法解决粉尘浓度超限问题。基于上述情况，现提出掘进面音爆雾化活性雾幕智能监测降尘系统，该系统组成模块与31115回风巷音爆活性雾幕智能监测降尘系统相同。掘进工作面音爆活性雾幕智能监测降尘系统如图4所示。

工作扭矩：额定扭矩8.65 kN·m，极限扭矩10 kN·m；角向补偿能力：持续1°，瞬时3°；径向补偿能力：持续±9 mm，瞬时±26 mm；轴向补偿能力：持续±7 mm，瞬时±20 mm；动平衡：G6.3(2 000 r/min，按ISO1940标准)；扭矩限制：15 kN·m(1±5%)，打滑1 000次后降低不超过15%；工作转速：额定转速1 800 r/min，极限转速2 300 r/min；绝缘电阻：≥10 MΩ(10K VDC)；环境温度：-40 ℃～+50 ℃；湿度：95%；防腐保护等级：C3H。

图4 掘进工作面音爆活性雾幕智能监测降尘系统示意Fig.4 Schematic of intelligent monitoring and dust reduction system of sonic explosive active fog curtain in heading face

掘进工作面中水源、气源处理控制柜构成以及作用均与31115回风巷水源、气源控制柜作用相同；智能监测系统由智能控制箱、粉尘浓度传感器以及水路、气路电磁阀构成，其中粉尘浓度传感器负责监测掘进工作面粉尘浓度，水路、气路电磁阀负责启停喷雾所需水源、气源；多喷嘴雾幕箱仍由音爆雾化喷嘴、水气一体雾幕箱构成，该多喷嘴雾幕箱通过螺母、不锈钢板安装在掘进机头橡胶皮两侧处，多喷嘴雾幕箱实际安装如图5所示。

图5 多喷嘴雾幕箱实际安装示意Fig.5 Actual installation diagram of multi nozzle fog curtain box

智能控制箱与掘进工作面司机处线路连接，掘进机工作时会产生大量粉尘，当粉尘浓度达到设定值时，智能控制箱接收粉尘浓度传感器传递信号并做出判断，之后仍通过水路、气路电磁阀开启水源、气源与喷雾箱的连接。当粉尘浓度低于设定值时，智能控制箱做出判断通过水路、气路电磁阀阻断水源、气源与喷雾箱的连接，从而关闭喷雾。