煤矿井下泡沫降尘技术的应用研究

张益茂

（长治市煤矿技术服务中心，山西 长治 046099）

山西煤炭运销集团古县东瑞煤业公司大力推进智能化建设，目前已完成4 台综掘机改造并投入运行，实现了可视化远程操控、人机分离作业和地面实时远程监控；分别建成投运了具备远程遥控功能的岩巷快掘作业线，巷道日均进尺4.95 m，掘进效率提高156.5%。但是快速掘进带来了高浓度的粉尘，必须加强粉尘治理。

1 工程概况

山西煤炭运销集团古县东瑞煤业位于临汾市古县北平镇前窑沟自然村北，井田面积4.871 3 km2，保有储量2698 万t，批准开采煤层为2#～9#，设计生产能力60 万t/a。东瑞煤业2101 工作面位于二采区南翼，主采2#煤层，煤层平均厚度为3.52 m，顶板为泥岩或砂质泥岩，底板为泥岩。

2101 煤巷综掘面巷道为矩形断面，跟煤层顶底板掘进，全高4.1 m，净高4.0 m，全宽4.8 m，净宽4.6 m，全断面19.68 m2，净断面18.4 m2。采用EBZ-260H 型综掘机，可实现远距离“可视化”遥控作业。通过监控摄像头和红外摄像头，传感器和传输基站等设备，利用5G 技术互联互通，将综掘机实时工作画面传至井下和地面集控中心。根据综掘机司机预先设计的轨迹，做到定位截割，并做到一次成巷，成巷标准高。截割区域采用红外技术人体活动检测预警系统，当综掘机启动及工作人员误入截割区域时，会采取预警、停机操作，避免人员伤害，提高了综掘机的安全水平。综掘机位置风压0.5 MPa，水压2.5 MPa；综掘面风筒直径800 mm，风筒风口风量为320 m3/min。

但是以往2101 煤巷综掘面配备的“喷雾降尘+除尘器集尘”的除尘效率偏低，无法满足快速掘进引起的大产尘量带来的除尘要求，同时掘进面迎头能见度低。针对这一情况，东瑞煤业委托长治市煤矿技术服务中心进行高效泡沫降尘技术的实践研究。

2 高效泡沫除尘技术方案的设计

综掘面泡沫除尘技术除尘效率高，迎头能见度高。因此，在分析东瑞煤业2101 综掘面的现场情况后，设计了高效泡沫除尘技术方案并将其进行实践。

2.1 远程遥控高效泡沫除尘装置

智能综掘面用远程遥控高效泡沫除尘装置[1-6]如图1，主要包括遥控台、电磁阀、发泡器、分配器、喷头等部件。发泡器通过磁力吸盘固定在掘进机平台上部，设计时将以往水和发泡剂混合的混合器的部分集于发泡器内。发泡器箱体容积0.08 m3，重量95 kg，主要由箱体、混料和控料集成块、给水控制集成块、发泡集成块、给气控制集成块和发泡控制集成块等部分组成。分配器由筒体、进泡入口接头、出泡出口接头、连接底座等组成，对发泡介质的能量进一步储存与重新分配。高效泡沫除尘装置还安装有智能控制系统，能对设备实现远程操控。

图1 远程遥控高效泡沫除尘装置布置示意图

2.2 远程遥控高效泡沫除尘工艺流程分析

远程遥控高效泡沫除尘工艺的工作原理：利用泡沫发生器产生泡沫状的液滴喷洒到含尘空气中时形成大量的泡沫粒子群，利用泡沫粒子群对粉尘实施拦截、粘附、湿润、沉降等作用，达到降尘除尘的效果。泡沫粒子群总体积和总面积很大，大大增加雾液与尘粒的接触面和附着力，降尘效果理想。

远程遥控高效泡沫除尘工艺流程如图2，主要有远程遥控启动→混合→发泡→分配→喷射→捕尘。远程遥控高效泡沫除尘装置启停由遥控台进行控制，泡沫除尘剂添加系统与综掘机共用同一开关，即一旦综掘机开启，泡沫除尘剂添加装置也会随之开启。发泡器所需的风和水分别通过风管和水管与综掘工作面风管和水管相连接，泡沫出口与泡沫输出管道连接，泡沫输出管道将发泡器产生的泡沫输送到截割头附近，进而通过泡沫分配器将泡沫平均分配到各个喷嘴，最终由泡沫喷嘴喷出达到降尘的目的。应用时均采用发泡器最佳气液比进行发泡。

图2 远程遥控高效泡沫除尘工艺流程示意图

发泡剂采用四种试剂混合组成的复配绿色发泡剂，配方：发泡剂为椰子油脂肪酸二乙醇酞胺，稳泡剂为羧甲基纤维素，湿润剂为脂肪醇聚氧乙烯醚葡糖苷，增稠剂为阳离子聚丙烯酞胺，四种物质的质量比为32:1:5:1，发泡率达到18.72 倍。

3 效果分析

高效泡沫除尘技术方案在东瑞煤业2101 综掘面进行了实践应用，取得了良好效果。

3.1 掘进巷道能见度分析

采用高清数码防爆相机对东瑞煤业2101 综掘面高效泡沫除尘技术应用前后掘进巷道不同位置的空气环境进行拍照，如图3。从图中可知，高效泡沫除尘装置使用前，工作面迎头及综掘机等位置附近的视线比较模糊，能见度只有2.5 m 左右，无法对迎头煤壁状况进行掌握，影响综掘机司机的截割作业。高效泡沫除尘装置使用后，工作面迎头及综掘机等位置附近的能见度有了明显的改观，工作面视觉效果好，能见度从之前的2.5 m 提高到4.3 m，工作面迎头视线清晰，可清楚观察到迎头煤壁的状况，方便综掘机司机的截割作业。2101 综掘面作业期间，现场工人呼吸顺畅，鼻腔、喉咙无不适感，面部粉尘有效减少。巷道能见度的提高，使得掘进作业环境大幅度改善，误操作减少。

图3 高效泡沫除尘技术应用前后掘进巷道能见度情况

3.2 粉尘浓度测试及分析

为掌握高效泡沫除尘技术的应用效果，对东瑞煤业2101 综掘面使用高效泡沫除尘装置前后的巷道粉尘浓度进行了测试，并进行对比分析。

测试设备为AKFC-92A 型矿用粉尘采样器，粉尘测点布置情况如图4。

高效泡沫除尘装置使用前后的巷道粉尘浓度对比情况如图5。

图5 高效泡沫除尘装置应用前后粉尘浓度对比

由图5 可知，高效泡沫除尘装置应用后，截割头处、司机作业处、转载机尾、伸缩皮带机下风侧、距掘进头100 m 处、距掘进头200 m 的呼尘浓度和全尘浓度均有了大幅度的降低，呼尘浓度和全尘浓度均降低至40～80 mg/m3。呼尘的降尘率为81%～83.4%，平均降尘率为82.9%，全尘的降尘率为87%～90%，平均降尘率为88.5%，完全能满足综掘工作面综合防尘技术规范的相关要求。

4 效果分析

高效泡沫除尘技术在东瑞煤业2101 综掘面的应用取得良好效果，主要表现在：呼尘平均降尘率为82.9%，全尘平均降尘率为88.5%；高效泡沫除尘技术的耗水量为0.86 m3/h，对比之前“喷雾降尘+除尘器集尘”的除尘耗水量11.3 m3/h，能大量节约水资源，降低除尘成本；巷道能见度大幅度提高，有利于综掘机司机及其他现场工作人员的作业，工作面成型效果提升，缩短了刷底角时间，经济效益显著。