李新龍，王海濤

(河南平寶煤業(yè)有限公司 首山一礦，河南 許昌 461000)

煤塵已成為我國煤礦井下主要災害之一，尤其在影響井下工人職業(yè)健康方面。截至2019年底我國塵肺病患者已經(jīng)超過90萬人，其中50%以上來自于煤礦[1，2]。特別隨著割煤機械化程度的提高，煤礦綜采面普遍采用一次采全高技術進行采煤，煤體破碎及垮落產(chǎn)生了大量的粉塵，嚴重影響了井下工作環(huán)境[3-5]，尤其在大采高工作面。目前，煤礦井下綜采面主要采用噴霧與煤層注水相結合的方式來防治粉塵，雖然取得了一定防治效果，但由于降塵用水濕潤煤塵性能差、煤層滲透率低等問題，現(xiàn)有降塵技術仍不能較好的滿足井下粉塵防治的要求[6-8]。因此，為有效捕捉井下粉塵，急需研發(fā)一種適用于綜采工作面的高效噴霧降塵技術。

1 首山一礦12100工作面粉塵防治難點分析

河南平寶煤業(yè)有限公司首山一礦12100工作面屬于大采高綜采面，平均煤層厚度達到了5.5m，采用一次機械化采全高的割煤工藝。該煤層結構較為單一，厚度較為穩(wěn)定，煤層傾角約為5°～12°，割煤推進速度較快。經(jīng)現(xiàn)場調研，12100工作面綜采作業(yè)過程中粉塵污染問題較為突出，平均總塵和呼吸性粉塵瞬時濃度分別超過1200mg/m3、800mg/m3，嚴重威脅了井下現(xiàn)場作業(yè)人員的身心健康與礦井的安全、高效生產(chǎn)[9-13]。同時分析該工作面粉塵防治難點如下：①開采煤層的煤體結構為碎裂煤，煤種為瘦煤，致使其被開采過程中產(chǎn)塵量大，且極難被潤濕、沉降；②工作面為瓦斯煤層，配風量大，致使工作面綜采作業(yè)過程中產(chǎn)生的高濃度粉塵能夠在極短的時間內大范圍逸散，難以被有效控除[14，15]。

2 首山一礦綜采面煤塵理化實驗研究

浮塵是井下粉塵防治的重點，為了更好地對首山一礦綜采工作面粉塵采取防治措施，從而保護井下工作人員的身心健康，本文對首山一礦12100大采高綜采面粉塵的粒徑分布及化學結構進行了測試分析，從而評估粉塵危害程度及防治重點區(qū)域，為有針對性的采取粉塵防治技術提供科學指導。

2.1 粉塵分散度分析

為了解首山一礦綜采面粉塵危害情況，特別是對人體危害最大的呼吸性粉塵所占比例，在首山一礦12100綜采面設置了七個測點對其粉塵情況進行采樣分析。采用Bettersize 2600激光粒度分析儀，對以上采塵點所采集到的七組試驗樣品進行粒徑分析實驗，結果見表1。

表1 各測點煤塵取樣干粉顆粒粒度測試結果

采煤機司機處(測點1、5)由于受到割煤機切割破碎的作用，小粒徑浮塵所占比例較大，D50粉塵粒徑分別為10.56μm、7.37μm，對采煤司機身體健康造成較大危害。通過對比分析不同位置粉塵粒度可知，在粉塵運移過程中，粒徑較大的粉塵發(fā)生沉降，導致采煤機下風側較遠的位置粉塵粒徑較小；對比中間巷上風側與下風側可知，風量的增加對大粒徑粉塵的沉降產(chǎn)生影響，導致粉塵沉降變困難。因此，加強對割煤、移架過程中粉塵防治，對于改善井下工作環(huán)境具有重要作用。

2.2 粉塵化學結構定量分析

圖1 煤塵主要官能團含量

3 活性磁化水濕潤粉塵性能及制備工藝

3.1 活性磁化水濕潤粉塵性能

為顯著改善煤礦井下降塵用水的濕潤性能，與中國礦業(yè)大學合作，基于磁化、表面活性劑在改善降塵用水濕潤性能方面的優(yōu)勢，聯(lián)合研究了一種具有強濕潤性能的活性磁化水降塵介質[19-22]。該介質是由含0.03%活性添加劑溶液以4m/s的速度穿過300～350mT的磁場制備得到的。為了驗證活性磁化水濕潤降塵性能，本文采用接觸角、粉塵沉降時間及降塵效率實驗來進行探究，其中接觸角采用JGW-360B型接觸角測定儀測試得到，降塵效率采用中國礦業(yè)大學構建的降塵系統(tǒng)測試獲得[12]，通過降塵前后所測得的粉塵濃度來得到除塵效率，見式(1)；實驗用煤樣取自首山一礦12100綜采面，通過球磨機制備得到粒徑D50小于10μm的粉塵，用于接觸角測試煤片的制備以及降塵性能測試實驗。

式中，η為降塵效率，%；c、c1分別為降塵前后粉塵濃度，mg/m3。

活性磁化水降塵性能如圖2所示，在磁化與表面活性劑的雙重作用下所形成的活性磁化水具有良好的濕潤性能。相對于純水，活性磁化水接觸角減小了61.5%，降低至27.42°；同時由于煤塵含有較多芳香烴、脂肪烴等疏水性基團，煤粉在純水中放置24h仍無法沉降，而粉塵在活性磁化水溶液中完全沉降僅需要60.17s，溶液具有較強濕潤粉塵的能力。為了能更好地展現(xiàn)活性磁化水降塵性能，本文采用降塵實驗系統(tǒng)對活性磁化水降塵性能開展了實驗研究，從圖2可以看出，活性磁化水降塵效率相對于純水有了大幅度地提高，從43.51%增加到80.34%。以上實驗結果充分表明：活性磁化水在磁化與表面活性劑的協(xié)同增效作用下濕潤性能得到了明顯的提升，具有良好的降塵性能。

圖2 活性磁化水降塵性能

3.2 活性磁化水高效制備工藝

為了能實現(xiàn)煤礦井下綜采面狹窄工作空間活性磁化水的高效制備，本文形成了以活性劑小劑量添加系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、噴霧加壓系統(tǒng)、磁化系統(tǒng)為核心的活性磁化水高效制備工藝，如圖3所示。

圖3 綜采面活性磁化水制備工藝

由于活性磁化水制備所需的活性劑溶液質量分數(shù)為0.03%，因此如何實現(xiàn)活性劑小劑量的添加成為高效制備活性磁化水的關鍵。然而，直接抽吸純活性劑來制備0.03%活性劑溶液，由于所需藥劑量較小，現(xiàn)有風動添加或者負壓抽吸無法實現(xiàn)。為此，本文采用二次稀釋的形式制備0.03%活性劑溶液，即先制備5%濃活性劑溶液，再通過調節(jié)定量添加泵轉速，并結合玻璃轉子流量計讀數(shù)來精確獲取所需要添加的5%濃活性劑溶液的量，通過靜態(tài)混合器將降塵用水與5%濃活性劑溶液均勻混合，制備得到0.03%活性劑溶液。此外，本降塵技術最終是以水霧的形式來捕捉井下粉塵，因此用于噴霧降塵的活性磁化水應具有一定的壓力，然而煤礦井下降塵用水由于受到其他工作面用水的影響，其靜壓水的壓力十分不穩(wěn)定。為了能獲得穩(wěn)定的噴霧壓力實現(xiàn)高效霧化降塵，所制備的0.03%活性劑溶液應通過噴霧加壓系統(tǒng)獲得噴霧降塵所需壓力，最后通過磁化裝置制備出用于綜采面降塵的活性磁化水。

4 綜采面活性磁化水噴霧降塵技術應用

首山一礦12100綜采面噴霧措施主要包括采煤機噴霧與架間噴霧，通過現(xiàn)場測試噴霧耗水量大體在200L/min，因此5%濃活性劑添加量為72L/h。經(jīng)噴霧加壓與磁化裝置制備得到具有6MPa噴霧壓力的活性磁化水用于綜采面噴霧降塵，同時優(yōu)化了綜采面現(xiàn)場噴霧裝置，使其所形成的霧場能較好的覆蓋塵源，現(xiàn)場應用如圖4所示。

圖4 活性磁化水噴霧降塵技術現(xiàn)場應用

通過活性磁化水噴霧降塵技術在首山礦12100綜采工作面的應用，粉塵濃度得了大幅度的降低，特別是呼吸性粉塵。經(jīng)采樣測試，七個測點的全塵降塵效率都超過了85%，呼吸性粉塵降塵效率超過了80%，不同測點降塵效率如圖5所示。同時呼吸性粉塵、全塵平均降塵率分別達到了84.67%、88.52%，比純水降塵效率分別提高了44.44%、41.74%，回風巷距工作面端頭15m處呼吸性粉塵濃度從784.5mg/m3降至97.7mg/m3，顯著改善了煤礦井下粉塵環(huán)境。

圖5 不同測點降塵效率

5 結 論

1)通過對首山一礦12100綜采面粉塵理化特性開展實驗研究，發(fā)現(xiàn)首山一礦大采高綜采面粉塵破碎嚴重，小粒徑浮塵占比較大；同時，該煤層煤樣疏水性強，芳香類、脂肪類官能團含量達到了57.36%。

2)實驗證實了活性磁化水具有較好的降塵性能，其接觸角比純水降低了61.5%，沉降時間僅為60.17s，降塵效率比純水提高了36.83%，達到了80.34%；提出了活性磁化水高效制備工藝，實現(xiàn)煤礦井下降塵用活性磁化水的高效制備。

3)活性磁化水噴霧降塵技術有效防治了首山一礦12100綜采面粉塵，全塵、呼吸性粉塵平均降塵效率分別達到了84.67%、88.52%，大幅改善了井下職工的工作環(huán)境，有力保障了采煤工作面的安全、高效生產(chǎn)。