黄陵一号煤矿采煤工作面煤尘防治技术应用

武光富

（陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西 延安 727307）

1 工程概况

黄陵矿业公司一号煤矿624 工作面对应上覆地表为低山林区，沟壑纵横，上覆岩层厚度在314～439 m 左右，平均岩层厚度为376 m 左右。624工作面位于六盘区西北部，东接北二进风巷，南邻620 采空区，所采2#煤厚2.24～2.61 m，回采范围内煤层结构简单，属于稳定煤层。2#煤层煤尘有爆炸危险性，煤层爆炸指数为35.59%。黄陵一号煤矿一直非常重视煤矿粉尘的防治工作，通过长期的经验积累和不断的技术创新，已经形成了具有自己特色的矿井综合防尘技术和工艺，取得了阶段性的效果，采煤工作面、掘进工作面的粉尘浓度治理效果良好，但在矿井的粉尘综合治理方面，仍存在以下几方面的问题：（1）综采工作面割煤工序附近粉尘浓度超标，采煤机司机附近呼吸性粉尘达到300 mg/m3甚至更高；（2）喷雾降尘效果不佳，降尘工作耗水量巨大，但降尘效率不高。为进一步降低井下作业现场的粉尘浓度，提高降尘效率，需开展相关研究应用。

2 降尘用抑尘剂优选

煤的润湿性通常用来衡量煤尘颗粒与液体相互附着的难易程度。为进一步提高矿井喷雾降尘的效果，应采取一定措施提高喷雾溶液对煤尘的润湿效果。煤尘润湿性的测量方法有许多种，较为常用的有沉降法、毛细管上向渗透法、动力试验法等。不同方法的测定步骤、时间成本、难易程度均存在明显差异，经过广泛的对比分析[1-2]，确定采用上向毛细管渗透法进行黄陵一号煤矿粉尘润湿性测定。上向毛细管渗透法测定步骤为：（1）将矿井下采集的粉尘装入一端有渗透膜封闭的毛细试管中；（2）试管有渗透膜封闭的一端与溶液接触；（3）与溶液接触一段时间后称量粉尘的重量。根据粉尘增重的差异衡量粉尘对该溶液的润湿性，其原理如图1（a）。黄陵一号煤矿煤尘润湿性测试实验采用内径7 mm 的细管，在624 综采工作面进行粉尘取样，将制备好的粉尘0.4 g 放入细管内并称重，将细管放入盛有20 mL 溶液的50 mL 烧杯中，10 min 后再称量煤尘吸湿后的总重，增重量越大说明该溶液的润湿能力愈强。

大多数矿井粉尘均具有疏水性，通过在水中加入一定量的表面活性剂可提高溶液的润湿性、渗透性。溶液中的表面活性剂粒子间相互吸附形成胶团，胶团汇集在溶液表面，降低溶液表面张力值，进而提高溶液对煤尘的润湿效果。结合国内相关研究成果[3-4]，初步选取烷基酸盐系列（WJY）、烷基酚聚氧乙烯醚系列（WJF）表面活性剂作为降尘喷雾溶液的添加剂。在实验室进行毛细管上向渗透法测定不同浓度表面活性剂溶液的润湿性，整理得到图1（b）所示结果。可以看出，添加两种表面活性剂后溶液对粉尘的润湿性均比自来水有显著增加。溶液浓度增大，对粉尘样本的润湿性随之增加。随溶液内表面活性剂密度的增大，溶液内胶团数量、密度增大，溶液表面张力值明显减小，使得润湿性增强。溶液浓度在0.01%～0.1%之间变化时，粉尘吸湿量平稳缓慢增大；当溶液浓度在0.1%～1.0%间变化时，粉尘吸湿量明显增大；溶液浓度大于1.0%继续增大时，溶液浓度对吸湿量的影响减弱。说明当胶团浓度达到一定限度时，溶液表面已布满胶团，继续增加的胶团只能分布于溶液内部，不能降低溶液表面的张力值。对比发现WJY 溶液的吸湿量显著大于WJF 溶液。因此，初步选择1.0%质量浓度的烷基酸盐系列溶液为黄陵一号煤矿降尘喷雾溶液。

图1 活性剂溶液对粉尘样本润湿性测试原理及结果

在表面活性剂溶液中添加一定量的无机盐可提高溶液的润湿能力。参考相关研究成果可知，表面活性剂在溶液中解离出的活性离子形成扩散双电层，无机盐溶解后作为电解质能够使双电层进一步压缩，减弱活性离子间的排斥作用，表面活性剂聚集形成的胶团增大，继而提高润湿能力。本次实验选取NaCl、CaCl2、Na2SO4、Na2SiO3四种常见的无机盐作为添加剂，与WJY、WJF 溶液进行复配，仍通过上向毛细管渗透法测量粉尘的润湿性，整理结果如图2。

图2 添加不同浓度无机盐对粉尘吸湿量影响

图 2（a）、（b）分别为质量浓度为1.0%和0.5%的WJY 溶液在添加不同质量无机盐条件下吸湿性的测试结果。加入各种无机盐后，煤样的吸湿量明显增大，当无机盐加入量达到一定程度后，粉尘样本的吸湿量不增反降，因此添加的无机盐应适量。两种溶液条件下粉尘样本的吸湿量变化曲线说明，无机盐的质量占比不应大于0.5%，其中加入Na2SO4对溶液润湿能力的增强最为明显。因此，确定黄陵一号煤矿喷雾溶液抑尘剂采用质量浓度1.0%的烷基酸盐系列溶液（WJY），并添加质量占比0.5%的Na2SiO3无机盐。

3 抑尘剂添加系统设计

黄陵一号煤矿为向井下喷雾系统内加入表面活性剂，引进抑尘剂添加系统（LDJY-200/SL）设备。该装置采用文丘里效应，通过收缩管增大流动液体的速度，减小其静水压力，通过压力差提供外在吸力，将配置好的较高浓度表面活性剂溶液自动加注在降尘喷雾管路中，其原理如图3（a）。对综采工作面喷雾降尘系统的改造如图3（b）。将工作面进水管路分为进风巷和回风巷两路，进风巷管路主要对采煤机内外喷雾、液压支架喷雾系统进行供水，回风巷管路主要对降尘水幕进行供水，在供水管路支管上装设 LDJY-200/SL 型添加设备，达到使抑尘剂喷洒至各降尘喷雾位置的效果。

图3 添加设备原理及工作面喷雾管路示意图

4 降尘效果的考察与分析

624 工作面采煤机内外喷雾、液压支架架间喷雾、回风巷全断面喷雾、转载点喷雾均采用添加表面活性剂的自来水溶液，为验证优化后综合喷雾的降尘效果，在工作面采煤机司机附近采用AKFC-92A 型矿用煤尘采样器进行粉尘监测。结果表明，喷雾系统内加入抑尘剂后全尘和呼尘的降尘效率分别由原来的64.6%、59.8%提高为83.7%、84.2%，降尘效率显著提升。采用发射扫描电场得到全尘、呼尘的FESEM 图像如图4。结合X-射线能谱（EDX）分析结果，图4（a）、（b）中颗粒物较多，主要组成元素为C、O、Si、Al 等，表明粉尘中存在较多的SiO2、Al2O3矿物颗粒，这些颗粒是引发矿工矽肺病和尘肺病等职业病的重要因素；图4（c）、（d）中颗粒物明显减少，且EDX 图谱中Si、Al 颗粒基本消失，主要组成元素为C、O 及少量的Al、Si，表明添加抑尘剂后，喷雾对SiO2、Al2O3、CaO等矿物颗粒的去除效果良好，可显著改善井下作业环境，有利于预防矽肺病、尘肺病等职业病。

图4 回采面粉尘FESEM 图像

5 结论

以黄陵一号煤矿624 工作面为背景，通过上向毛细管渗透法测量各类溶液对粉尘的润湿性，得到喷雾系统应采用质量浓度1.0%的烷基酸盐系列溶液，并添加质量占比0.5%的Na2SiO3无机盐，结合工作面供水管路设计抑尘剂自动添加系统。井下粉尘浓度监测结果对比发现，加入抑尘剂后采煤机司机处全尘和呼尘的降尘效率分别由原来的64.6%、59.8%提高为83.7%、84.2%，抑尘剂能够显著降低粉尘中SiO2、Al2O3等矿物颗粒的含量，显著降低了采煤工作面的粉尘浓度，改善了现场的生产环境。