葛少成，王卓龑，陳 曦，2，范超男

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

煤作為一種不可再生的資源，在中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中一直具有著不可代替的地位。自2001年以來(lái)，我國(guó)的煤炭生產(chǎn)總量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，2019年的生產(chǎn)總量約為2001年的2.6倍(圖1)，在主導(dǎo)新型清潔能源的今天，煤炭仍然作為能源的主要構(gòu)成。煤塵是煤礦開采過(guò)程中最受關(guān)注的問(wèn)題之一，煤塵易引起煤礦工人職業(yè)病和煤塵爆炸的可能，對(duì)工人和礦井的安全高效生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-3]。

圖1 2001年到2019年國(guó)內(nèi)能源生產(chǎn)情況Fig.1 Domestic energy production from 2001 to 2019 year

2018年全國(guó)各類職業(yè)病新增病例共23 497例，職業(yè)性塵肺病和其他呼吸系統(tǒng)疾病19 524 例(其中職業(yè)性塵肺病19 468例)[4]。煤礦粉塵被公認(rèn)為煤礦開采中的五大災(zāi)害之一[5-6]，整個(gè)開采過(guò)程中幾乎都會(huì)伴隨著煤塵的產(chǎn)生[7-8]。

噴霧除塵相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單易行，但對(duì)于呼吸性粉塵除塵效率相對(duì)較低[8]，而且水霧在產(chǎn)塵量相對(duì)較小的位置可以實(shí)現(xiàn)較高的除塵效率，但在產(chǎn)塵量較大處的降塵效果較差[9-10]。泡沫除塵技術(shù)在產(chǎn)塵量較大處的治理效果理想，開展泡沫除塵技術(shù)的相關(guān)研究，促進(jìn)泡沫除塵技術(shù)的發(fā)展，保障安全生產(chǎn)是必要的[11]。

除了濕式除塵外，風(fēng)幕除塵也是應(yīng)用較高的除塵方式。利用風(fēng)機(jī)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(cè)壓差可以調(diào)節(jié)風(fēng)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(zhǎng)久以來(lái)，煤塵導(dǎo)致職工患?jí)m肺病及井下粉塵爆炸事故屢見不鮮，我國(guó)就礦塵特性及其防治技術(shù)領(lǐng)域展開了多角度、多方位的研究。煤礦粉塵是礦井生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的能夠長(zhǎng)時(shí)間漂浮在空氣中的各種煤、巖固體物質(zhì)細(xì)微顆粒的總稱[12]，如圖2所示。

圖2 礦級(jí)煤粉樣品及其掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.2 Mine-grade coal sample and its scanning electron microscope picture

楊靜等[13]用Winner3001型激光粒度儀對(duì)粉塵粒徑進(jìn)行了研究，計(jì)算了粉塵的分形維數(shù)，并且以此為基礎(chǔ)，建立煤塵液體濕潤(rùn)的動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行了濕性表征。趙恩標(biāo)等[14]針對(duì)煤塵濃度測(cè)量的方法，研制了一種電荷法測(cè)量煤塵濃度的新型傳感器。孟雙等[15]以標(biāo)準(zhǔn)堆積粉塵自然溫度測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置，開展堆積狀態(tài)下典型褐煤、木粉的自燃特性實(shí)驗(yàn)研究，得出體積量與粉塵穩(wěn)定性的關(guān)系。

煤礦粉塵還具有爆炸特性，粉塵爆炸事故是煤礦重大災(zāi)害事故，會(huì)造成嚴(yán)重的損失和后果。曹衛(wèi)國(guó)等[16]通過(guò)使用高速攝影裝置和紅外熱成像裝置對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程和空間的溫度分布情況進(jìn)行了研究。劉天奇等[17]使用近球形煤塵爆炸裝置對(duì)褐煤、長(zhǎng)焰煤、不粘煤和氣煤的爆炸壓力特性變化規(guī)律展開分析，得出不同變質(zhì)程度煤塵爆炸壓力特性變化規(guī)律。Sikandar Azam等[12]通過(guò)對(duì)粉塵粒徑、粉塵濃度和粉塵彌散—空氣壓力等參數(shù)對(duì)抑制煤塵爆炸的巖塵惰性要求的影響進(jìn)行了研究，闡明了煤塵爆炸及其傳播的潛在機(jī)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(zhǎng)期暴露在煤塵環(huán)境中，過(guò)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(guó)職業(yè)病累計(jì)報(bào)告人數(shù)已超 97 萬(wàn)人，并且病人年齡呈現(xiàn)年輕化趨勢(shì)[19]。

在煤礦開采過(guò)程中，許多環(huán)節(jié)都會(huì)不同程度地產(chǎn)生粉塵，由于礦井機(jī)械化程度大大提升，粉塵濃度也大幅度增加。當(dāng)粉塵濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)會(huì)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(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 泡沫除塵機(jī)理和優(yōu)點(diǎn)

煤塵在液膜的作用之下，經(jīng)過(guò)碰撞、濕潤(rùn)、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(jī)理Fig.3 Foam dust deposition mechanism

泡沫除塵的出現(xiàn)在一定程度上克服了這些除塵技術(shù)的局限性，泡沫主要由空氣、水和發(fā)泡劑組成，覆蓋力大、接觸面積大、潤(rùn)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(jié)粉塵使其沉降[22-23]，如圖4所示。

圖4 煤塵表面附著微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of coal dust surface adhesion

2.2 近期泡沫除塵研究進(jìn)展

近期研究進(jìn)展的概述主要有以下方面：泡沫發(fā)生器的研制、泡沫抑塵劑配方和泡沫除塵的應(yīng)用。

2.2.1 泡沫發(fā)生器的研制

蔣仲安等[9]對(duì)泡沫除塵機(jī)理進(jìn)行了深入分析，通過(guò)相似模型實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出了泡沫發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，如圖5所示，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。

圖5 發(fā)泡器結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Foamer structure and experimental apparatus

陳舉師等[24]針對(duì)潛孔鉆機(jī)在工作時(shí)的產(chǎn)塵特點(diǎn)，結(jié)合理論及數(shù)值分析，優(yōu)選出了一種針對(duì)潛孔鉆機(jī)的泡沫發(fā)生器的基本尺寸和發(fā)泡參數(shù)，如圖6所示。經(jīng)試驗(yàn)研究，其除塵效果較好，除塵效率高達(dá)90%以上，如圖7所示。

圖6 泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Schematic diagram of foam generator structure

圖7 全塵粉塵濃度對(duì)比Fig.7 Comparison of total dust concentration

2.2.2 泡沫抑塵劑配方

孟慶國(guó)等[25]根據(jù)表面活性劑協(xié)同效應(yīng)，并改進(jìn)Ross-Miles方法，對(duì)表面活性劑的發(fā)泡性能和泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，運(yùn)用水膜浮選法對(duì)其濕潤(rùn)性能進(jìn)行了測(cè)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(fù)配方案應(yīng)用于實(shí)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(duì)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(wěn)定劑的協(xié)同效應(yīng)和潤(rùn)濕煤塵機(jī)理3個(gè)方面展開了復(fù)合型(表面活性劑和高分子穩(wěn)定劑)抑塵發(fā)泡劑的研究，在陰離子表面活性劑分子的結(jié)構(gòu)中引入非離子性的含氧親水基團(tuán)，提高抗硬水能力。

2.2.3 泡沫除塵的應(yīng)用

陳貴等[27]通過(guò)對(duì)大斷面巖巷綜采面進(jìn)行數(shù)值模擬，在已知粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律和粉塵濃度分布的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)綜采面設(shè)計(jì)了泡沫降塵工藝系統(tǒng)，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(fā)泡劑進(jìn)行的性能測(cè)試，煤塵的接觸角降低67%，潤(rùn)濕率提高了30倍，在膨脹比為30時(shí)，泡沫最大黏度為751 mPa·s，應(yīng)用在掘進(jìn)機(jī)的發(fā)泡裝置上，設(shè)計(jì)安裝了一種自吸式自動(dòng)添加發(fā)泡劑的泡沫制備系統(tǒng)，如圖10所示，使得掘進(jìn)機(jī)駕駛員位置附近的總粉塵抑制效率達(dá)到了87.9%。

圖10 掘進(jìn)機(jī)發(fā)泡裝置示意Fig.10 Schematic diagram of roadheader foaming device

3 風(fēng)幕除塵技術(shù)的研究現(xiàn)狀

3.1 風(fēng)幕集塵原理

風(fēng)幕集塵裝置構(gòu)造主要有壓入式系統(tǒng)和抽出式系統(tǒng)。壓入式系統(tǒng)有風(fēng)幕射流箱、壓入式風(fēng)筒和壓風(fēng)機(jī)，壓風(fēng)機(jī)就是將外部的風(fēng)流送入到風(fēng)筒中，射流箱再將風(fēng)流送出；抽出式系統(tǒng)有抽出式風(fēng)機(jī)、除塵器和抽出式風(fēng)筒。

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

圖11 風(fēng)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(fēng)流速度都比較低，粉塵在此情況下會(huì)隨著風(fēng)流呈現(xiàn)出一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一般來(lái)說(shuō)，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(duì)來(lái)說(shuō)都是最高的；但是當(dāng)遠(yuǎn)離綜掘工作面前端頭時(shí)，相應(yīng)的粉塵濃度都會(huì)變小。

通常情況下，綜采區(qū)域的氣流速度相對(duì)較慢，在這種情況下，粉塵具有一定的移動(dòng)規(guī)律，一般來(lái)說(shuō)，全塵濃度與呼吸性粉塵濃度在綜采區(qū)域相對(duì)較高；但是如果遠(yuǎn)離綜采區(qū)域的前端，則相應(yīng)的粉塵濃度會(huì)降低[29]。

3.2 風(fēng)幕集塵技術(shù)研究現(xiàn)狀

1904年，Tephilus Van Kemmel第一次介紹了關(guān)于空氣幕的一些理論知識(shí)，并發(fā)明了空氣幕裝置，至此空氣幕開始走進(jìn)人們的日常生活中。20世紀(jì)50年代前后，前蘇聯(lián)學(xué)者謝別列夫?qū)⒖諝饽坏睦碚撨\(yùn)用到井下的巷道中，得出了結(jié)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(guān)。而空氣幕軸線位置和形狀與發(fā)生器在巷道中的位置、始發(fā)角等因素相關(guān)。

20世紀(jì)70年代中期，Eropob和Megebgeb將部分學(xué)者的風(fēng)幕研究經(jīng)驗(yàn)與成果作為實(shí)驗(yàn)支撐，利用相似模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)礦井中的風(fēng)幕的實(shí)際總通風(fēng)量、巷道本身的風(fēng)量、風(fēng)幕的出口寬度、巷道的斷面面積存在一個(gè)公式，雖然公式中存在漏洞，但在當(dāng)時(shí)是比較先進(jìn)的[30]。1979年，Pinter Kijkcwski利用質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律作為實(shí)驗(yàn)依據(jù)[31]，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)出與礦井風(fēng)幕壓力有關(guān)的公式，在后續(xù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，由于巷道中的風(fēng)流不穩(wěn)定，導(dǎo)致與實(shí)際的結(jié)果存在較大的誤差。21世紀(jì)初，有學(xué)者在實(shí)驗(yàn)與理論推導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)影響礦井風(fēng)幕的動(dòng)力條件和幾何因素有很多，如巷道的實(shí)際高度、壓差、風(fēng)幕出口大小、出口風(fēng)速等。實(shí)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(guó)對(duì)于風(fēng)幕的研究較晚，1960年左右才開始對(duì)風(fēng)幕進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，中南大學(xué)以國(guó)外的礦用風(fēng)幕模型作為基礎(chǔ)，在此模型上進(jìn)行研究與實(shí)驗(yàn)。東川礦物局對(duì)于風(fēng)幕機(jī)的結(jié)構(gòu)以及設(shè)備的連接方式進(jìn)行了改進(jìn)，并取得了不錯(cuò)的效果[32]。王英敏[33]認(rèn)為風(fēng)幕的工作原理與輔扇通風(fēng)理論相似，將有效壓力的理論作為研究礦用風(fēng)幕的理論基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，礦井局部通風(fēng)機(jī)的原理與其大致相同，均屬于調(diào)節(jié)風(fēng)流的作用。徐竹云等[34-35]也將有效壓力的理論運(yùn)用到研究風(fēng)幕技術(shù)中，在一系列的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)風(fēng)幕的功耗與參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行選擇，為解決能源耗損提供了理論依據(jù)，并研制出了可以取代風(fēng)門的寬口大風(fēng)量礦用風(fēng)幕。

1990年以來(lái)，湖南科技大學(xué)的王海橋等[36]把風(fēng)幕技術(shù)引入綜采工作面，針對(duì)工作面粉塵量大、不易治理的問(wèn)題，利用風(fēng)幕技術(shù)進(jìn)行研究。在礦井綜采工作面安置風(fēng)幕可以改變粉塵的運(yùn)動(dòng)方向，將大量粉塵堵塞在另一側(cè)，只有少量的粉塵飄向工作人員，風(fēng)幕除塵效果顯著。通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)影響風(fēng)幕除塵的幾個(gè)因素，如風(fēng)幕機(jī)的功率、出口的大小、風(fēng)速等。提出了隔塵分區(qū)的概念，風(fēng)幕隔塵集塵可以保證工作環(huán)境的衛(wèi)生情況。劉雅俊等[37-38]研發(fā)了風(fēng)幕集塵風(fēng)機(jī)，并做了相對(duì)詳細(xì)的講解，但根據(jù)實(shí)際礦井情況無(wú)法大量生產(chǎn)該風(fēng)機(jī)。然而，風(fēng)幕集塵風(fēng)機(jī)的研發(fā)對(duì)綜采工作面除塵集塵工作有很大的參考價(jià)值。針對(duì)性地提出短路流場(chǎng)的理論，在實(shí)驗(yàn)研究中證實(shí)風(fēng)幕技術(shù)在礦井下治理粉塵問(wèn)題的可行性。根據(jù)國(guó)外對(duì)風(fēng)幕集塵技術(shù)的研究，我國(guó)可以利用綜采工作面的粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及風(fēng)幕的運(yùn)行原理兩者相結(jié)合進(jìn)行粉塵防治。

河南理工大學(xué)的魯忠良等[39]結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)幕技術(shù)的研究，在當(dāng)前基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研制了一種新型礦用除塵系統(tǒng)，經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該除塵系統(tǒng)比其他除塵系統(tǒng)更易控制，除塵效果更好，提高了除塵效率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作。王海寧等[40]在實(shí)際試驗(yàn)中利用Matlab數(shù)值分析軟件，繪制礦井下的風(fēng)幕設(shè)計(jì)的幾何模型，改變風(fēng)機(jī)的葉片安裝角度、巷道斷面面積等因素測(cè)出實(shí)際的阻風(fēng)率，建立了多功能礦井風(fēng)幕的理論模型，在金川集團(tuán)二礦區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)風(fēng)幕的射流作用進(jìn)行了研究。結(jié)果證實(shí)風(fēng)幕在礦井下工作時(shí)，與風(fēng)門的作用相似，能夠解決風(fēng)流短路、風(fēng)量不足等問(wèn)題。短路流場(chǎng)流線如圖12所示，風(fēng)幕集塵風(fēng)機(jī)如圖13所示。

圖12 短路流場(chǎng)流線Fig.12 Short circuit flow field flow line

圖13 風(fēng)幕集塵風(fēng)機(jī)Fig.13 Air curtain dust collector

2010年，李雨成[41]根據(jù)氣固兩相流的數(shù)學(xué)基本理論，利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)風(fēng)幕集塵系統(tǒng)、壓入式和抽入式風(fēng)流進(jìn)行分析，得出結(jié)論：在使用風(fēng)幕的情況下，機(jī)械化采石場(chǎng)壁中粉塵濃度和細(xì)粉塵濃度的總值相對(duì)急劇下降，并且開發(fā)了倒U形射流箱和三角形噴射箱相結(jié)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(wèn)題及展望

泡沫除塵技術(shù)具有降塵效率高、耗水量小等顯著優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)幕除塵技術(shù)除塵效果顯著，但都仍然存在以下不足。

泡沫除塵技術(shù)具體應(yīng)用工藝方面仍然存在不足。泡沫除塵技術(shù)以產(chǎn)生大量泡沫覆蓋產(chǎn)塵點(diǎn)降塵，會(huì)阻礙一線工人的視線，影響安全生產(chǎn)，而且大量泡沫受風(fēng)流的影響而聚集，影響井巷風(fēng)流；單一除塵方法可能很難達(dá)到除塵要求或者成本較高。目前采用的泡沫—噴霧相結(jié)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(wú)法減少煤塵的產(chǎn)生，只是抑制煤塵的擴(kuò)散。

對(duì)于風(fēng)幕除塵技術(shù)，風(fēng)幕集塵機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生噪聲，忽視了負(fù)面影響；未考慮自身?yè)p耗，關(guān)注除塵效率外，還應(yīng)注意運(yùn)行費(fèi)用等問(wèn)題；用于空氣流動(dòng)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(jī)構(gòu)，之前用于氣流或粉塵收集的氣幕發(fā)展為2個(gè)分支，它們之間沒有良好的關(guān)系[42]。

存在的問(wèn)題也是下一步重點(diǎn)研究的方向，對(duì)于泡沫除塵來(lái)說(shuō)：重視基礎(chǔ)研究，降低泡沫除塵成本。礦井粉塵產(chǎn)生于受限空間內(nèi)，內(nèi)部空氣流動(dòng)和運(yùn)移復(fù)雜，加強(qiáng)對(duì)泡沫—粉塵運(yùn)移規(guī)律和基本性質(zhì)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，研發(fā)新型低成本高效泡沫發(fā)泡劑，對(duì)泡沫除塵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(kuò)散，注水除塵能夠從根本上減少煤塵的產(chǎn)生，應(yīng)開展注水—泡沫的綜合除塵應(yīng)用研究，對(duì)井下作業(yè)環(huán)境有著十分重要的意義。

風(fēng)幕除塵技術(shù)在風(fēng)幕集塵系統(tǒng)機(jī)理的基礎(chǔ)上偏向風(fēng)流和隔塵的理論和經(jīng)驗(yàn)公式，并借助數(shù)值模擬等進(jìn)行設(shè)備開發(fā)；將噪聲因素和成本融入設(shè)計(jì)中，開發(fā)出合適的除塵設(shè)備。

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤礦粉塵進(jìn)行了大量的研究，提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。泡沫除塵可應(yīng)用于井下多個(gè)產(chǎn)塵點(diǎn)，降塵率高、且耗水量小，對(duì)呼吸性粉塵的抑制效果尤為顯著。風(fēng)幕集塵除塵系統(tǒng)不僅改善了綜采工作面的工作環(huán)境，還凈化了巷道的風(fēng)流。但仍存在許多問(wèn)題和不足，需要大量的工作來(lái)提高粉塵防治水平。