煤礦除塵技術的研究與展望

葛少成，王卓龑，陳 曦，2，范超男

(1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024； 2.太原理工大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024)

煤作為一種不可再生的資源，在中國的能源結構中一直具有著不可代替的地位。自2001年以來，我國的煤炭生產總量呈現增長趨勢，2019年的生產總量約為2001年的2.6倍(圖1)，在主導新型清潔能源的今天，煤炭仍然作為能源的主要構成。煤塵是煤礦開采過程中最受關注的問題之一，煤塵易引起煤礦工人職業病和煤塵爆炸的可能，對工人和礦井的安全高效生產構成嚴重威脅[1-3]。

圖1 2001年到2019年國內能源生產情況Fig.1 Domestic energy production from 2001 to 2019 year

2018年全國各類職業病新增病例共23 497例，職業性塵肺病和其他呼吸系統疾病19 524 例(其中職業性塵肺病19 468例)[4]。煤礦粉塵被公認為煤礦開采中的五大災害之一[5-6]，整個開采過程中幾乎都會伴隨著煤塵的產生[7-8]。

噴霧除塵相對來說簡單易行，但對于呼吸性粉塵除塵效率相對較低[8]，而且水霧在產塵量相對較小的位置可以實現較高的除塵效率，但在產塵量較大處的降塵效果較差[9-10]。泡沫除塵技術在產塵量較大處的治理效果理想，開展泡沫除塵技術的相關研究，促進泡沫除塵技術的發展，保障安全生產是必要的[11]。

除了濕式除塵外，風幕除塵也是應用較高的除塵方式。利用風機將氣流沿一定方向噴出，噴出的射流氣體形成空氣面，利用空氣面的兩側壓差可以調節風流、阻擋粉塵，除塵效果顯著。

1 煤礦粉塵研究

1.1 粉塵特性研究

長久以來，煤塵導致職工患塵肺病及井下粉塵爆炸事故屢見不鮮，我國就礦塵特性及其防治技術領域展開了多角度、多方位的研究。煤礦粉塵是礦井生產過程中產生的能夠長時間漂浮在空氣中的各種煤、巖固體物質細微顆粒的總稱[12]，如圖2所示。

圖2 礦級煤粉樣品及其掃描電鏡圖片Fig.2 Mine-grade coal sample and its scanning electron microscope picture

楊靜等[13]用Winner3001型激光粒度儀對粉塵粒徑進行了研究，計算了粉塵的分形維數，并且以此為基礎，建立煤塵液體濕潤的動態模型，進行了濕性表征。趙恩標等[14]針對煤塵濃度測量的方法，研制了一種電荷法測量煤塵濃度的新型傳感器。孟雙等[15]以標準堆積粉塵自然溫度測定實驗裝置，開展堆積狀態下典型褐煤、木粉的自燃特性實驗研究，得出體積量與粉塵穩定性的關系。

煤礦粉塵還具有爆炸特性，粉塵爆炸事故是煤礦重大災害事故，會造成嚴重的損失和后果。曹衛國等[16]通過使用高速攝影裝置和紅外熱成像裝置對火焰傳播過程和空間的溫度分布情況進行了研究。劉天奇等[17]使用近球形煤塵爆炸裝置對褐煤、長焰煤、不粘煤和氣煤的爆炸壓力特性變化規律展開分析，得出不同變質程度煤塵爆炸壓力特性變化規律。Sikandar Azam等[12]通過對粉塵粒徑、粉塵濃度和粉塵彌散—空氣壓力等參數對抑制煤塵爆炸的巖塵惰性要求的影響進行了研究，闡明了煤塵爆炸及其傳播的潛在機理，煤塵爆炸所需的巖塵比例隨著煤塵粒徑的減小和巖塵粒徑的增大而增大。

1.2 粉塵危害研究

煤礦工人長期暴露在煤塵環境中，過度地接觸煤礦粉塵，容易引起各種疾?。簤m肺病、黑肺、慢性阻塞性肺病、哮喘等[18]。截至2018 年末，全國職業病累計報告人數已超 97 萬人，并且病人年齡呈現年輕化趨勢[19]。

在煤礦開采過程中，許多環節都會不同程度地產生粉塵，由于礦井機械化程度大大提升，粉塵濃度也大幅度增加。當粉塵濃度達到一定數值時會造成粉塵爆炸，表1列舉了部分煤塵爆炸事故。

表1 煤塵爆炸事故Tab.1 Coal dust explosion accident

2 泡沫除塵技術研究現狀

2.1 泡沫除塵機理和優點

煤塵在液膜的作用之下，經過碰撞、濕潤、黏附等作用將眾多小顆粒聚集匯成大顆粒，隨著破裂的泡沫液滴沉降，如圖3所示[20]。

圖3 泡沫降塵機理Fig.3 Foam dust deposition mechanism

泡沫除塵的出現在一定程度上克服了這些除塵技術的局限性，泡沫主要由空氣、水和發泡劑組成，覆蓋力大、接觸面積大、潤濕速度快、隔離性能好[21]。泡沫膜表面有一定黏度和水分，能捕捉和沉淀在空氣中浮塵；泡沫膜破裂后噴到粉塵的表面，黏結粉塵使其沉降[22-23]，如圖4所示。

圖4 煤塵表面附著微觀結構Fig.4 Microstructure of coal dust surface adhesion

2.2 近期泡沫除塵研究進展

近期研究進展的概述主要有以下方面：泡沫發生器的研制、泡沫抑塵劑配方和泡沫除塵的應用。

2.2.1 泡沫發生器的研制

蔣仲安等[9]對泡沫除塵機理進行了深入分析，通過相似模型實驗優選出了泡沫發生器的結構，如圖5所示，并對其性能進行了測試。

圖5 發泡器結構和實驗裝置Fig.5 Foamer structure and experimental apparatus

陳舉師等[24]針對潛孔鉆機在工作時的產塵特點，結合理論及數值分析，優選出了一種針對潛孔鉆機的泡沫發生器的基本尺寸和發泡參數，如圖6所示。經試驗研究，其除塵效果較好，除塵效率高達90%以上，如圖7所示。

圖6 泡沫發生器結構示意Fig.6 Schematic diagram of foam generator structure

圖7 全塵粉塵濃度對比Fig.7 Comparison of total dust concentration

2.2.2 泡沫抑塵劑配方

孟慶國等[25]根據表面活性劑協同效應，并改進Ross-Miles方法，對表面活性劑的發泡性能和泡沫穩定性進行了分析，運用水膜浮選法對其濕潤性能進行了測定，得到了一種除塵性能較好的配比方案：APG∶PAC∶APEO∶AEG=80∶1∶40∶40，并將復配方案應用于實踐，如圖8所示，具有良好的降塵效果。

圖8 不同措施除塵效率對比Fig.8 Comparison of dust removal efficiency of different measures

徐超航[26]從表面活性劑的抗硬水能力、與高分子穩定劑的協同效應和潤濕煤塵機理3個方面展開了復合型(表面活性劑和高分子穩定劑)抑塵發泡劑的研究，在陰離子表面活性劑分子的結構中引入非離子性的含氧親水基團，提高抗硬水能力。

2.2.3 泡沫除塵的應用

陳貴等[27]通過對大斷面巖巷綜采面進行數值模擬，在已知粉塵運動規律和粉塵濃度分布的基礎上，對整個綜采面設計了泡沫降塵工藝系統，并獲得了理想的降塵效果，如圖9所示。

圖9 泡沫除塵效果Fig.9 Foam dust removal effect

Guo Qing等[23]在水中加入發泡劑進行的性能測試，煤塵的接觸角降低67%，潤濕率提高了30倍，在膨脹比為30時，泡沫最大黏度為751 mPa·s，應用在掘進機的發泡裝置上，設計安裝了一種自吸式自動添加發泡劑的泡沫制備系統，如圖10所示，使得掘進機駕駛員位置附近的總粉塵抑制效率達到了87.9%。

圖10 掘進機發泡裝置示意Fig.10 Schematic diagram of roadheader foaming device

3 風幕除塵技術的研究現狀

3.1 風幕集塵原理

風幕集塵裝置構造主要有壓入式系統和抽出式系統。壓入式系統有風幕射流箱、壓入式風筒和壓風機，壓風機就是將外部的風流送入到風筒中，射流箱再將風流送出；抽出式系統有抽出式風機、除塵器和抽出式風筒。

礦用風幕使用風扇向特定方向以高風速噴射氣體，沿風幕出口設定的一定角度引射。風幕起到有效隔塵的作用，并控制特定區域中的粉塵污染區域[28]。風幕包裹的大部分灰塵由于負壓會被抽出式風筒收集，少部分粉塵會進入駕駛員的控制區域并散布到其他地方。風幕工作如圖11所示。

圖11 風幕工作示意Fig.11 Schematic diagram of wind curtain work

在正常情況下，綜掘工作面巷道中的風流速度都比較低，粉塵在此情況下會隨著風流呈現出一定的運動規律。一般來說，在綜掘工作面巷道的前端頭位置附近，全塵濃度和呼吸性粉塵濃度相對來說都是最高的；但是當遠離綜掘工作面前端頭時，相應的粉塵濃度都會變小。

通常情況下，綜采區域的氣流速度相對較慢，在這種情況下，粉塵具有一定的移動規律，一般來說，全塵濃度與呼吸性粉塵濃度在綜采區域相對較高；但是如果遠離綜采區域的前端，則相應的粉塵濃度會降低[29]。

3.2 風幕集塵技術研究現狀

1904年，Tephilus Van Kemmel第一次介紹了關于空氣幕的一些理論知識，并發明了空氣幕裝置，至此空氣幕開始走進人們的日常生活中。20世紀50年代前后，前蘇聯學者謝別列夫將空氣幕的理論運用到井下的巷道中，得出了結論：礦井下的空氣幕工作效率與空氣幕軸線位置和形狀有關。而空氣幕軸線位置和形狀與發生器在巷道中的位置、始發角等因素相關。

20世紀70年代中期，Eropob和Megebgeb將部分學者的風幕研究經驗與成果作為實驗支撐，利用相似模擬實驗證實礦井中的風幕的實際總通風量、巷道本身的風量、風幕的出口寬度、巷道的斷面面積存在一個公式，雖然公式中存在漏洞，但在當時是比較先進的[30]。1979年，Pinter Kijkcwski利用質量守恒和動量守恒定律作為實驗依據[31]，經過多次實驗，推導出與礦井風幕壓力有關的公式，在后續的對比實驗中，由于巷道中的風流不穩定，導致與實際的結果存在較大的誤差。21世紀初，有學者在實驗與理論推導中發現影響礦井風幕的動力條件和幾何因素有很多，如巷道的實際高度、壓差、風幕出口大小、出口風速等。實際所得的公式只適用于高0.22～1.44 m的巷道，此公式適用范圍較小。

我國對于風幕的研究較晚，1960年左右才開始對風幕進行實驗研究，中南大學以國外的礦用風幕模型作為基礎，在此模型上進行研究與實驗。東川礦物局對于風幕機的結構以及設備的連接方式進行了改進，并取得了不錯的效果[32]。王英敏[33]認為風幕的工作原理與輔扇通風理論相似，將有效壓力的理論作為研究礦用風幕的理論基礎，在實驗過程中發現，礦井局部通風機的原理與其大致相同，均屬于調節風流的作用。徐竹云等[34-35]也將有效壓力的理論運用到研究風幕技術中，在一系列的實驗中進行對比發現風幕的功耗與參數之間的函數關系，可以對參數進行選擇，為解決能源耗損提供了理論依據，并研制出了可以取代風門的寬口大風量礦用風幕。

1990年以來，湖南科技大學的王海橋等[36]把風幕技術引入綜采工作面，針對工作面粉塵量大、不易治理的問題，利用風幕技術進行研究。在礦井綜采工作面安置風幕可以改變粉塵的運動方向，將大量粉塵堵塞在另一側，只有少量的粉塵飄向工作人員，風幕除塵效果顯著。通過實際試驗發現影響風幕除塵的幾個因素，如風幕機的功率、出口的大小、風速等。提出了隔塵分區的概念，風幕隔塵集塵可以保證工作環境的衛生情況。劉雅俊等[37-38]研發了風幕集塵風機，并做了相對詳細的講解，但根據實際礦井情況無法大量生產該風機。然而，風幕集塵風機的研發對綜采工作面除塵集塵工作有很大的參考價值。針對性地提出短路流場的理論，在實驗研究中證實風幕技術在礦井下治理粉塵問題的可行性。根據國外對風幕集塵技術的研究，我國可以利用綜采工作面的粉塵運動規律以及風幕的運行原理兩者相結合進行粉塵防治。

河南理工大學的魯忠良等[39]結合國內外學者對風幕技術的研究，在當前基礎上進行改進，研制了一種新型礦用除塵系統，經大量的實驗數據對比發現，該除塵系統比其他除塵系統更易控制，除塵效果更好，提高了除塵效率，結構簡單易操作。王海寧等[40]在實際試驗中利用Matlab數值分析軟件，繪制礦井下的風幕設計的幾何模型，改變風機的葉片安裝角度、巷道斷面面積等因素測出實際的阻風率，建立了多功能礦井風幕的理論模型，在金川集團二礦區進行了現場試驗，并對風幕的射流作用進行了研究。結果證實風幕在礦井下工作時，與風門的作用相似，能夠解決風流短路、風量不足等問題。短路流場流線如圖12所示，風幕集塵風機如圖13所示。

圖12 短路流場流線Fig.12 Short circuit flow field flow line

圖13 風幕集塵風機Fig.13 Air curtain dust collector

2010年，李雨成[41]根據氣固兩相流的數學基本理論，利用Fluent軟件進行數值模擬，對風幕集塵系統、壓入式和抽入式風流進行分析，得出結論：在使用風幕的情況下，機械化采石場壁中粉塵濃度和細粉塵濃度的總值相對急劇下降，并且開發了倒U形射流箱和三角形噴射箱相結合的集塵裝置。

粉塵濃度分布云圖如圖14所示。

圖14 粉塵濃度分布云圖Fig.14 Concentration distribution cloud diagram of dust

4 存在的問題及展望

泡沫除塵技術具有降塵效率高、耗水量小等顯著優點，風幕除塵技術除塵效果顯著，但都仍然存在以下不足。

泡沫除塵技術具體應用工藝方面仍然存在不足。泡沫除塵技術以產生大量泡沫覆蓋產塵點降塵，會阻礙一線工人的視線，影響安全生產，而且大量泡沫受風流的影響而聚集，影響井巷風流；單一除塵方法可能很難達到除塵要求或者成本較高。目前采用的泡沫—噴霧相結合的方式，雖然在一定程度上降低了成本，仍然不能從根本上解決煤塵，無法減少煤塵的產生，只是抑制煤塵的擴散。

對于風幕除塵技術，風幕集塵機在工作時產生噪聲，忽視了負面影響；未考慮自身損耗，關注除塵效率外，還應注意運行費用等問題；用于空氣流動和粉塵分離的氣幕均屬于空氣噴射類別，并且具有相同的基本機構，之前用于氣流或粉塵收集的氣幕發展為2個分支，它們之間沒有良好的關系[42]。

存在的問題也是下一步重點研究的方向，對于泡沫除塵來說：重視基礎研究，降低泡沫除塵成本。礦井粉塵產生于受限空間內，內部空氣流動和運移復雜，加強對泡沫—粉塵運移規律和基本性質的應用基礎研究，研發新型低成本高效泡沫發泡劑，對泡沫除塵技術的發展和應用具有非常重要的意義；注水—泡沫綜合除塵研究。噴霧除塵、泡沫除塵或是其他除塵方法都只是抑制粉塵的擴散，注水除塵能夠從根本上減少煤塵的產生，應開展注水—泡沫的綜合除塵應用研究，對井下作業環境有著十分重要的意義。

風幕除塵技術在風幕集塵系統機理的基礎上偏向風流和隔塵的理論和經驗公式，并借助數值模擬等進行設備開發；將噪聲因素和成本融入設計中，開發出合適的除塵設備。

5 結論

國內外學者對煤礦粉塵進行了大量的研究，提供了理論和實踐依據。泡沫除塵可應用于井下多個產塵點，降塵率高、且耗水量小，對呼吸性粉塵的抑制效果尤為顯著。風幕集塵除塵系統不僅改善了綜采工作面的工作環境，還凈化了巷道的風流。但仍存在許多問題和不足，需要大量的工作來提高粉塵防治水平。