綜掘工作面活性磁化水降塵技術與試驗

岳 鵬 韓曉莉

（1.山西大平煤業有限公司，山西 長治 046203；2.山西惠豐特種汽車有限公司，山西 長治 046203）

在煤炭開采過程中，尤其是在掘進工作面，其粉塵濃度單位立方米達上百毫克，甚至上千毫克，大大超過了《煤礦安全規程》中要求的粉塵濃度標準。高濃度粉塵直接影響煤礦的安全高效生產，同時會誘發塵肺病，危害礦工生命健康安全[1-5]。大平煤業3111 工作面回風順槽采用綜掘機施工，掘進過程中會產生大量粉塵，因此，針對性地開展綜掘工作面粉塵防治技術研究十分必要。

1 工程概況

大平煤業3111 工作面位于+650 m 水平一采區，開采3#煤層。工作面開采標高+404～+535 m，其開采范圍內煤層平均厚度6.19 m，煤層賦存穩定，結構簡單，參差狀斷口，玻璃光澤，以亮煤為主，光亮型，硬度0.37～1.5。煤質工業指標參數見表1。煤層老頂為細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖，平均厚度10.3 m；直接頂為泥巖、砂質泥巖，平均厚度2.7 m；直接底為泥巖，平均厚度4.95 m；老底為細粒砂巖，平均厚度3.7 m。大平煤業3111 工作面回風順槽沿煤層底板掘進，設計主要斷面為矩形斷面，巷道凈寬4.5 m，凈高3.15 m。

表1 煤質工業指標參數

2 綜掘面粉塵來源分析

掘進工作面粉塵主要由煤體破碎過程、運輸途中產生，而且隨著煤礦機械化程度不斷提高，尤其是大功率掘進機在煤層巷道掘進中的推廣應用，其破碎能力大幅度提高，煤體破碎過程產生的粉塵也隨之增加。根據現場調研及相關資料顯示，掘進工作面粉塵主要由以下幾部分組成：

（1）掘進機截割頭破煤時。煤體在截割頭作用下粉碎并產生大量粉塵顆粒，轉速越高、推進深度越大，產生的粉塵顆粒越多。研究表明，掘進機截割頭破煤產生的粉塵占整體的60%以上。

（2）巷道支護時。采用風鉆工藝鉆進錨桿及錨索鉆孔時，鉆機鉆頭高速截割煤體，也產生大量粉塵顆粒。

（3）破碎煤體運輸時。截割后的破碎煤體采用皮帶轉運，在風流作用下，破碎煤體表面吸附的粉塵顆粒飛揚。在運輸轉載地點，由于轉載高差，導致粉塵飛揚。

綜上所述，掘進機割煤時產生的粉塵顆粒是掘進工作面粉塵的主要來源，因此在粉塵防治中，應著重對該塵源進行治理。

3 綜掘面活性磁化水降塵技術

活性磁化水降塵技術是采用活性添加劑，利用親水基、親油基改變水的濕潤性能，同時通過磁場磁化作用破壞水分子氫鍵結構，改變活性添加劑在水中的吸附形式，利用磁場磁化和活性添加劑的耦合作用，加強噴霧凝聚粉塵的能力[6]，從而實現粉塵的有效防治。為了充分發揮活性磁化水的降塵能力，針對綜掘面狹小空間環境，構建綜掘面活性磁化水降塵技術。

3.1 活性磁化水制備系統與工藝

活性磁化水制備系統主要包括供給裝置、混合裝置、加壓裝置、磁化裝置及噴霧降塵裝置。活性磁化水制備工藝流程如圖1，具體流程如下：

圖1 活性磁化水制備工藝流程圖

（1）制備濃度為3%活性添加劑濃溶液作為供給源。根據綜掘面降塵需水量，計算制備濃度為0.03%活性添加劑溶液所需要的供給源（濃溶液），利用供給裝置具備定量泵與流量計精確控制所需供給的活性添加劑濃溶液量。

（2）將降塵管路與井下供水管路連接，通過混合裝置連接供給裝置與供水管路，將活性添加劑濃溶液與降塵用水在過混合裝置中充分混合，形成濃度為0.03%活性添加劑溶液。

（3）采用加壓裝置將濃度為0.03%活性添加劑溶液加壓至5 MPa 左右，以保證溶液的霧化及磁化要求，將具備一定壓力的活性添加劑溶液通過磁化裝置進行磁化，制備濃度為0.03%活性添加劑磁化溶液。

（4）將濃度為0.03%活性添加劑磁化溶液通過耐壓膠管連接至噴霧降塵裝置，通過噴霧降塵裝置活性添加劑磁化溶液霧化，形成相對密閉的噴霧區域，高效捕捉空氣中的粉塵顆粒。

3.2 活性磁化水降塵技術參數與系統布置

磁化器處理水量為400 L/min，活性磁化水添加劑用量濃度0.03%，水壓設計5 MPa，磁場強度設計300～350 mT，磁化水記憶效應設計9 min，磁程設計8 m，穿過磁化器的水流速度設計4 m/s，溶液表面張力設計27 m·N/m。

大平煤業3111 工作面回風順槽采用綜掘工藝，采用皮帶運輸。為了節省巷道空間，活性磁化水制備系統布置在巷道側向的躲避洞內，制備后的活性磁化水經分流器進入掘進機設置的外噴霧系統，在截割頭位置形成封閉水霧場，在距綜掘面迎頭30 m處構建一道全封閉的活性磁化水幕簾，實現回風順槽綜掘面塵源的綜合防治。活性磁化水降塵系統綜掘面布置示意圖如圖2。

圖2 活性磁化水降塵系統綜掘面布置示意圖

4 綜掘面活性磁化水降塵試驗

現場監測大平煤業3111 工作面回風順槽綜掘面未進行噴霧時的粉塵濃度以及采用未處理水、活性添加劑溶液以及活性磁化水進行噴霧后綜掘面的粉塵濃度（監測點距迎頭5 m）。未進行噴霧時，綜掘面全塵濃度448.45 mg/m3，呼塵濃度238.03 mg/m3；采用未處理水噴霧時，綜掘面全塵濃度203.77 mg/m3，呼塵濃度124.04 mg/m3，全塵除塵效率54.56%，呼塵除塵效率47.89%；采用活性添加劑溶液噴霧時，綜掘面全塵濃度113.14 mg/m3，呼塵濃度70.36 mg/m3，全塵除塵效率74.77%，呼塵除塵效率70.44%；采用活性磁化水噴霧時，綜掘面全塵濃度79.78 mg/m3，呼塵濃度45.53 mg/m3，全塵除塵效率82.21%，呼塵除塵效率80.87%，表明了綜掘面活性磁化水降塵技術具有很好的降塵效果。除塵效率對比圖如圖3。

圖3 除塵效率對比圖

5 結論

綜掘工作面機械化程度提高的同時，產生的粉塵也大幅度增加。針對掘進面粉塵主要來源包括掘進機截割破煤、巷道支護時采用的風鉆工藝以及運輸過程中的揚塵等，提出了采用活性磁化水進行綜掘面降塵，介紹了活性磁化水制備系統與工藝，設計了活性磁化水降塵技術參數與系統布置。經綜掘面活性磁化水降塵試驗，活性磁化水噴霧時，綜掘面全塵除塵效率達82.21%，呼塵除塵效率達80.87%，表明了綜掘面活性磁化水降塵技術具有很好的降塵效果。