泡沫降塵新技術在官地礦掘進工作面的應用實踐

戴永祿，楊樹軍

(1.山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司，山西 太原 030022，2.西山煤電(集團)有限責任公司官地煤礦，山西 太原 030022)

粉塵特別是呼吸性粉塵對工人健康具有極大危害，長期吸入呼吸性粉塵可導致肺部組織彌漫性纖維化，最終造成塵肺病[1]。2010年在全國煤礦職業安全健康經驗交流會上報道：“全國煤礦有265萬接塵人員，每年有5.7萬人患上塵肺病，因塵肺病死亡的則有6000余人，是安全生產事故死亡人數的兩倍”[2]。同時粉塵又具有爆炸性，嚴重影響煤礦的安全生產，是煤礦主要災害之一。

目前，煤礦井下采用防治礦塵的主要技術措施有：煤層注水、噴霧降塵、通風排塵、除塵器除塵等，但各種技術都存在其缺點[3]。官地礦工作面目前降塵手段僅僅是掘進機的內外噴霧，且內噴霧已全部失效，外噴霧降塵效果又相當差，而且由于噴頭口徑太小，井下所用除塵水又含有巖粉等顆粒雜質，很容易堵塞噴頭；再加上掘進機滾筒在工作時，在高濃度產塵情況下，巖粉極易覆蓋在機頭上，也容易在噴頭上沉積，造成噴頭堵塞。同時，又由于該掘進面底板遇水后硬度會降低，造成掘進機下陷，現場作業人員并不愿意使用內外噴霧。雖然有相關措施要求迎頭必須設置水幕簾，但由于掘進速度較快，職工意識不強烈，造成水幕并未實施，即使有實施，由于霧化效果太差，并未取得預期的降塵效果。

近年來中國礦業大學系統研究了泡沫降塵技術，分析了泡沫捕塵機理與理論模型，研制了降塵泡沫發泡器及泡沫專用發泡劑，提出了降塵新工藝，最終研制了一種適宜煤礦掘進工作面粉塵防治的泡沫降塵系統，取得了顯著的進展[4-7]，西山煤電集團于2011年8月起開始在官地礦進行了該技術的工業性試驗，有效降低了綜掘面的粉塵濃度，凈化了作業環境，提升了工人作業效率，得到了一線職工的一致好評。

1 泡沫降塵機理

泡沫之所以能捕集空氣中飛揚的粉塵，除了與泡沫所具有的良好特性相關外，還與泡沫與粉塵的相互作用密切相關，這些作用主要有截留、慣性碰撞、擴散、黏附、重力沉降等效應，如圖1所示。

圖1 泡沫降塵的各種效應

研究發現，對于不同粒徑下的粉塵，泡沫降塵的機理是各不相同的[8]。當粉塵粒徑在大于100μm，并且速度不高的情況下，重力沉降效應起主要作用；當粉塵粒徑在大于10μm，小于50μm，并且速度很高(v>1cm/s)的情況下，截留和慣性碰撞效應其起到了主要作用；對于粒徑小于10μm的微小粉塵，其主要的降塵機理是擴散效應；而在降塵的整個過程中，黏附效應始終存在。

事實上，泡沫降塵的最終實現并不是某一降塵機理單獨作用的結果，盡管有時在降塵的特定階段，某個降塵機理起了主要作用，但是整個降塵過程必然是由兩個或多個降塵機理協同完成的。這也就是為何利用泡沫能夠容易除去粉塵，達到很高的降塵效率的重要原因。

2 高性能泡沫的制備流程

泡沫降塵技術是一個非常復雜的系統工程，要想達到良好的降塵效果，泡沫降塵系統是關鍵，它是泡沫制備的系統工具，決定了降塵的應用效果和降塵效率的高低。泡沫降塵系統主要由發泡劑添加部分、泡沫發生部分、控制與管路輸送部分及泡沫噴射部分組成。其工藝流程如圖2所示。首先，井下水在壓力作用下進入水管路，在添加器的作用下，將發泡劑添加到水管路中，發泡劑與有壓水混合后，形成均勻的發泡液，進入發泡器，在發泡器中，發泡液與壓縮風流相遇，通過射流、卷吸和紊流等作用，氣液迅速混合成高性能泡沫，經噴頭噴灑至掘進面產塵點，進行降塵。

圖2 實驗室制備泡沫的流程

其中，發泡器是泡沫降塵系統中的核心部件。該部分充分利用了射流產生負壓原理及文丘里管在喉部高速低壓的特點，使空氣和發泡液在喉部高速紊態流動，為了增加氣液的接觸面積，在文丘里管的擴散階段設置了一定數量的氣孔；文丘里管擴散段內部設置擾流器，能將高速液體流束分散開，由于射流作用在擾流器旋轉斜面上形成湍流渦流，使氣體能夠更容易的進入液體，達到氣-液充分混合；在擾流器的后部設置若干檔板，高速紊亂的氣液混合液和部分泡沫在此階段被進一步混合，產生更多的適合降塵的均勻泡沫群。

3 泡沫降塵工藝的確定

泡沫降塵的關鍵之一是使泡沫對塵源進行有效包裹。要想高效的抑制粉塵的擴散，必須在粉塵開始擴散之前使其受到有效的抑制，也就是說必須在粉塵變為浮游狀態前把泡沫施加到產塵點，即泡沫的作用范圍必須覆蓋塵源附近有可能向外擴散粉塵的區域。粉塵產生瞬間的運動軌跡直接影響著泡沫降塵技術工藝的選擇，圖3所示為縱軸式截割掘進機工作時粉塵的瞬間運動軌跡，在不考慮風流影響的情況下，煤巖破碎產生的粉塵大部分沿著截齒運動軌跡的切線方向被帶出來。

圖4為綜掘機掘進期間泡沫噴頭對粉塵的包裹工藝，工藝利用噴頭良好的擴散性能達到降塵的目的，該工藝操作簡單、穩定可靠、能夠適應井下狹小的空間。

掘進機泡沫降塵立體化“包裹”，這種全方位立體化的的泡沫捕塵工藝是根據粉塵的擴散軌跡而設計的，該方法可使泡沫有效的覆蓋粉塵，阻斷其擴散通道，使粉塵在產生地點附近就被捕捉。

圖3 掘進時粉塵的瞬間運動軌跡

圖4 掘進期間噴頭“包裹”工藝的設

4 泡沫降塵技術現場應用

4.1 綜掘工作面概況

22608副巷屬中六采區2#煤層，煤層瓦斯絕對涌出量0.60m3/min，煤層煤塵爆炸指數16.69%；煤層自燃傾向為不易自燃。巷道采用矩形斷面，巷寬4.6m，高為3m，斷面標準面積13.8m2。循環進度2m，最大控頂距2.4m，最小控頂距0.4m。若頂板不完整、破碎時循環進度1.0m，最大控頂距1.4m，最小控頂距0.4m。頂板采用錨桿、錨索、槽鋼鋼帶、鋼筋網聯合支護。中六采區22608副巷綜掘工作面采用上海創力礦山設備有限公司生產的EBZ132縱軸式掘進機割、裝、運煤，并配合皮帶、溜子出煤，跟頂跟底掘進，保證巷道高度不低于3m，巷道高度大于3.5m時，跟頂留底煤掘進的施工方法。

該工作面目前主要除塵方法包括通風排塵、掘進機噴霧降塵和除塵風機除塵。實際應用過程中，以上方法都存在著一些不足，如表1所示。

4.2 泡沫降塵系統在掘進面的布置

掘進工作面空間狹小，作業工序又較多，因此要求降塵系統的安裝既要能保證系統穩定可靠運行，又要不能影響工人的作業。需要安裝的設備主要有：發泡一體化裝置、泡沫分配器、噴頭支架、噴頭等。其中噴頭支架的安裝機構是用來固定噴頭支架，其上設置供噴頭滑動的螺栓槽，便于試驗過程中方便的調節噴頭角度和覆蓋范圍。

泡沫降塵系統在中六采區22608副巷掘進工作面的布置情況如圖5所示。降塵所用水為原降塵用水的一部分，氣為壓風的一部分。風水一體閥門的兩個接口分別與水管和風管連接，發泡劑添加裝置和發泡劑箱底部相連，依靠水管中水流的動力把發泡劑添加至水管中，風水一體閥門出口端的壓風管接到發泡器上，連接管路都用直徑為19mm的高壓膠管，發泡器、發泡劑添加裝置和發泡劑箱連成一體固定在掘進機臺面上，生成的泡沫采用直徑為50mm的膠管輸送至泡沫分配器的入口，裝有泡沫噴頭的噴頭支架由直徑為19mm的膠管和分配器的出口端連接，最后由噴頭噴灑至產塵點，抑制礦塵的擴散。

由于整個掘進工作面的產塵點主要在掘進機的截齒處，所以泡沫噴頭的作用范圍應該是切割滾筒的四周。由于泡沫會因重力作用向下運動，掘進機截割頭下側不易布置噴頭，泡沫噴頭的布置重點是掘進機截割頭的上部和兩翼，因此在上部和兩翼共布置了5個噴頭。噴頭所噴出泡沫的擴散形式分別為：上部噴頭呈水平扇形分布噴出，左右兩翼的四個噴頭呈傾斜扇形噴出，噴頭擴散角度均為45°。噴頭布置好以后，把水管和風管連接到發泡器上，最后把發泡器和泡沫噴頭接通。根據設計的方案和多次井下現場實地勘察和測算，最終將泡沫降塵系統安裝完畢。

為了適應在EBZ132掘進機上的使用條件，設計了環式支架，另外噴頭在支架上安裝時需將其槽口方向與支架的中線重合，以使泡沫噴出后能更好的構成包裹空間，如圖6所示。

泡沫降塵技術實施的前提是制備高質量的泡沫，而在應用地點制備泡沫必須具備水源和壓風。水源需要具有一定流量和壓力，一般情況下可用井下降塵用水或者消防水，一般要求流量為1m3/h，壓力0.2～0.7MPa。壓風管路一般要求流量為40～80m3/h，壓力0.2～0.7MPa。

4.3 效果分析

泡沫降塵系統在中六采區22608副巷掘進工作面安裝完畢后，進行了系列應用試驗。

試驗現場在司機處布置了粉塵濃度測點，使用重慶煤科院生產的CCGZ-1000型直讀式粉塵儀分別測得了無任何防塵措施、開啟外噴霧降塵、開啟泡沫降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度各6組數據，取其平均值并進行對比分析，如圖7、圖8所示。

表1 官地礦掘進面常用除塵技術比較

圖5 系統的安裝與布置示意圖

圖6 噴頭支架示意圖

圖7 外噴霧與泡沫降塵對全塵的效率對比

圖8 外噴霧與泡沫降塵對呼吸性粉塵的效率對比

現場測試結果表明：外噴霧降塵雖然可對迎頭粉塵濃度進行一定程度的降低，但整體效率仍較低，全塵和呼吸性粉塵效率僅有37.62%和38.46%，迎頭粉塵依然相當嚴峻，能見度不足1m，職工作業環境大大受到了限制，而且采用外噴霧降塵用水量較大，約3m3/h，大量的積水惡化作業面環境，嚴重情況下甚至造成掘進機的下沉。

而采用泡沫降塵時，全塵及呼吸性粉塵濃度分別為由790mg/m3和360mg/m3迅速降至141.2mg/m3和54.6mg/m3，降塵效率高達為82.13%和84.82%，降塵效率是外噴霧2.18倍和2.2倍，能見度也迅速提升，工人可以清晰看到迎頭，保障了安全開采。而且，產生的泡沫能夠很好的覆蓋滾筒周圍空間，抑制粉塵的產生和擴散，并能黏附壁面之上，從而達到提前潤濕壁面的效果。

同時，由于泡沫降塵采用的是風動式發泡的方式，耗水量相當少，僅為1m3/h，大大改善了一線職工的作業環境，更為關鍵的是該套裝備操作簡便，使用方便，得到了職工的一致好評。

5 結論

1)在泡沫捕塵模型的基礎上，從碰撞、濕潤、覆蓋和黏附的角度研究了泡沫的降塵機理，分析出了針對不同的粉塵粒徑，泡沫所起的作用不同，但泡沫降塵的最終實現并不是某一降塵機理單獨作用的結果，而是由多種降塵機理協同完成的，因而，泡沫降塵效率較其他降塵手段高的多。

2)提出泡沫降塵新應用工藝，利用井下現有的壓力水和壓縮風流為源動力，通過發泡劑與有壓水混合后，形成均勻的發泡液，在發泡器內利用流體靜壓和速壓相互轉化，實現發泡液與壓縮風流的混合，并通過系列的射流、卷吸和紊流等作用，達到氣液兩相成泡，產生高性能泡沫，最后通過在塵源周圍布置泡沫噴頭，在工作面空間和條件合適的地點制備泡沫，然后輸送至噴頭，利用噴頭良好的擴散性能達到降塵的目的，本工藝操作簡單、穩定可靠、特別能夠適應井下狹小的空間。

3)通過現場勘察和研究，確定了符合現場實際的應用工藝，最后在綜掘面現場構建了泡沫降塵系統并進行了工業性試驗。測試結果表明，在司機側，使用泡沫降塵時全塵及呼吸性粉塵濃度分別為141.2mg/m3和54.6mg/m3，降塵效率分別為82.13%和84.82%，降塵效率是外噴霧2.18倍和2.2倍，且外噴霧存在用水量大，惡化作業面環境的弊端。使用泡沫降塵顯著降低了粉塵濃度，為工人身心健康和企業安全生產提供了保障，具有良好的經濟效益和社會效益。

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