首山一矿综采面活性磁化水喷雾降尘技术研究

2022-03-23李新龙王海涛

煤炭工程 2022年3期

李新龙，王海涛

(河南平宝煤业有限公司首山一矿，河南许昌 461000)

煤尘已成为我国煤矿井下主要灾害之一，尤其在影响井下工人职业健康方面。截至2019年底我国尘肺病患者已经超过90万人，其中50%以上来自于煤矿[1，2]。特别随着割煤机械化程度的提高，煤矿综采面普遍采用一次采全高技术进行采煤，煤体破碎及垮落产生了大量的粉尘，严重影响了井下工作环境[3-5]，尤其在大采高工作面。目前，煤矿井下综采面主要采用喷雾与煤层注水相结合的方式来防治粉尘，虽然取得了一定防治效果，但由于降尘用水湿润煤尘性能差、煤层渗透率低等问题，现有降尘技术仍不能较好的满足井下粉尘防治的要求[6-8]。因此，为有效捕捉井下粉尘，急需研发一种适用于综采工作面的高效喷雾降尘技术。

1 首山一矿12100工作面粉尘防治难点分析

河南平宝煤业有限公司首山一矿12100工作面属于大采高综采面，平均煤层厚度达到了5.5m，采用一次机械化采全高的割煤工艺。该煤层结构较为单一，厚度较为稳定，煤层倾角约为5°～12°，割煤推进速度较快。经现场调研，12100工作面综采作业过程中粉尘污染问题较为突出，平均总尘和呼吸性粉尘瞬时浓度分别超过1200mg/m3、800mg/m3，严重威胁了井下现场作业人员的身心健康与矿井的安全、高效生产[9-13]。同时分析该工作面粉尘防治难点如下：①开采煤层的煤体结构为碎裂煤，煤种为瘦煤，致使其被开采过程中产尘量大，且极难被润湿、沉降；②工作面为瓦斯煤层，配风量大，致使工作面综采作业过程中产生的高浓度粉尘能够在极短的时间内大范围逸散，难以被有效控除[14，15]。

2 首山一矿综采面煤尘理化实验研究

浮尘是井下粉尘防治的重点，为了更好地对首山一矿综采工作面粉尘采取防治措施，从而保护井下工作人员的身心健康，本文对首山一矿12100大采高综采面粉尘的粒径分布及化学结构进行了测试分析，从而评估粉尘危害程度及防治重点区域，为有针对性的采取粉尘防治技术提供科学指导。

2.1 粉尘分散度分析

为了解首山一矿综采面粉尘危害情况，特别是对人体危害最大的呼吸性粉尘所占比例，在首山一矿12100综采面设置了七个测点对其粉尘情况进行采样分析。采用Bettersize 2600激光粒度分析仪，对以上采尘点所采集到的七组试验样品进行粒径分析实验，结果见表1。

表1 各测点煤尘取样干粉颗粒粒度测试结果

采煤机司机处(测点1、5)由于受到割煤机切割破碎的作用，小粒径浮尘所占比例较大，D50粉尘粒径分别为10.56μm、7.37μm，对采煤司机身体健康造成较大危害。通过对比分析不同位置粉尘粒度可知，在粉尘运移过程中，粒径较大的粉尘发生沉降，导致采煤机下风侧较远的位置粉尘粒径较小；对比中间巷上风侧与下风侧可知，风量的增加对大粒径粉尘的沉降产生影响，导致粉尘沉降变困难。因此，加强对割煤、移架过程中粉尘防治，对于改善井下工作环境具有重要作用。

2.2 粉尘化学结构定量分析

图1 煤尘主要官能团含量

3 活性磁化水湿润粉尘性能及制备工艺

3.1 活性磁化水湿润粉尘性能

为显著改善煤矿井下降尘用水的湿润性能，与中国矿业大学合作，基于磁化、表面活性剂在改善降尘用水湿润性能方面的优势，联合研究了一种具有强湿润性能的活性磁化水降尘介质[19-22]。该介质是由含0.03%活性添加剂溶液以4m/s的速度穿过300～350mT的磁场制备得到的。为了验证活性磁化水湿润降尘性能，本文采用接触角、粉尘沉降时间及降尘效率实验来进行探究，其中接触角采用JGW-360B型接触角测定仪测试得到，降尘效率采用中国矿业大学构建的降尘系统测试获得[12]，通过降尘前后所测得的粉尘浓度来得到除尘效率，见式(1)；实验用煤样取自首山一矿12100综采面，通过球磨机制备得到粒径D50小于10μm的粉尘，用于接触角测试煤片的制备以及降尘性能测试实验。

式中，η为降尘效率，%；c、c1分别为降尘前后粉尘浓度，mg/m3。

活性磁化水降尘性能如图2所示，在磁化与表面活性剂的双重作用下所形成的活性磁化水具有良好的湿润性能。相对于纯水，活性磁化水接触角减小了61.5%，降低至27.42°；同时由于煤尘含有较多芳香烃、脂肪烃等疏水性基团，煤粉在纯水中放置24h仍无法沉降，而粉尘在活性磁化水溶液中完全沉降仅需要60.17s，溶液具有较强湿润粉尘的能力。为了能更好地展现活性磁化水降尘性能，本文采用降尘实验系统对活性磁化水降尘性能开展了实验研究，从图2可以看出，活性磁化水降尘效率相对于纯水有了大幅度地提高，从43.51%增加到80.34%。以上实验结果充分表明：活性磁化水在磁化与表面活性剂的协同增效作用下湿润性能得到了明显的提升，具有良好的降尘性能。

图2 活性磁化水降尘性能

3.2 活性磁化水高效制备工艺

为了能实现煤矿井下综采面狭窄工作空间活性磁化水的高效制备，本文形成了以活性剂小剂量添加系统、混合系统、喷雾加压系统、磁化系统为核心的活性磁化水高效制备工艺，如图3所示。

图3 综采面活性磁化水制备工艺

由于活性磁化水制备所需的活性剂溶液质量分数为0.03%，因此如何实现活性剂小剂量的添加成为高效制备活性磁化水的关键。然而，直接抽吸纯活性剂来制备0.03%活性剂溶液，由于所需药剂量较小，现有风动添加或者负压抽吸无法实现。为此，本文采用二次稀释的形式制备0.03%活性剂溶液，即先制备5%浓活性剂溶液，再通过调节定量添加泵转速，并结合玻璃转子流量计读数来精确获取所需要添加的5%浓活性剂溶液的量，通过静态混合器将降尘用水与5%浓活性剂溶液均匀混合，制备得到0.03%活性剂溶液。此外，本降尘技术最终是以水雾的形式来捕捉井下粉尘，因此用于喷雾降尘的活性磁化水应具有一定的压力，然而煤矿井下降尘用水由于受到其他工作面用水的影响，其静压水的压力十分不稳定。为了能获得稳定的喷雾压力实现高效雾化降尘，所制备的0.03%活性剂溶液应通过喷雾加压系统获得喷雾降尘所需压力，最后通过磁化装置制备出用于综采面降尘的活性磁化水。

4 综采面活性磁化水喷雾降尘技术应用

首山一矿12100综采面喷雾措施主要包括采煤机喷雾与架间喷雾，通过现场测试喷雾耗水量大体在200L/min，因此5%浓活性剂添加量为72L/h。经喷雾加压与磁化装置制备得到具有6MPa喷雾压力的活性磁化水用于综采面喷雾降尘，同时优化了综采面现场喷雾装置，使其所形成的雾场能较好的覆盖尘源，现场应用如图4所示。

图4 活性磁化水喷雾降尘技术现场应用

通过活性磁化水喷雾降尘技术在首山矿12100综采工作面的应用，粉尘浓度得了大幅度的降低，特别是呼吸性粉尘。经采样测试，七个测点的全尘降尘效率都超过了85%，呼吸性粉尘降尘效率超过了80%，不同测点降尘效率如图5所示。同时呼吸性粉尘、全尘平均降尘率分别达到了84.67%、88.52%，比纯水降尘效率分别提高了44.44%、41.74%，回风巷距工作面端头15m处呼吸性粉尘浓度从784.5mg/m3降至97.7mg/m3，显著改善了煤矿井下粉尘环境。