生辉煤业综放面活性磁化水防尘技术研究

毕建乙

(山西临汾西山生辉煤业有限公司，山西 临汾 041000)

近些年来受到新冠疫情和国际局势的影响，作为中国基础性能源的煤炭在国内的能源消费比重越来越大。从2018年开始，我国煤炭产量逐年升高，2019年、2020年、2021年原煤产量分别高达38.5亿t、39.0亿t、41.3亿t[1-2].随着科技的迅猛发展，近年来国内矿井的主要采煤工艺为一次采全高或综合机械化放顶煤采煤方式，随着工作面机械化程度的不断提高，极大加强了开采强度以及生产集中度，但同时工作面粉尘量也明显升高，使得工作面作业环境明显变差。很多煤尘随着进风流进入作业地点，悬浮在其中，工作面能见度严重下降，影响采掘机司机的视线，对安全生产造成一定的影响[3-5]。现阶段国内每年由于尘肺病死亡的职工已超过同期矿井其他各类安全生产事故死亡的总人数。同时，工作面含有高浓度煤尘，存在煤尘爆炸的安全隐患。十八大之后，中国越来越重视职业卫生防护工作，相继在《煤矿安全生产标准化管理体系基本要求及评分方法(试行)》(2020年版本，自2020年7月1日执行)、《综采工作面综合防尘技术规范》(MT/T 1188—2020，自2021年1月1日执行)、《综掘工作面综合防尘技术规范》(MT/T 1189—2020，自2021年1月1日执行)、《煤矿安全规程》(2022版，自2022年4月1日执行)中，强调采掘面的粉尘传感器的悬挂位置，实时监测工作面粉尘浓度，保障职工的身心健康；尤其是在《“健康中国2030”规划纲要》中高度强调了必须严格加强职业病危害源头治理工作，有效降低尘肺病发生率[6-7]。为充分拦截工作面粉尘，研发出一种粉尘高效治理技术已成为当务之急。

当前矿井工作面所采用防尘技术主要包括：煤层注水[8]、喷雾降尘[9]、泡沫除尘[10]等，特别是喷雾除尘，因使用简单方便、价格低，在矿井综采面回采时得到了广泛应用。其虽然具有一定的防尘效果，但是因煤尘自身疏水性较强，使用普通水的喷雾很难较快润湿煤尘，特别是那些对职工影响严重的呼尘。另外，因矿井工作面回采深度逐年增加，且生产规模也在扩大，使得工作面配风量也在增加，在空气流场的作用下，常规喷雾很难形成封闭雾场对采煤机割煤、移架等环节所产生的粉尘进行有效拦截，难以充分隔断煤尘从机道扩散至人行道，无法达到工作面粉尘治理的标准。针对工作面降尘用水湿润能力差、渗透系数小等问题，科研工作者做了大量的试验研究，并取得了一定的成果。秦波涛等[11]在平顶山天安煤业股份有限公司十矿24130智能综采工作面现场实践证明：活性磁化水雾化封闭尘源降尘技术可明显降低综采面粉尘浓度，其全尘和呼尘降尘效率分别高达90.8%、85.3%，有效改善了工作面人员的作业条件，也增强了智能工作面监控视频清晰度，实现了监控人员正常调控智能化设备的目的。刘金璐等[12]通过测试阴离子和非离子单体活性剂溶液，进行溶液表面张力和雾化效率的试验研究，发现磁化复配表面活性剂结合压风细雾喷嘴，雾化效果明显提高，达到74.8%，耦合协同雾化增效效果显著，改善雾化降尘能力，有效降低煤尘对作业人员的影响。李新龙等[13]在首山一矿开展综采面活性磁化水喷雾降尘技术试验，结果证明：此技术降尘效果明显，各测点全尘、呼尘降尘效率分别高达88.52%、84.67%.

因此，为保证职工的健康、高效治理工作面煤尘，本文通过分析20100综放面煤样的化学结构，结合研究强湿润性活性磁化水降尘机理[14-16]，研发了适用于生辉煤业综放面高效喷雾抑尘技术。

1 生辉煤业20100综放面粉尘治理现状

山西焦煤集团西山煤电公司生辉煤业20100工作面属于综放面，所采煤层为9+10+11号煤层，联合开采，煤层平均厚度6.5 m，直接顶为K2石灰岩，厚度为12.46 m；采用综采放顶煤采煤方法，采高为2.6 m，放顶煤为3.9 m，采放比为1∶1.5.

可采走向长度为206 m，开切眼长146 m，运输巷长490 m，回风巷长350 m.该煤层厚度稳定，结构单一，煤层倾角约为14°，回采速度较快。

通过现场粉尘测试发现，20100综放面回采时粉尘浓度较大，全尘平均瞬时浓度超过1 100 mg/m3、呼吸性粉尘平均瞬时浓度超过700 mg/m3，对矿井的安全、高效生产以及工作人员的身心健康均造成巨大的威胁。该工作面粉尘浓度较大，难以治理的原因有：①煤种为肥煤，煤体属于碎裂煤，导致回采期间粉尘量较大，难以沉降和润湿；②工作面配风量较大，使得回采期间形成大量的粉尘，可在很短的时间内顺着风流扩散，无法有效除尘[17-18]。

2 煤尘理化试验研究

矿井粉尘防治的重点为综放面浮尘治理，通过研究生辉煤业20100综放面粉尘的化学结构及粒径分布规律，对粉尘危害程度进行评估，获得粉尘治理重点位置，进而科学地指导粉尘治理，采取有针对性的防治技术。

2.1 定量分析粉尘化学结构

为研究影响生辉煤业粉尘治理困难的因素，采取定量分析煤样的主要官能团结构。发现煤尘内部存在无数的疏水性基团，主要官能团结构是取代苯类、C=C、C-H、—CH3/—CH2—等，占比高达57.42%，具体如图1所示，再次表明生辉煤业煤尘疏水能力较强，所以开展喷雾降尘时，需要增强喷雾用水的湿润能力，提高雾滴结合煤尘的能力。

图1 主要官能团占比情况

2.2 分散度研究

为掌握生辉煤业综放面粉尘危害特征，在生辉煤业20100综放面设计7个粉尘监测采样点。借助激光粒度分析仪(型号为BETTERSIZE2600)，对7个采样点开展粒径分析，测试结果见表1，工作面粉尘测试示意如图2所示，其中有6个测点监测中间巷采煤司机位置、采煤机回风侧15 m处、移架工位置，1、2、3分别为中间巷上风侧，5、6、7分别为中间巷下风侧；测点4为回风巷距工作面端头15 m处。

表1 测试结果

图2 工作面粉尘测试示意

测点1和测点5为采煤机司机作业地点，因采煤机割煤的影响，此处分布着大量的小粒径浮尘，占比很大，D50粉尘粒径分别为10.53 μm、7.36 μm，严重影响采煤司机的身心健康。通过对工作面不同地点粉尘粒度的对比发现，粉尘扩散阶段，较大粒径的粉尘开始下沉，使得处于采煤机下风侧较远的区域存在较小粒径的粉尘；将上、下风侧的粉尘粒径进行对比，发现增加风量会影响大粒径粉尘的下降，致使粉尘难以下沉。所以在割煤、移架时重点加强粉尘治理，将会有助于改善工作面的作业环境。

3 制备活性磁化水工艺

3.1 湿润粉尘特征

为提高综放面降尘用水的湿润能力，利用磁化、表面活性剂具有提高降尘用水湿润能力的特点，联合太原理工大学开发一种具有强湿润能力的降尘剂——活性磁化水。制备方法为将浓度为0.03%活性添加剂按照4 m/s的速度通过300～350 mT磁场。为研究活性磁化水降尘特征，对接触角、降尘效率及粉尘沉降时间开展试验研究，凭借接触角测定仪(型号为JGW-360B)测试获得接触角，借助太原理工大学研发的降尘系统获得降尘效率，通过测定降尘措施前后的粉尘浓度计算除尘效率，具体方法见公式(1)。在生辉煤业20100综放面取试验煤样，借助球磨机获得试验所需要的粉尘(粒径D50小于10 μm)，主要用途为制备接触角测试煤片和开展降尘特征测试试验。

(1)

式中：η为降尘效率，%；c为实施降尘措施前的粉尘浓度，mg/m3；c1为实施降尘措施后的粉尘浓度，mg/m3.

图3为活性磁化水的降尘特征，依靠表面活性剂和磁化的协同增效作用产生的活性磁化水可产生较佳的湿润粉尘特征。与纯水相比，活性磁化水接触角由71.12°减小到27.38°，降低了62%；另外因煤尘中存在一定量的疏水性基团，例如芳香烃、脂肪烃等，导致煤粉放置到纯水中24 h依然难以沉降下去，但是在活性磁化水溶液中粉尘却可以很快完全沉降下去，只需60.23 s即可，证明溶液湿润粉尘的能力较强。为发挥活性磁化水的降尘能力，此次试验通过降尘试验装置研究活性磁化水降尘特征。由图3可知发现，与纯水对比，活性磁化水的降尘效率明显提高，由43.49%升高至80.27%.试验结果表明，在表面活性剂与磁化的双重影响下，活性磁化水显著提高了湿润粉尘能力，发挥出了较好的降尘效果。

图3 降尘特征

3.2 高效制备活性磁化水工艺

为了安全高效制备综放面的活性磁化水，设计高效制备活性磁化水工艺，如图4所示，主要由4个系统组成，分别为添加系统、混合系统、喷雾加压系统以及磁化系统。

图4 活性磁化水配备流程

因在制备活性磁化水过程中，需要浓度为0.03%的活性剂溶液，所以活性磁化水安全高效制备的核心问题是小剂量添加活性剂的工艺研究。如果直接采用加入纯活性剂以配置浓度为0.03%活性剂溶液，因添加的药剂量体积小，通过负压抽吸或风动添加难以实现。因此，通过二次稀释的手段来获取浓度0.03%的活性剂溶液，首先配置浓度5%的浓活性剂溶液，接着通过改变定量添加泵的转速，同时根据玻璃转子流量计的数据，准确得到浓度为5%的浓活性剂溶液所要添加的体积，借助静态混合器平均混合浓度为5%的浓活性剂溶液和降尘用水，最终配置成浓度为0.03%的活性剂溶液。另外，此降尘工艺的降尘原理为通过水雾捕捉采煤工作面粉尘，所以活性磁化水需要达到一定的压力。然而因为不同作业地点生产用水的影响，防尘用水的水压相当不平稳，想取得恒定的喷雾压力达到最佳的雾化效果高效降尘，就要求配置浓度为0.03%的活性剂溶液必须借助喷雾加压装置得到足够的压力，最后利用磁化装置获得活性磁化水。

4 现场实践

活性磁化水喷雾降尘技术的试验地点选在生辉煤业20100综放面，此工作面主要以采煤机喷雾与架间喷雾配合进行除尘。根据现场测试结果，喷雾用水量基本稳定在200 L/min，计算得到浓度为5%活性剂添加量约是72 L/h.利用磁化装置以及加压系统获得喷雾压力为6 MPa的活性磁化水，对工作面的喷雾装置进行优化，形成高效的雾化效果，达到对采煤机割煤期间的尘源全覆盖，采煤机湿式除尘器具体雾化效果如图5所示。

图5 采煤机湿式除尘器雾化效果

根据生辉煤业20100综放面的现场实践效果，发现工作面生产期间的粉尘浓度明显下降，尤其是呼吸性粉尘。通过对7个测点进行现场粉尘采样实测发现，全尘降尘效率均大于85%，呼吸性粉尘降尘效率均大于80%，如图6所示。

图6 各测点降尘情况

呼吸性粉尘平均降尘率为84.71%，与纯水降尘效率对比增加了44.53%；全尘平均降尘率为88.49%，与纯水降尘效率对比增加了41.82%；工作面回风巷距端头10～15 m处的呼吸性粉尘浓度由785.2 mg/m3减小到98.6 mg/m3，工作面的作业环境得到明显改善。采取措施前后工作面情况如图7和图8所示。

图7 未采取降尘措施时工作面情况

图8 采取活性磁化水降尘后工作面情况

5 结 语

1) 综放面采煤机割煤期间，产生大量的小粒径浮尘。煤样具有较强的疏水性，其中取代苯类、C=C、C—H、—CH3/—CH2—官能团占比高达57.42%.

2) 试验表明，活性磁化水降尘能力较强，与纯水相比，其接触角减小了62%，沉降时间只需要60.23 s，降尘效率增加了36.88%，升至80.27%.研发了高效制造活性磁化水工艺。

3) 活性磁化水喷雾降尘技术能有效治理生辉煤业20100综放面粉尘。现场实践结果表明：全尘平均降尘效率为88.49%、呼吸性粉尘平均降尘效率为84.71%，显著改善了工作面的作业环境，为工作面的安全高效采煤提供了有力保障。