水幕降尘技术在金属矿井作业中的应用与改进

黄 强

（深圳市中金岭南股份有限公司凡口铅锌矿，广东 深圳 512325）

0 引言

水幕降尘技术[1]的本质为湿式除尘，也就是说水幕降尘技术的原理和单一液滴的捕集原理存在相通之处。研究发现，通过分析液滴喷射雾化、尘粒的流动情况以及二者之间的交互作业，可获得极为关键的降尘除尘原理。简单来讲，其可以被划分为两种：一是尘粒主动和雾滴接触发生沉降，二是尘粒非主动和雾滴形成碰撞而发生沉降。以上两种均可体现出显著的降尘效果。

1 水幕降尘技术分析

1.1 水幕降尘装置结构

水幕除尘装置[2-3]的结构主要是门式结构，由钢架门框、纱网、喷液管以及流水槽组成。钢架门框的形态为矩形框架。纱网的形态也为矩形，且四边均被固定至钢架门框上，如此便形成了纱窗式架构，纱网紧绷，双层设计，层间有一定的间距。在纱窗的右下角部位，还配置了一扇可供人出入的门，该门的架构呈现依旧是纱窗结构，且门的右侧边框和门框通过合页可以旋转，纱窗的边框和门框的制造原料都是铝合金材质。水幕降尘装置架构见图1。

图1 水幕降尘装置架构示意

1.2 降尘剂

水幕降尘装置中喷液管应用的降尘液是煤炭生产期间通过污水处理厂净化处理完成后的中水，并在中水内添加适量的降尘剂。降尘剂属于新型多性能的高分子聚合物，可以对矿井作业面生成的粉尘起到瞬间且高效的湿润效果，明显加大粉尘自身的重量，进而使粉尘呈下降状态，降低空气中的粉尘浓度。该方法和清水喷雾除尘存在差异性，由于体积较小的粉尘颗粒具备的静电荷和水雾颗粒具备的电荷性质存在差异性，二者便会产生相互排斥反应。水雾和粉尘的质量均较轻，沉降效果不佳。粉尘自身具有疏水性能，难以与水融合，导致水雾自身的降尘效果较弱。而降尘剂内含有的聚合物，具备交联度分子，并且呈网状架构，电荷密度大，离子间有着极强的亲和力，能够显著消除水雾和粉尘之间的排斥感，使水雾颗粒迅速湿润粉尘颗粒表层，减少水的表层张力，促进水雾和粉尘的急速吸附以及融合，提升水雾对粉尘的吸附捕捉效率，促进其凝并，增加重力沉降速度，提高降尘效果。

选定降尘剂浓度时，需要针对矿井下的粉尘实际情况予以选择，其质量浓度范围可从0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%和1.2%中选定，不同浓度的降尘效果见表1，不同浓度的降尘剂对水表面张力的影响见表2。

表1 不同降尘剂浓度的降尘效果

表2 降尘剂浓度和水表面张力间的关系

分析表1 数据可知，当降尘剂的质量浓度处于0.6%时，其降尘效果明显高于质量浓度为0.5%的降尘剂，超出部分占比约为15%。随着降尘剂浓度的逐渐增加，降尘效果也更加显著。分析表2 内容可知，随着降尘剂浓度的增加，水表面张力的变化趋势逐渐趋于平稳。因此，为有效实现降尘目标，可选择质量浓度为0.8%、0.9%和1.0%的降尘剂。

2 水幕降尘技术在金属矿井作业中的应用与改进

2.1 水幕降尘技术的应用——提高降尘效率

基于对水幕启动前后的全沉浓度以及呼尘浓度变化的检测结果，能够计算出水幕降尘效率，对降尘效果进行预测[4]。以某金属矿作业面为例，分别对某两条水平掘进巷道内的粉尘浓度予以检测，检测装置可应用CCZ-1000 直读式粉尘浓度检测仪。在正式检测的准备阶段，务必确保粉尘浓度在某段时间内的自然沉降变化程度不强烈，且粉尘检测位置也应该设定于1.5 m 的人类呼吸带高度。当水幕装置启动10 min后，便可进行粉尘浓度检测。为防止检测位置出现结果误差，要随机选择粉尘检测位置，并考虑水幕喷嘴设备间距的差异，喷雾蔓延规模要较为均衡，还要对全部检测位置进行检测，取全部检测结果的均值，以此有效降低检测结果的偏差值。某金属矿掘进工作面粉尘浓度检测设置如图2 所示，核心检测位置与水幕系统的距离分别是3 m、8 m。取得检测结果后，对全部参数予以整合处理，再把井下实测获得的全尘、呼尘浓度参数绘制成表，详见表3。

表3 粉尘检测结果

图2 粉尘检测现场示意图

对自然通风条件下的粉尘浓度与应用水幕降尘技术后的粉尘浓度予以对比，其详细的对比情况如图3 所示。

图3 应用水幕降尘技术的前后粉尘浓度对比

由图3 可知，在水幕系统未启动阶段，分别对矿井中距离掘进面25 m 以及30 m 位置的巷道侧予以粉尘采样，检测结果为，全尘质量浓度分别是341.6 mg/m3和270.5 mg/m3，呼吸性粉尘的质量浓度分别是131.2 mg/m3和98.3 mg/m3。对应用水幕降尘技术之后的粉尘予以采样检测，其全尘质量浓度检测结果分别是120.2 mg/m3以及98.8 mg/m3，呼吸性粉尘质量浓度检测结果分别是78.3 mg/m3以及54.5 mg/m3，计算可得，水幕降尘技术的全尘降尘效率为64%，针对呼尘的降尘效率为44%，水幕降尘技术在金属矿的粉尘处理中效果显著。

2.2 水幕降尘技术的改进——水幕用水的净化处理

水幕降尘技术的应用，极易造成水资源浪费以及金属矿井内环境条件恶化，如巷道积水将影响作业器械稳定运行，甚至会发生水中触电事故。因此，为了有效解决和规避此类问题，可将水幕降尘装置喷射出的含有粉尘以及其他杂质且降落至巷道底板的雾滴，收集到过滤池并进行高效净化。该净化方法的原理是基于过滤网对水幕降落的粉尘进行过滤，但过滤网很容易被各类杂质阻塞，需要清洁和替换，导致后期的维修管理难度显著增加。基于此，可研发能够显著实现水幕净水目标的净水设备，提升净水效果，使水质更加洁净，确保净化水幕高效应用，实现安全和效益的最大化目标。

传统的水幕净水方法是在净水管道内的全断面安装过滤网，其净水效果不佳。如图4 所示的净水装置可以在出水管内安装较小断面的过滤网，不仅可节约过滤网的使用面积，还可以有效防止底部污水层杂质的混入。当水体通过进水管进入净水装置后，管径变大，水流压力也随之降低，在净化装置中可以达到沉淀的效果，且多数杂质沉积于装置的最下层，此时，净水装置内部便可分成下方污水层和上方净水层。污水层内杂质较多的水体会从特定通道流出，而净水层内的水体便会从过滤网排进出水管，再由出水管把净化完成的水体引进水幕系统。水体在该装置的沉淀以及过滤两道工序的处理下，所含的杂质可被清除，达到水资源的节约使用。同时，也可保证金属矿井下的作业安全。

3 结语

针对金属矿井下粉尘严重的问题，可采用水幕降尘技术，在降尘剂的辅助下，高效发挥其降尘效果。基于水幕降尘技术的矿下全尘降尘效率为64%，呼尘降尘效率为44%。此外，还可通过研发净水装置实现水资源的循环利用，进一步提升降尘效果，且降尘的水雾不会对人类健康造成危害，确保矿井下作业设备的稳定运行和作业人员的人身安全。